Термосопротивление: что это, устройство и принцип работы

Термосопротивление в контексте температурных измерений – распространенное название датчиков, работа которых основана на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры. В промышленной автоматизации для таких средств измерений применяется термин «термопреобразователь сопротивления» (ТС).

ТС используют совместно с измерителями, регуляторами, модулями ввода и другими устройствами, которые измеряют сопротивление чувствительного элемента и по его номинальной статической характеристике определяют температуру.

Ниже рассмотрены принцип работы, устройство и основные виды термопреобразователей сопротивления, а также их отличие от термопар и термисторов.

Что такое термосопротивление

Термопреобразователь сопротивления – средство измерения температуры, в котором используется чувствительный элемент с известной зависимостью электрического сопротивления от температуры. В промышленном исполнении чувствительный элемент, внутренние соединительные провода, защитный корпус и внешние выводы образуют измерительное устройство.

В поисковых запросах и технической речи наряду с термином «термопреобразователь сопротивления» встречаются названия «термометр сопротивления» и «термосопротивление». При работе с документацией конкретного оборудования следует использовать терминологию производителя и применяемого стандарта.

Важно различать элементы измерительного канала:

• чувствительный элемент – резистивный элемент с известной зависимостью сопротивления от температуры;
• термопреобразователь сопротивления – средство измерения температуры с таким чувствительным элементом;
• измерительный преобразователь – устройство, которое может преобразовывать результат измерения в унифицированный аналоговый или цифровой сигнал;
• измерительный прибор или контроллер – принимает сигнал и использует его для индикации, регулирования или управления.

Поэтому сам факт наличия электрического выхода еще не делает датчик термопреобразователем сопротивления: определяющим является принцип преобразования температуры в изменение сопротивления.

Принцип работы термосопротивления

Принцип работы термопреобразователя сопротивления основан на воспроизводимой зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от его температуры. Для металлических чувствительных элементов, применяемых в промышленных ТС, сопротивление в нормируемом диапазоне изменяется по установленной характеристике.

Упрощенно измерительную цепочку можно представить так:

Температура среды → температура чувствительного элемента → изменение сопротивления → измерение сопротивления прибором → определение температуры.

Прибор не измеряет температуру непосредственно. Он определяет электрическое сопротивление и сопоставляет его с номинальной статической характеристикой (НСХ) выбранного типа ТС. Поэтому тип датчика и настройка измерительного входа должны соответствовать друг другу.

Например, одинаковое числовое значение сопротивления у датчиков с разными НСХ не означает одинаковую температуру. Для корректного преобразования прибору необходимо знать характеристику подключенного чувствительного элемента.

Температура изменяет сопротивление чувствительного элемента, а измерительный прибор преобразует его по характеристике датчика в значение температуры.

От чего зависит сопротивление термосопротивления

Сопротивление чувствительного элемента определяется его материалом, температурой и нормированной характеристикой. Для промышленного ТС важны также номинальное сопротивление и температурный коэффициент, по которым задается соответствующая НСХ.

На результат измерения влияет не только сам чувствительный элемент. В измеряемое сопротивление могут входить сопротивления внутренних и внешних соединительных проводов, контактов и переходов. Насколько заметно их влияние, зависит от схемы подключения и параметров измерительного входа.

По этой причине для ТС применяют 2-, 3- и 4-проводные схемы. Они отличаются способом учета сопротивления соединительной линии. Подробное подключение целесообразно рассматривать отдельно, поскольку выбор схемы определяется конструкцией датчика и возможностями прибора.

Устройство термопреобразователя сопротивления

Основной рабочий элемент ТС – термочувствительный резистивный элемент. В промышленных исполнениях он может быть выполнен, например, из металлической проволоки или пленки и соединен с внешними выводами внутренними проводниками.

Конструкция готового датчика в зависимости от исполнения может включать:

• один или несколько чувствительных элементов;
• внутренние соединительные провода;
• защитный корпус или арматуру;
• внешние клеммы, выводы, разъем или кабель;
• монтажные и коммутационные элементы.

Конкретная конструкция определяется назначением изделия. Наличие клеммной головки, кабельного вывода, резьбового штуцера, фланца или защитной гильзы не является универсальным признаком всех ТС.

Для корректного измерения чувствительная часть должна находиться в условиях, при которых ее температура соответствует температуре контролируемой среды с допустимой для задачи погрешностью. Поэтому способ установки и глубину погружения выбирают по конструкции датчика и документации производителя.

Основу ТС составляет чувствительный элемент, соединенный с внешней измерительной цепью внутренними проводниками.

Виды термосопротивлений

Промышленные термопреобразователи сопротивления различают прежде всего по материалу чувствительного элемента и его номинальной статической характеристике. В нормативной документации для металлических ТС рассматриваются платиновые, медные и никелевые чувствительные элементы.

Платиновые термопреобразователи сопротивления

Платина используется благодаря стабильной и воспроизводимой зависимости сопротивления от температуры. Для платиновых ТС существуют стандартизованные НСХ, например характеристики семейства Pt. Конкретное обозначение, номинальное сопротивление, класс допуска и рабочий диапазон определяют по документации изделия.

Медные термопреобразователи сопротивления

В медных ТС температура также определяется по изменению сопротивления чувствительного элемента. Для них применяются собственные НСХ и классы допуска. Допустимый диапазон конкретного датчика зависит не только от материала, но и от конструкции и нормированных производителем характеристик.

Никелевые термопреобразователи сопротивления

Никелевые чувствительные элементы имеют свою зависимость сопротивления от температуры и отдельные нормированные характеристики. Их нельзя считать взаимозаменяемыми с платиновыми или медными только по номинальному сопротивлению.

ТС различаются материалом чувствительного элемента и соответствующей зависимостью сопротивления от температуры.

Указывать один универсальный рабочий диапазон для всех платиновых, медных или никелевых датчиков некорректно. Нормативные характеристики чувствительного элемента и фактический рабочий диапазон готового изделия – не одно и то же: ограничения конкретного ТС зависят от его конструкции и устанавливаются изготовителем.

Терморезистор, термистор и термопреобразователь сопротивления – это одно и то же?

Нет. Эти устройства объединяет зависимость электрического сопротивления от температуры, но их назначение и характеристики различаются.

Термопреобразователь сопротивления в промышленном измерительном контексте – средство измерения температуры с металлическим чувствительным элементом, для которого известна нормированная зависимость сопротивления от температуры.

Терморезистор – более широкое обозначение резистивного элемента, сопротивление которого зависит от температуры. Термисторами обычно называют полупроводниковые терморезисторы. У NTC-термисторов сопротивление уменьшается при нагреве, у PTC – увеличивается.

Поэтому запросы о «сопротивлении термистора от температуры» нельзя полностью раскрывать через характеристики промышленных металлических ТС: это смежные, но не тождественные устройства.

Чем термосопротивление отличается от термопары

Термопреобразователь сопротивления и термопара преобразуют температуру в разные электрические величины. У ТС измерительный прибор определяет сопротивление чувствительного элемента, а у термопары – термо-ЭДС термопарной цепи.

ТС преобразует изменение температуры в изменение сопротивления, а термопара формирует термо-ЭДС.

Нельзя универсально утверждать, что один принцип измерения лучше другого. Для конкретной задачи сравнивают диапазон измерения, допустимую погрешность, динамические характеристики, условия монтажа и совместимость с измерительным оборудованием.

Термопара или термосопротивление: что выбрать

Выбор делают по требованиям конкретного измерительного канала, а не только по названию датчика. Сначала определяют условия процесса, затем сопоставляют их с характеристиками доступных исполнений.

Обычно учитывают:

• требуемый диапазон измерения;
• допустимую погрешность;
• требуемое время реакции;
• условия и способ установки;
• длину и особенности соединительной линии;
• тип входа измерительного прибора или контроллера;
• требования к надежности и обслуживанию.

Окончательный выбор делают по характеристикам конкретных изделий. Принадлежность датчика к термопаре или ТС сама по себе не определяет его допустимый диапазон, точность или пригодность для конкретной среды.

Подключение термопреобразователя сопротивления

ТС подключают к измерительному входу, который поддерживает соответствующую НСХ и схему соединения. Для промышленных датчиков применяются 2-, 3- и 4-проводные схемы.

В двухпроводной схеме сопротивление соединительных проводов непосредственно влияет на измеряемое сопротивление, если прибор не предусматривает иной способ его учета. В трехпроводной схеме влияние линии может компенсироваться измерительным прибором при выполнении условий его схемы, в том числе требований к сопротивлению проводников. Четырехпроводное подключение позволяет измерительной системе раздельно использовать токовые и потенциальные проводники и тем самым существенно уменьшить влияние сопротивления линии.

Выбирать схему только по длине кабеля нельзя: она должна поддерживаться и датчиком, и измерительным входом. Подробные схемы, назначение проводников и порядок подключения относятся к отдельному материалу «Подключение датчика температуры».

Где применяются термопреобразователи сопротивления

ТС применяют в системах измерения, регулирования и автоматического управления, когда температуру необходимо передать в измерительный прибор или систему автоматизации.

Они используются, например, для контроля температуры:

• технологического оборудования;
• жидкостей и газов;
• трубопроводов;
• систем отопления и вентиляции;
• теплообменного оборудования;
• производственных установок;
• инженерных систем.

Конкретное исполнение выбирают с учетом измеряемой среды, требуемого диапазона, допустимой погрешности, конструкции и способа монтажа. Рабочие ограничения берут из документации производителя, поскольку одинаковый материал чувствительного элемента не означает одинаковые характеристики готовых датчиков.

Часто задаваемые вопросы