Термометр сопротивления

Условное графическое обозначение термометра сопротивления

Термо́метр сопротивле́ния — электронный прибор, датчик, предназначенный для измерения температуры.

Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления металлов, сплавов и полупроводниковых материалов от температуры.

При применении в качестве резистивного элемента полупроводниковых материалов его обычно называют термосопротивле́нием, терморезистором или термистором.

Металлический термометр сопротивления

Представляет собой резистор, изготовленный из металлической проволоки или металлической плёнки на диэлектрической подложке и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры.

Наиболее точный и распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры. Это обусловлено тем, что платина имеет стабильную и хорошо изученную зависимость сопротивления от температуры и не окисляется в воздушной среде, что обеспечивает их высокую точность и воспроизводимость. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом 0,003925 1/К при 0 °C.

В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры сопротивления. Технические требования к рабочим термометрам сопротивления изложены в стандарте ГОСТ 6651-2009 (Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы номинальных статических характеристик (НСХ) и стандартные зависимости сопротивление-температура. ГОСТ 6651-2009 соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008). В этих стандартах, в отличие от ранее действующих стандартов не нормированы номинальные сопротивления при нормальных условиях. Начальное сопротивление изготовленного термосопротивления может быть произвольным с некоторым допуском.

Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев считаются имеющими стандартную зависимость сопротивление-температура (НСХ), что обеспечивает погрешность не более 0,1 °C (класс термосопротивлений АА при 0 °C).

Термометры сопротивления изготовленные в виде напыленной на подложку металлической плёнки отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном рабочих температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов, составляет 660 °C (класс С), для плёночных — 600 °C (класс С).

Термисторы

Основная статья: Терморезистор

Термистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Для термисторов характерны большой температурный коэффициент сопротивления, простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Они могут иметь весьма малые размеры, что существенно для измерений температуры малых объектов и снижения инерционности измерения. Обычно термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, в отличие от большинства металлов и металлических сплавов.

Зависимость сопротивления платинового термосопротивления от температуры

Для промышленных платиновых термометров сопротивления используется уравнение Каллендара-Ван Дьюзена (en), с известными коэффициентами, которые установлены экспериментально и нормированы в международном стандарте МЭК 60751(ГОСТ 6651-94):

$R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)\right]\;(-200\;{}^{\circ }\mathrm {C} <T<0\;{}^{\circ }\mathrm {C} ),$

$R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}\right]\;(0\;{}^{\circ }\mathrm {C} \leq T<850\;{}^{\circ }\mathrm {C} ),$

здесь $R_{T}$ — сопротивление при температуре $T$ °C,

$R_{0}$ сопротивление при 0 °C,

$A,B,C$ — коэффициенты — константы, нормированные стандартом:

$A=3.9083\times 10^{-3}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}$

$B=-5.775\times 10^{-7}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-2}$

$C=-4.183\times 10^{-12}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-4}.$

Поскольку коэффициенты $B$ и $C$ относительно малы, сопротивление растёт практически линейно при увеличении температуры.

Для платиновых термометров повышенной точности и эталонных термометров выполняется индивидуальная градуировка в ряде температурных реперных точек и определяются индивидуальные коэффициенты вышеприведенной зависимости.

Подключение термометров сопротивления в электрическую измерительную схему

Используется 3 схемы включения датчика в измерительную цепь:

Схема подключения терморезистора по двухпроводной схеме.

2-проводная.

В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема используется там, где не требуется высокой точности измерения. Точность измерения снижается за счёт сопротивления соединительных проводов, суммирующегося с собственным сопротивлением термометра и приводит к появлению дополнительной погрешности. Такая схема не применяется для термометров классов А и АА.

3-проводная.

Эта схема обеспечивает значительно более точные измерения за счёт того, что появляется возможность измерить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть их влияние на точность измерения сопротивления датчика.

4-проводная.

Является наиболее точной схемой измерения, обеспечивающей полное исключение влияния на результат измерения подводящих проводов. При этом по двум проводникам подается ток на терморезистор, а два других, в которых ток равен нулю, используются для измерения напряжения на нём. Недостаток такого решения — увеличение объёма используемых проводов, стоимости и габаритов изделия. Эту схему Невозможно использовать в четырехплечем мосте Уитстона.

В промышленности наиболее распространенной является трёхпроводная схема. Для точных и эталонных измерений используется только четырёхпроводная схема.

Преимущества и недостатки термометров сопротивления

Преимущества термометров сопротивления

• Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °C), может доходить до 13 тысячных °C (0,013).
• Возможность исключения влияния изменения сопротивления линий связи на результат измерения при использовании 3- или 4-проводной схемы измерений.
• Практически линейная характеристика.

Недостатки термометров сопротивления

• Относительно малый диапазон измерений (по сравнению с термопарами)
• Дороговизна (в сравнении с термопарами из неблагородных металлов, для платиновых термометров сопротивления типа ТСП).
• Требуется дополнительный источник питания для задания тока через датчик.

Таблица сопротивлений некоторых термометров сопротивления

Сопротивление в Омах (Ω)

Температура в °C	Pt100	Pt1000	нем. PTC	нем. NTC	NTC	NTC	NTC	NTC
	Typ: 404	Typ: 501	Typ: 201	Typ: 101	Typ: 102	Typ: 103	Typ: 104	Typ: 105
−50	80,31	803,1	1032
−45	82,29	822,9	1084
−40	84,27	842,7	1135			50475
−35	86,25	862,5	1191			36405
−30	88,22	882,2	1246			26550
−25	90,19	901,9	1306		26083	19560
−20	92,16	921,6	1366		19414	14560
−15	94,12	941,2	1430		14596	10943
−10	96,09	960,9	1493		11066	8299
−5	98,04	980,4	1561	31389	8466
0	100,00	1000,0	1628	23868	6536
5	101,95	1019,5	1700	18299	5078
10	103,90	1039,0	1771	14130	3986
15	105,85	1058,5	1847	10998
20	107,79	1077,9	1922	8618
25	109,73	1097,3	2000	6800			15000
30	111,67	1116,7	2080	5401			11933
35	113,61	1136,1	2162	4317			9522
40	115,54	1155,4	2244	3471			7657
45	117,47	1174,7	2330				6194
50	119,40	1194,0	2415				5039
55	121,32	1213,2	2505				4299	27475
60	123,24	1232,4	2595				3756	22590
65	125,16	1251,6	2689					18668
70	127,07	1270,7	2782					15052
75	128,98	1289,8	2880					12932
80	130,89	1308,9	2977					10837
85	132,80	1328,0	3079					9121
90	134,70	1347,0	3180					7708
95	136,60	1366,0	3285					6539
100	138,50	1385,0	3390
105	140,39	1403,9
110	142,29	1422,9
150	157,31	1573,1
200	175,84	1758,4

Программа для вычисления значения температуры на языке C++

Приведённый ниже код позволяет вычислить значение температуры термосопротивлений (датчика Pt100 или Pt1000) по его текущему сопротивлению.

float GetPt100Temperature(float r)
{
    static float const Pt100[] = { 	80.31,	 82.29,  84.27,	 86.25,	 88.22,	 90.19,	 92.16,	 94.12,	 96.09,	 98.04,
                                100,	101.95,	103.9,	105.85,	107.79,	109.73,	111.67,	113.61,	115.54,	117.47,
                                119.4,	121.32,	123.24,	125.16,	127.07,	128.98,	130.89,	132.8,	134.7,	136.6,
                                138.5,	140.39,	142.29,	157.31,	175.84,	195.84};
    float t = -50;
    int i = 0, dt = 0;
    if (r > Pt100[0])
      while (250 > t) {
        dt = (t < 110) ? 5 : (t > 150) ? 50 : 40;
        if (r < Pt100[++i])
          return t + (r - Pt100[i-1]) * dt / (Pt100[i] - Pt100[i-1]);
        t += dt;
      };

    return t;
}

float GetPt1000Temperature(float r)
{
    return GetPt100Temperature(r / 10);
}

См. также

• ГОСТ 6651-2009. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля.
• Термопара
• Терморезистор
• Биметаллическая пластина
• Манометрический термометр
• Пирометр
• Фоторезистор