Датчики температуры: всё про термосопротивления
Термосопротивления являются, наверное, самой разнообразной и многочисленной в применении группой датчиков температуры. Любой наладчик, сталкиваясь с подобными датчиками должен понимать как их проверить или диагностировать, если что-то пойдёт не так. В настоящей статье рассмотрим, какими они бывают, какими свойствами обладают, да и где применяются.
Содержание:
- Понятия и определения
- Термосопротивления на основе металлов RTD
- Термосопротивления типа PTC
- Термосопротивление типа NTC
- Термосопротивление типа KTY
- Подытожим всё, что узнали
- Схемы подключения термосопротивлений
- Подключение 4-х проводного датчика к 4-х проводному измерителю
- Подключение 3-х проводного датчика к 4-х проводному измерителю
- Подключение 2-х проводного датчика к 4-х проводному измерителю.
- Обозначения термосопротивлений на принципиальных схемах
- Достоинства и недостатки применения термосопротивлений
Понятия и определения
Прежде, чем продолжим, давайте обозначим понятия и определения, которыми будем пользоваться в статье:
- Термосопротивление или термистор — это прибор или устройство, которое изменяет своё сопротивление в зависимости от температуры окружающей его среды.
- Номинальная статическая характеристика (НСХ) — кривая, показывающая как изменяется сопротивление термосопротивления в зависимости от температуры.
- Температурный коэффициент — величина, показывающая во сколько раз изменится сопротивление при изменении температуры на 1°С.
- Положительный температурный коэффициент (PTC — Positive Thermal Coefficient) — такой температурный коэффициент, при котором с увеличением температуры увеличивается сопротивление термосопротивления.
- Позистор — термосопротивление, обладающее положительным температурным коэффициентом (сопротивление которого возрастает с возрастанием температуры).
- Отрицательный температурный коэффициент (NTC — Negative Thermal Coefficient) — температурный коэффициент, при котором с увеличением температуры сопротивление термосопротивления снижается.
В грубом приближении все применяемые в промышленности термосопротивления можно сгруппировать так:
| Температурный коэффициент: | Положительный (позисторы) | Отрицательный | ||
|---|---|---|---|---|
| Обозначение | RTD | PTC | KTY | NTC |
| Материал | Металлы | Керамика | Полупроводник | Полупроводник |
| Форма НСХ | Линейная | Существенно нелинейная | Нелинейная | Нелинейная |
| Точность мат. описания НСХ | Наилучшая | Грубейшая | Хорошая | Хорошая |
Можно заметить, что в обозначениях термосопротивлений присутствует небольшой беспорядок: несмотря на то, что аббревиатуру PTC можно применить ко всем термосопротивлениям с положительным температурным коэффициентом, это сокращение закрепилось прочно за термисторами с нелинейной НСХ, а группа термосопротивлений на основе металлов вообще не имеет ни официального, ни общественно принятого обозначения, поэтому в настоящей статье Прохор Наумович придерживается обозначения RTD для термосопротивлений на основе металлов.
Термосопротивления на основе металлов RTD
Известное свойство металлов — изменение сопротивления электрическому току при изменении температуры среды, в которой они находятся. Из курса физики мы знаем, что при увеличении температуры увеличивается сопротивление металлического проводника. В общем виде зависимость сопротивления металла от внешней температуры не линейна и приближённо может быть выражена полиномом:
, где:
- RO — сопротивление при определённой условной температуре, Ом;
- A, B, C и т. д. — коэффициенты, зависящие от свойств материала проводника и влияющие на соотношение температура-сопротивление. Чем больше членов с этими коэффициентами в полиноме, тем точнее описание зависимости сопротивления от температуры;
- t — температура, для которой требуется установить сопротивление.
В основном термосопротивления на основе металлов принято обозначать аббревиатурой РДТ или RTD (Resistance Temperature Detector). Эти датчики изготавливают из чистых металлов, таких как платина (Pt), медь (Cu) или никель (Ni), поэтому они являются самыми дорогими из всех рассматриваемых в настоящей публикации термосопротивлений. Эти датчики имеют самую близкую к линейной НСХ, поэтому применяются в ответственных случаях.
Упрощённо, линейный закон изменения температуры термосопротивления на основе металлов можно выразить формулой:
, где:
- Rt - сопротивление при текущей температуре Tt;
- RO - номинальное сопротивление при определённой стандартной температуре TO. Как правило, TO принимается равным 0°С.
- α - температурный коэффициент сопротивления.
Термосопротивления типизируются по двум параметрам: тип чувствительного элемента (материал) и RO. Но есть особенность:
- в российских обозначениях указывается вначале RO, а потом материал: 50М, 100М;
- в международных обозначениях наоборот - материал, а затем RO: Cu 50, Pt 100.
Коэффициент α, зависит от применяемого материала для чувствительного элемента. Его значения согласно ГОСТ 6651-2009 приведены в таблице ниже. Значение RO стандартизировано. Стандартный ряд RO — числа 10, 50, 100, 500, 1000.
| Материал | Медь | Платина проволочная | Платина плёночная | Никель | Кобальт | Чистое железо |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Обозначение | М | П | Pt | Н | —— | —— |
| α, °С-1 | 0,00428 | 0,00391 | 0,00385 | 0,00617 | 0,0060 | 0,0066 |
Параметр RO и α важно знать, чтобы правильно настроить прибор, к которому подключен датчик.
А как так вышло, что вначале зависимость сопротивления от температуры описывалась полиномом чуть ли не бесконечной степени, а для RTD датчиков температуры вдруг ограничились только коэффициентом α? Какая связь между коэффициентами A, B, C и α? Попробую объяснить на примере Pt100.
Британский физик Хью Лонгбор Каллендар записал зависимость сопротивления от температуры для платины в виде выражения:
Но, оно не точно описывало зависимость сопротивления от температуры ниже 0°С. Поэтому, позднее американский химик Милтон С. ван Дьюзен дополнил его:
Со временем форму записи несколько упростили, введя коэффициенты A, B и С:
Теперь, для платинового термосопротивления запись выглядит:
для температур выше 0°С;
для температур ниже 0°С.
Не трудно заметить, что если RO взято для t=0°С, а в изначальную формулу Календар-вад Дьюзена подставить температуру t=100°С, то коэффициенты δ и β самоликвидируются, в этом случае получается наша упрощённая запись:
Коэффициенты α, δ и β подбираются при калибровке каждого типа датчика. Пересчитанные в коэффициенты A, B и C, они приводятся в документах стандартизации. Например для Pt100:
- α = 3,85∙10-3 °C-1;
- β = 1,500 °C;
- δ = 0,1086
Соответствует:
- A = 3,9083∙10-3 °C-1;
- B = -5,775∙10-7 °C-2;
- C = -4,183∙10-12 °C-4.
В ГОСТ 6651-2009 приведены формулы для расчёта номинальных статических характеристик RTD термосопротивлений и их коэффициенты. Вот они:
| Материал термосопротивления | Диапазон температур | Расчётная формула | Значения коэффициентов |
|---|---|---|---|
| Платина (α=0,00385 °C-1) | -200°C...0°C | Rt=Ro(1+A·t+B·t2+C·t3(t-100°C)) |
|
| 0°C...850°C | Rt=Ro(1+A·t+B·t2) | ||
| Платина (α=0,00391 °C-1) | -200°C...0°C | Rt=Ro(1+A·t+B·t2+C·t3(t-100°C)) |
|
| 0°C...850°C | Rt=Ro(1+A·t+B·t2) | ||
| Медь (α=0,00428 °C-1) | -180°C...0°C | Rt=Ro(1+A·t+B·t(t+6.7°C)+C·t3) |
|
| 0°C...200°C | Rt=Ro(1+A·t) | ||
| Никель (α=0,00617 °C-1) | -60°C...100°C | Rt=Ro(1+A·t+B·t2) |
|
| 100°C...180°C | Rt=Ro(1+A·t+B·t2+C·t2(t-100°C)) |
ГОСТ 6651-2009 регламентирует классы допусков и диапазоны измерений для RTD термосопротивлений и чувствительных элементов. Они указываются в обозначениях датчиков.
| Класс допуска | Допуск, °C | Диапазон измерений, °C | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Платиновое ТС, тип чувствительного элемента | Медное ТС | Никелевое ТС | |||
| Проволочный | Плёночный | ||||
| AA W0.1 F0.1 | ±(0,1+0,0017·|t|) | -50°C...250°C | 0°C...150°C | ─── | ─── |
| A W0.15 F0.15 | ±(0,15+0,002·|t|) | -100°C...450°C | -30°C...350°C | -50°C...120°C | ─── |
| B W0.3 F0.3 | ±(0,3+0,005·|t|) | -196°C...660°C | -50°C...500°C | -50°C...200°C | ─── |
| C W0.6 F0.6 | ±(0,6+0,01·|t|) | -196°C...660°C | -50°C...600°C | -180°C...200°C | -60°C...180°C |
Конструкция и маркировка выводов термосопротивлений
Термосопротивления подключаются по двухпроводной, трёхпроводной и четырёхпроводной схеме. Маркировка выводов термосопротивления стандартизована по ГОСТ 6651-2009 и имеет обозначение, как показано на рисунке.
Логика цветового обозначения такова, что если в колбе только одно термосопротивление, то оно обозначается красно-белыми жилами. Если в колбе ещё один измерительный элемент, то его выводы окрашиваются в жёлто-чёрный цвет. Выводы одного потенциала всегда одного цвета. Так при трёхпроводной схеме всегда есть две одинаково окрашенные жилы: две красные или две чёрные жилы относятся к одном потенциалу. В четырёхпроводной схеме жилы всех цветов по паре.
Как подключаются RTD термосопротивления к измерительным приборам, рассмотрим далее.
Термосопротивления типа PTC
Широко используемые в промышленности термосопротивления типа PTC применяют из-за их существенно нелинейной характеристики. Это кажется странным, когда для соблюдения точности стремятся всё линеаризовать. Однако, термосопротивления PTC не используют как измерительные, а скорее как реле: в нормальном состоянии сопротивление измерительного элемента довольно мало, при увеличении температуры до определённого момента характеристика сопротивления PTC растёт плавно, а в точке срабатывания — резко возрастает.
Критерии выбора датчика температуры типа PTC
Если PTC датчик имеет такую нелинейную характеристику, тогда какими параметрами он характеризуется? Как узнать, какой датчик подобрать к конкретным условиям работы? Такими параметрами являются:
- Номинальная температура срабатывания (на рисунке TНТС) или температура Кюри — значение температуры, при которой происходит резкое увеличение сопротивления.
- Сопротивление диапазонов характеристики — предельные значения сопротивления в регламентированных диапазонах температур.
Номинальная температура срабатывания TНТС подбирается, например, под класс нагревостойкости изоляции для защиты обмоток электродвигателя или трансформатора.
Сопротивление диапазонов характеристики скорее нужно для производителей оборудования, которое будет использовать PTC элемент в качестве датчика. Это сопротивление регламентировано документами IEC 60034-11:2004 и DIN VDE 0890-1-401:2016. В таблице ниже приведены требования к сопротивлениям поддиапазонов характеристики до точки срабатывания и после:
| Поддиапазон характеристики | Сопротивление | Измерительное напряжение |
|---|---|---|
| от -20°C до TНТС-20K | ≤ 250 Ом | ≤ 2,5 В |
| при TНТС-5K | ≤ 550 Ом | ≤ 2,5 В |
| при TНТС+5K | ≥ 1330 Ом | ≤ 2,5 В |
| при TНТС+15K | ≥ 4000 Ом | ≤ 7,5 В |
То есть в режиме, когда температура равна или близка к температуре окружающей среды, сопротивление датчика не превышает 250 Ом. При повышении температуры и переходе порога, когда до точки срабатывания осталось 5°С, сопротивление повышается сверх 550 Ом и быстро растёт дальше. После точки срабатывания сопротивление возрастает лавинообразно. Это поведение напоминает работу реле, которое размыкает при температуре срабатывания свои контакты, и цепь разрывается (в цепи появляется элемент с огромным сопротивлением).
Что означает буква К? Да-да, это температура в Кельвинах. И хоть 1°C = 1°K, так исторически сложилось, потому что в теоретических расчётах температура в уравнениях фигурирует в Кельвинах (например, в уравнении Стейнхарта-Харта, аппроксимировано описывающего зависимость сопротивления от температуры терморезисторов типа NTC). Поэтому в градусах Цельсия температура даётся для удобства — чтобы каждый раз не пересчитывать.
Непосредственное использование PTC термосопротивлений в защитной цепи не применимо из-за эффекта самонагрева. PTC термосопротивления подключают к специальному преобразователю, который работает как реле, меняя положение выходного релейного контакта. При достижении температуры срабатывания, реле своими контактами отключает защищаемое оборудование.
Для защиты электродвигателей или трансформаторов от перегрева PTC сопротивления встраивают внутрь их обмоток. Сопротивления в таком случае соединяют последовательно, поэтому их количество может доходить до 9 штук. Разумеется, характеристики сопротивлений в этом случае складываются.
PTC термисторы имеют стандартную цветовую маркировку своих выводов, так что по ней можно определить номинальную температуру срабатывания не вытаскивая датчик из объекта измерения.
| Номинальная температура срабатывания (IНТС) | Сопротивление при -20°...TНТС-20K | Сопротивление при температуре: | Цветовой код | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| TНТС-ΔT | TНТС+ΔT | TНТС+15K | ||||
| 60±5 | ≤100 | ≤570 | ≥570 | - | белый | серый |
| 70±5 | ≤100 | ≤570 | ≥570 | - | белый | корич. |
| 80±5 | ≤100 | ≤570 | ≥570 | - | белый | белый |
| 90±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | зелёный | зелёный |
| 100±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | красный | красный |
| 105±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | голубой | серый |
| 110±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | корич. | корич. |
| 115±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | голубой | зелёный |
| 120±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | серый | серый |
| 125±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | красный | зелёный |
| 130±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | голубой | голубой |
| 135±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | красный | корич. |
| 140±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | белый | голубой |
| 145±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | белый | чёрный |
| 150±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | чёрный | чёрный |
| 155±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | голубой | чёрный |
| 160±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | голубой | красный |
| 165±5 | ≤100 | ≤550 | ≥1330 | ≥4000 | голубой | корич. |
| 170±7 | ≤100 | ≤570 | ≥570 | - | белый | зелёный |
| 180±7 | ≤100 | ≤570 | ≥570 | - | белый | красный |
| 190±7 | ≤100 | ≤570 | ≥570 | - | голубой | зелёный |
| 200±7 | ≤100 | ≤570 | ≥570 | - | зелёный | красный |
| 210±7 | ≤100 | ≤570 | ≥570 | - | корич. | зелёный |
| 220±7 | ≤100 | ≤570 | ≥570 | - | чёрный | красный |
Термосопротивление типа NTC
Термосопротивление NTC — единственный представитель с отрицательной зависимостью сопротивления от температуры. Характеристика NTC в нормальном состоянии наоборот имеет высокое сопротивление, а с увеличением температуры резко снижается. Типовая НСХ характеристика NTC термосопротивлений гораздо проще, чем у PTC, и представляет собой ниспадающую кривую:
Сопротивление NTC термистора увеличивается при снижении температуры. Приближённо, НСХ характеристика NTC термистора описывается выражением:
Критерии выбора датчиков NTC для применения
Характерными параметрами NTC термисторов являются:
- Сопротивление при температуре 25°С (R25);
- Коэффициент наклона "B" характеристики R=f(T), зависящий от материала изделия.
Коэффициент наклона — это величина, показывающая крутизну изменения сопротивления NTC термистора в определённом диапазоне температур (от Т1 до Т2). Как правило, производитель датчика указывает между какими температурами индексами к букве B (например, B25/100=3580 означает, что между температурами T1 = 25°С и T2=100°С, коэффициент наклона 3580).
Сам коэффициент наклона рассчитывается по формуле:
Смысл величины "B" в том, что по нему можно судить по степени кривизны характеристики между температурами T1 и T2. Чем меньше "B", тем ближе в этом диапазоне к линейности (правда по логарифмической шкале).
Термосопротивление типа KTY
Технология производства датчиков KTY разработана фирмой Philips, и на сегодняшний день эти датчики являются самым дешёвым инструментом для измерения температуры. К сожалению, точность датчиков уступает тем же RTD, так как НСХ датчика чуть более нелинейная.
Параметры выбора KTY датчика
Если обратить внимание на НСХ датчика температуры типа KTY, то можно уловить некое сходство с RTD датчиками. Поэтому и параметры для подбора датчика похожие:
- Базовое сопротивление R25 — сопротивление датчика при 25°С;
- Форма характеристики, определяемая коэффициентами α и β, определяющими формулу параболы:
Эта формула с достаточной точностью пригодна только для диапазона от -30°С до +150°С. Для датчиков типа KTY81, KTY82, KTY84 данная формула дополняется еще одним членом, потому что у них есть точка перегиба, после которой кривая убывает слабо:
, где:
- R0 — базовое сопротивление для всех типов датчиков при температуре 25°С, а для KTY84 равный 100°С.
Температура определяется как:
В этой формуле kT — температурный коэффициент, определяемый из выражения:
Классифицируют датчики неочевидным обозначением вида:
| KTY | 81 | - | 110 |
1 | 2 | 3 |
- 1 — Датчик температуры типа KTY
- 2 — Серия датчика
- 3 — Точность
Значения коэффициентов для каждого типа KTY датчика собраны в таблицу:
| Тип KTY | Коэффициент α K-1 | Коэффициент β K-2 | Коэффициент γ K-γ | Коэффициент δ | Температура перегиба °С |
|---|---|---|---|---|---|
| KTY81-1 | 7,874·10-3 | 1,874·10-5 | 3,42·10-8 | 3,7 | 100 |
| KTY81-2 | 7,874·10-3 | 1,874·10-5 | 1,096·10-6 | 3,0 | 100 |
| KTY82-1 | 7,874·10-3 | 1,874·10-5 | 3,42·10-8 | 3,7 | 100 |
| KTY82-2 | 7,874·10-3 | 1,874·10-5 | 1,096·10-6 | 3,0 | 100 |
| KTY83 | 7,635·10-3 | 1,731·10-5 | ─── | ─── | ─── |
| KTY84 | 6,12·10-3 | 1,1·10-5 | 3,14·10-8 | 3,6 | 250 |
| KTY85 | 7,635·10-3 | 1,731·10-5 | ─── | ─── | ─── |
| KT 210 | 7,88·10-3 | 1,937·10-5 | ─── | ─── | ─── |
| KT 230 | 7,88·10-3 | 1,937·10-5 | ─── | ─── | ─── |
| KTY21-7 | 7,88·10-3 | 1,937·10-5 | ─── | ─── | ─── |
| KTY23-7 | 7,88·10-3 | 1,937·10-5 | ─── | ─── | ─── |
Для температур ниже температуры точки перегиба коэффициент γ = 0.
В практике для устранения нелинейности могут применять два способа:
- Калибровка канала измерения: когда в измерительном приборе задаётся калибровочная таблица с сопоставлением сопротивления к температуре;
- Включением параллельно датчику KTY сопротивления, вносящего нелинейность в цепь и за счёт неё корректирует собственную нелинейность датчика.
Представленные схемы демонстрируют способ компенсации нелинейности датчика KTY:
- На схеме "а" показана компенсация параллельным включением калиброванного сопротивления RШ термодатчику RТС при питании от источника тока. Схема проста, но использование источника тока усложняет и удорожает её. Компенсация происходит за счёт параллельно включенного постоянного сопротивления переменному.
- На схеме "б" предлагается компенсация нелинейности последовательным включением сопротивления RН в цепь термодатчика RТС при питании от источника стабилизированного напряжения. Компенсация происходит за счёт зависимости сопротивления датчика KTY от тока (на рисунке график "г"): при увеличении температуры, увеличивается сопротивление; при увеличении сопротивления уменьшается ток через цепь RТС и RН, что приводит к снижению сопротивления RТС. Таким образом напряжение UТ меняется почти линейно с изменением температуры.
- На схеме "в" добавочный резистор RШ компенсирует остаточную нелинейность устранённую схемой "б".
Самым большим недостатком датчиков KTY является их чувствительность к электростатическому разряду, которым датчик может быть безвозвратно повреждён. К тому же для некоторых датчиков важно соблюдение полярности, так как KTY датчик —поляризованный элемент. Каждый производитель может придерживаться своего обозначения полярности выводов, а некоторые — пытаются следовать какому-либо стандарту. Например, как в таблице ниже:
| Полярность | Стандарт | |
|---|---|---|
| SIEMENS | ||
| Плюс (+) или Анод | Коричневый | Зелёный |
| Минус (—) или Катод | Белый | Жёлтый |
Где применяются термосопротивления типа KTY?
Наиболее частое применение это контроль температуры обмоток двигателей, генераторов и трансформаторов. Еще чаще их применяют в системах регулирования температуры воздуха, газов и жидкостей в пределах от -50°С до +150°С.
Подытожим всё, что узнали
Столько много типов термосопротивлений и существуют они не просто так. Каждое из них несёт свою миссию. Любому инженеру приятнее и нагляднее воспринимать информацию в обобщённом виде. И так, начнём с НСХ датчиков. На рисунке ниже представлены НСХ всех типов датчиков в качественном виде для сравнения:
Рассматривая графики НСХ датчиков можно сделать несколько выводов:
- Самой линейной НСХ обладают термосопротивления типа RTD, значит они и используются в ответственных случаях для измерения температуры (например, учёт или регулирование технологических процессов). Но они являются наиболее дорогостоящими, поэтому их сегмент "дорого-отлично".
- В тех областях, где требуется контроль температуры, как цифры на приборе (т.е. в количественном понимании) отлично подходят RTD и во втором случае KTY. Применяются эти датчики для контроля температуры обмоток электрических машин, индикаторов для операторов машинных залов, не требующих точного регулирования процессов (температура помещений, воды на нужды охлаждения, температура отходящих газов). Существуют решения по применению NTC, но они малочисленны из-за узкого диапазона НСХ, в котором его можно линеаризовать.
- Датчик типа PTC больше пригодится как защитное реле: достоверные показания с него получить не удастся, но благодаря своей характеристике он сработает при установленной температуре (например, даст сигнал о достижении критической температуры обмотки двигателя).
Другие не столь очевидные качественные параметры можно свести в таблицу:
| Наименование сравниваемого параметра | RTD термосопротивления | PTC термосопротивления | NTC термосопротивления | KTY термосопротивления |
|---|---|---|---|---|
| Диапазон измеряемых температур | -200°С...+850°С | Точка срабатывания | -80°С...+250°С | -50°С...+150°С |
| Точность измерения | Наилучшая | Отсутствует | Посредственная | Посредственная |
| Линейность характеристики | Наилучшая | Существенно нелинейная | Нелинейная | Возможно привести к линейной |
| Устойчивость измерений с течением времени | Наилучшая | Хорошая | Хорошая | Хорошая |
| Международная стандартизация | Стандартизированы | Стандартизированы | Отсутствует | Отсутствует |
| Влияние соединительных проводников | Существенна при малых RO | Незначительная | Незначительная | Мало влияет |
Схемы подключения термосопротивлений
Очень часто бывает так, что точка измерения находится довольно далеко, поэтому в определённых случаях важно, как подключен датчик к регистрирующему прибору. Это касается тех датчиков, у которых собственное сопротивление при рабочей температуре довольно низкое, например: Pt10, Pt50, 50М, Pt100. Рассмотрим на примере различных схем подключения.
Двухпроводная схема подключения
Этот способ используется редко из-за большой погрешности при измерении, потому что сопротивление проводников (RПР1 и RПР2) добавляется к сопротивлению датчика RТС. Например, если сопротивление RO датчика составляет, 100 Ом при 0°С, а при изменении температуры на 1°С сопротивление изменяется на ~0,39 Ом (согласно НСХ датчика). Такое значение соизмеримо с сопротивлением жил кабеля.
Поэтому применять
двухпроводную схему нужно при короткой длине соединительных проводов и
максимально возможном их сечении для подключения к датчику или для датчиков, имеющих большое собственное сопротивление, например для: Pt1000, Ni1000, PTC, KTY.
Трёхпроводная схема подключения
Трёхпроводный способ измерения считается точнее, чем двухпроводный, потому что измеряется падение напряжения в проводе в одном плече измерительной схемы (VП). Основной измерительный ток протекает по проводам RПР2 к RПР1. Так как вольтметры VП и VИ имеют огромное внутреннее сопротивление, то ток через RПР3 практически не протекает, и им можно пренебречь. Тогда получается, что вольтметр VП измеряет падение только в проводе с сопротивление RПР1:
VП = I·RПР1
Вольтметр VИ, с учётом вышесказанных рассуждений о том, что падением в RПР3 можно пренебречь, измеряет падение напряжения:
VИ = I·RТС+I·RПР2
Измерив падение в одном проводе (VП) и принимая, что и второй провод имеет такое же сопротивление, сопротивление датчика определяется:
RТС = (VИСТ - VП)/I
Такая схема довольно точна, при условии, что жилы кабеля имеют абсолютно одинаковое сопротивление. К сожалению, такое бывает не всегда. Некоторые производители кабелей указывают разброс в сопротивлении жил аж 15%. Ещё не нужно забывать про сопротивления контактных соединений, которые совсем не обязаны быть одинаковыми.
Четырёхпроводная схема подключения
Чтобы исключить два фактора (несимметричность жил и переходные контакты), влияющих на точность измерения, применяют четырёхпроводную схему.
Опять-таки, с учётом огромного сопротивления вольтметра VП, ток, создающий падение напряжения в проводах RПР3 и RПР4 очень мал. Поэтому можно считать, что VП - это падение напряжения на термосопротивлении RТС. Следовательно, не трудно доказать, что:
RТС = VП/I
Следует понимать, что в реальности при измерении температуры никакие вольтметры VИ или VП
не используются. Здесь они показаны для наглядности принципа измерения.
Эти параметры измеряются внутри устройства - вторичного
преобразователя, в котором на основе измеренных значений вычисляется
температура.
Как правильно подключить термосопротивление, если количество выводов датчика отличается от количества входов измерительного прибора?
Рассмотрим различные
схемы подключения, возможные ошибки. Нужно понять: какой бы ни была
комбинация "датчик─измеритель", компенсация потерь в соединительных проводниках должна сохраняться. Или, проще говоря, нельзя ставить перемычки на измерителе — их нужно ставить на датчике.
Подключение 4-х проводного датчика к 4-х проводному измерителю
Правильное подключение - использование всех четырёх выводов термосопротивления. На нижней схеме показано неправильное подключение с использованием перемычек на измерительном приборе. По такой схеме подключения не происходит компенсация потерь в проводах, что равносильно подключению по двухпроводной схеме.
Подключение 3-х проводного датчика к 4-х проводному измерителю
Обратите внимание, что правильное подключение трёхпроводного датчика четырьмя проводами. Красный и синий проводники объединились на клемме датчика, поэтому компенсация потерь в проводе сохраняется. Нельзя ставить перемычку на клеммах измерителя, потому что в таком случае сопротивление красного провода добавляется к сопротивлению датчика.
Подключение 2-х проводного датчика к 4-х проводному измерителю.
При верном подключении опять-таки сохраняется компенсация проводов. Хоть датчик и 2-х проводный, лучше его подключить четырьмя проводами.
Подключение 2-х проводного датчика к 3-х проводному измерителю.
Логика та же самая: проводники объединяются на датчике, что позволяет выполнять компенсацию сопротивления проводов. Перемычки на измерителе не допустимы.
Подключение 4-х проводного датчика к 3-х проводному измерителю
Интересный момент со схемой подключения, когда 4-х проводный датчик подключается к 3-х проводному измерителю. Если подключить красный и синий провода параллельно, то сопротивление этого плеча будет меньше, поэтому прибор скомпенсирует с ошибкой потерю в проводах.
Обозначения термосопротивлений на принципиальных схемах
Условные графические обозначения термосопротивлений приведены на рисунке ниже:
Достоинства и недостатки применения термосопротивлений
Достоинства использования термосопротивлений:
- Для передачи измеряемого сигнала не требуются специальные кабели: сигнал можно передавать обычными медными проводниками;
- PTC, NTC и KTY термосопротивления довольно недорогой вариант для измерения температур;
- Очень большое время службы: в отличие от термопар, которые подвержены "отравлению" коррозией и химическими примесями;
- Отличная стабильность характеристик.
Недостатки использования термосопротивлений:
- Наличие эффекта самонагрева, возникающего при протекании тока через термосопротивление. Поэтому производители измерительных преобразователей стараются использовать наименьший ток (не более 1 мА);
- Диапазон температур измерения PTC, NTC и KTY термосопротивлений не широк. RTD термосопротивления тоже уступают по диапазонам измерения термопарам;
- KTY термосопротивления чувствительны к электростатическим импульсам, способным вывести их из строя;
- Нелинейность характеристик PTC, NTC и KTY требует дополнительных мер для получения приемлемых по точности результатам.
