TERMOMETRY Zależnie od wymagań stosowane są różne rodzaje

TERMOMETRY
Literatura:
Jerzy Kostro – Elementy, urządzenia i układy automatyki.
Zależnie od wymagań stosowane są różne rodzaje termometrów, wykorzystujące różne
zjawiska fizyczne. Można wyróżnić następujące rodzaje termometrów:
1. Rozszerzalnościowe, w których wykorzystuje się zjawisko rozszerzalności cieczy lub ciał
stałych.
2. Ciśnieniowe, wykorzystujące zależność ciśnienia cieczy lub gazu od temperatury, przy stałej
ich objętości.
3. Rezystancyjne, w których wykorzystywana jest zależność rezystancji metali oraz
półprzewodników od temperatury.
4. Termoelektryczne, w których wykorzystywane jest termoelektryczne zjawisko Seebecka.
5. Pirometryczne, w których wykorzystywana jest zależność spektralnego rozkładu
promieniowania emitowanego, od temperatury ciała emitującego.
Oprócz wymienionych wyżej są jeszcze inne rodzaje termometrów, jednak są one rzadziej
wykorzystywane, bądź są to nowe pomysły jeszcze w fazie badań.
Zakresy pomiarowe różnych rodzajów termometrów przedstawiono w poniższej tabeli:
Rodzaj termometru
Zakres pomiarowy (°C)
Rozszerzalnościowy
-190 ÷ 600
Manometryczny
-160 ÷ 600
Rezystancyjny
-200 ÷ 500
Termoelektryczny
-50 ÷ 1700
Pirometr
400 ÷ 3500
1. Termometry rezystancyjne.
W termometrach rezystancyjnych wykorzystuje się zależność rezystancji niektórych metali
oraz niektórych półprzewodników od temperatury. Zależność taką wykazują prawie wszystkie znane
materiały, jednak nieliczne nadają się do wykorzystania w czujnikach temperatury. Materiał z którego
ma być wykonany rezystancyjny czujnik temperatury powinien charakteryzować się stałością
charakterystyki rezystancji w funkcji temperatury, dużym współczynnikiem temperaturowym
rezystancji (TWR), odpornością na wpływ czynników zewnętrznych. Technologia wytwarzania tego
materiału powinna umożliwiać uzyskiwanie czujników o powtarzalnych parametrach.
W praktyce pomiarowej największe zastosowanie znalazły rezystory metaliczne (drutowe lub
cienkowarstwowe – napylane), platynowe, niklowe i miedziane, oraz półprzewodnikowe, wykonane z
tlenków żelaza, manganu, litu tytanu i rutenu (tzw. termistory).
Wartość TWR różnych termometrów rezystancyjnych podano w poniższej tabeli (trzy
pierwsze pozycje). Zależność rezystancji od temperatury trzech najważniejszych czujników z punktu
widzenia termometrii pokazano na rys. 8.9.
TWR (temperaturowy
Zakres pomiarowy
Rodzaj termorezystora
współczynnik rezystancji
°C
%/°C
Platynowy
-200 ÷ 800
0,391
Miedziany
-50 ÷ 180
0,425
Niklowy
-50 ÷ 120
0,617
Termistor typu ZE1
-60 ÷ 150
4,3
Termistor typu ZE3
-30 ÷ 250
4,3
Termorezystory platynowe w pewnym zakresie temperatury mogą służyć za czujniki
wzorcowe i umożliwiają wykonanie najdokładniejszych pomiarów. Termometry niklowe i miedziane
są mniej dokładne. Nikiel ma charakterystykę wyraźnie nieliniową, a miedź nie daje tak dobrej
powtarzalności jak platyna.
Na rys. 8.10 przedstawiono rozwiązanie typowego termometru rezystancyjnego. Na płytce
izolacyjnej jest nawinięty lub napylony tworzący rezystor przewód (o średnicy 0,04 ÷ 0,06 mm) o
rezystancji kilkudziesięciu do kilkuset Ω. Do końców przewodów przyspawane są wyprowadzenia.
Płytka z rezystorem jest izolowana z zewnątrz przekładkami mikowymi i owinięta taśmą metalową.
Tak otrzymany zespół umieszczony jest w osłonie aluminiowej, a następnie w osłonie ze stali
nierdzewnej. Są również konstrukcje, w których termorezystor umieszczany jest w osłonie
porcelanowej, szklanej, zalewany żywicą itd. Także forma zewnętrzna czujników może być
różnorodna. Mogą one być okrągłe, płaskie, proste, zagięte, o różnych średnicach i długościach.
2. Termometry półprzewodnikowe – termistory.
Mają one duży, prawie dziesięciokrotnie większy niż termorezystory metaliczne TWR, co
widać w powyższej tabeli (ostatnie dwie pozycje). Dla porównania na rys. 8.11 przedstawiono
charakterystyki termistora i termorezystora platynowego. Jak widać współczynnik TWR jest dla
termistora ujemny (rezystancja termistora maleje ze wzrostem temperatury) i zależny od temperatury
(charakterystyka jest nieliniowa). Podstawową zaletą termistorów jest duża czułość. Główne wady to
silnie nieliniowa charakterystyka i rozrzut parametrów. Rozrzut parametrów utrudnia wymianę
termistorów w układach pomiarowych, nawet jeżeli dysponujemy elementami z tej samej serii
produkcyjnej. Charakterystyki termistorów mogą być w niewielkim zakresie korygowane przez
dołączenie korekcyjnych rezystorów manganinowych. Termistory są wykonywane w postaci (rys.
8.12) prętów, płytek lub drobnych zatapianych w szkle perełek. Te ostatnie, zwane miniaturowymi,
charakteryzują się bardzo małą bezwładnością cieplną.
Pomiar temperatury z użyciem czujników termorezystancyjnych sprowadza się do pomiaru
rezystancji, jedną ze stosowanych w miernictwie elektrycznym metod. Najprostsza jest metoda
dwuprzewodowa (rys. 2.1).
I
RL
URL
I
V
+
UCZ
–
UV
URL
czujnik
temperatury
R
Rys. 2.1. Dwuprzewodowy pomiar rezystancji; RL – rezystancja przewodów.L
Końcowe napięcie zmierzone jest sumą napięcia czujnika temperatury i napięć na
przewodach: UV=2URL+UCZ. Rezystancja przewodów może być znaczna, a co za tym idzie znaczące są
również spadki napięć na przewodach. Ponadto przewody też mają swój własny temperaturowy
współczynnik rezystancji. Powoduje to zmianę spadków napięcia na nich przy zmianach temperatury.
Dlatego, aby wyeliminować wpływ rezystancji doprowadzeń stosuje się układy czteroprzewodowe
(rys. 2.2). W tym przypadku stosuje się oddzielne przewody prądowe i napięciowe. Przewody
prądowe służą do zasilania czujnika, natomiast do przewodów napięciowych dołączony jest
woltomierz. Ponieważ prąd pobierany przez woltomierz jest znikomo mały, na przewodach
napięciowych nie ma spadków napięć. Woltomierz mierzy więc napięcie występujące bezpośrednio na
czujniku.
I
R
IL/2
IV ≈ 0
I
V
UV
RVL
URV=0
+
U
URV=0 CZ
–
RVL
RIL/2
czujnik
temperatury
Rys. 2.2. Układ do czteroprzewodowego pomiaru rezystancji; RIL – rezystancja przewodów
prądowych, RVL – rezystancja przewodów napięciowych.
Często do pomiarów stosowane są mostki rezystancyjne. Schemat takiego mostka z
kompensacją wpływu zmian rezystancji przewodów łączących przedstawiono na rys 8.13. zmiany
temperatury doprowadzeń powodują zmiany rezystancji w sąsiednich gałęziach mostka, a więc nie
maja wpływu na jego równowagę.
3. Termometry termoelektryczne – termopary.
Zjawisko termoelektryczne Seebecka, polegające na powstawaniu zależnej od temperatury siły
elektromotorycznej na styku dwóch różnych metali, jest wykorzystywane do pomiaru temperatury.
Nie nadają się one do użycia w układach, gdzie wymagana jest duża dokładność, ponieważ efekty
termoelektryczne występują na całej długości przewodu i w każdym połączeniu. Przestrzenna różnica
w budowie przewodu albo jego naprężenia są przyczyną błędów pomiaru temperatury. Dlatego muszą
być one kalibrowane w miejscu, w którym mają być używane, ponieważ cała długość przewodu ma
wpływ na napięcie wyjściowe. Mimo starań o dokładność pomiarów łatwo o duże błędy. Jednakże,
kiedy wymagana jest mała wielkość i masa czujnika, w połączeniu z potrzebą pomiaru tylko różnicy
temperatury, termopara jest często używana. Stosowanie termopary jest korzystne tam, gdzie
wymagana jest bardzo niską pojemność cieplna oraz szeroki zakres mierzonej temperatury. Termopary
takie jak Au-Fe mogą być użyte w szerokim zakresie temperatur od 1 K do 300 K, gdzie czułość
pozostaje bliska 1,0. Aby zwiększyć czułość można zastosować zespół termoelementów składający się
z dużej ilości (np. 100) termopar połączonych szeregowo.
4. Termometry diodowe.
Napięcie złącza p-n diody półprzewodnikowej w kierunku przewodzenia, przy stałej wartości
prądu przewodzenia, wzrasta ze zmniejszaniem się temperatury. Zakres zmian napięcia przy zmianie
temperatury zależy od zastosowanego materiału.
Najczęściej stosowane są termometry krzemowe, ponieważ są one najbardziej stabilne i
odtwarzalne. Odtwarzalność jest ważną cechą diod krzemowych. Niewiele czujników kriogenicznych
ma taką zaletę. Diody krzemowe mogą być używane od 1,4 K do 500 K. Od 25 K do 500 K dioda
krzemowa ma prawie stałą czułość (2,3 mV/K). Poniżej 25 K obserwowany jest wzrost czułości, ale
jest ona nieliniowa.
Krzemowe czujniki temperatury typowo są wzbudzane prądem stałym (10 µA). Sygnał
wyjściowy jest dość duży: 0,5 V w temperaturze pokojowej i 1 V w 77 K. Można to porównać do
czujników platynowych, gdzie 100 Ω czujnik wzbudzony prądem o wartości 1 mA ma sygnał
wyjściowy tylko 100 mV w 273 K. Z powodu dużego sygnału wyjściowego, dioda może zostać użyta
w dwuprzewodowych pomiarach z małym błędem rezystancji wyprowadzeń. Wadą tych czujników są
natomiast błędy temperatury wywołane szumami, na które bardziej odporne są rezystory.
5. Czujniki kwarcowe.
Termometry kwarcowe działają na zasadzie małej, ale wysoce odtwarzalnej zmiany
częstotliwości drgań swobodnych z temperaturą odpowiednio przygotowanych piezoelektrycznych
kryształów kwarcu. Czułość temperatury (wielkość zmiany częstotliwości drgań na kelwin) znacząco
spada ze spadkiem temperatury. Typowe wyniki np. dla rezonatora kwarcowego o drganiach 5 MHz to
zmiany od 10 do 20 Hz/K w zakresie od 1,5 K do 10 K. Aby zwiększyć czułość korzystna jest wyższa
częstotliwość pracy. Ostatecznie można otrzymać zmiany ok. 80 Hz/K w 4,2 K, rosnące do ok.
1 kHz/K w 25 K. Użyteczności pomiarom za pomocą czujników kwarcowych dodaje możliwość
dołączenia obwodu do transmisji radiowej, w celu umożliwienia pomiaru bezprzewodowego.
Standardowy kwarcowy termometr ma duże rozmiary i ulega histerezie, dlatego wytwarza się
rezonator kwarcowy metodą fotolitografii i wytrawiania anizotropowego. Uzyskuje się w ten sposób
termometr o małych rozmiarach i dokładności większej niż 0,5 K w całym zakresie od 4,2 K do
500 K.