Opšte - Princip merenja temperaure otpornim termometrom


Otporni termometri

Za tačnija merenja temperatura ali u užim opsezima i sa nešto skupljim komponentama, primenjuju se merila temperatura sa otpornim termometrima.

Otporni termometri rade na principu zavisnosti električne otpornosti materijala od temperature. Za njihovu izradu upotrebljavaju se čisti metali ili poluprovodnici, čije su funkcije otpornosti od temperature eksperimentalno utvrđene sa relativno visokom tačnošću.

U grupu otpornih termometara na bazi metala spadaju:
Tabela za otporne termometre


  Po svojoj rasprostranjenosti i tačnosti, najširu primenu nalaze platinski otporni termometri, budući da se njihov senzor izrađuje od platine visoke čistoće, tako da je njihova otporno-temperaturna funkcija dosta dobro definisana, a termometri su veoma stabilni i posle dugotrajnih merenja na najvišim temperaturama svog mernog opsega. Primenjuju se u svim vrstama merenja gde su zahtevi u pogledu tačnosti i stabilnosti visoki.

Odnos između temperature i električne otpornosti nije direktno proporcionalan ali se može prikazati u obliku višestrukog polinoma:

R(t)=R_{0}(1+At+Bt^2+Ct^2+...)

R_{0} - predstavlja nominalnu otpornost i determinisana je određenom temperaturom
t^2,t^3... - mogu uključivati zavisnost od tačnosti merenja

Koeficijenti A, B itd., zavise od otpornosti materijala i oblika sveobuhvatne definicije odnosa temperature – otpornost.

Platinski otpornici prema IEC 60751

U industrijskoj mernoj tehnologiji platina kao otporni materijal je našla opštu primenu. Njena prednost uključuje hemijsku stabilnost, relativno laku fabrikaciju (prvenstveno fabrikaciju žica), mogućnost dostizanja oblika najviše čistoće i dobru reprodukciju električnih svojstava. Ove karakteristike su u potpunosti prikazane u međunarodnom stanadardu IEC 60751, tako da se platinski otporni senzori našli najširu primenu. U standardu IEC 60751 prikazana je i promena otpornosti sa temperaturom, (prikazana je u referentnoj tabeli), nominalna vrednost u zavisnosti od referentne temperature i dozvoljene tolerancije. Temperaturni opseg je takođe naveden u standardu, u opsegu od – 200 do 850°C. Serija referntnih vrednsoti je podeljena u dva dela i to: od – 200 do 0°C i od 0 do 850°C.

Omega tabela
Karakteristika Pt 100


  Prvi temperaturni opseg od – 200 do 0°C je pokriven polinomom trećeg stepena:

R(t)=R_{0}(1+At+Bt^2+C[t-100C]t^3)

Za opseg od 0 do 850°C koristi se polinom drugog stepena:

R(t)=R_{0}(1+At+Bt^2)

Korišćeni koeficijenti, u obrascima, imaju sledeće vrednosti:

A= 3,90802 * 10-3 * C^{-1}
B= - 5,802 * 10-7 * C^{-2}
C= - 4,2735 * 10-12 * C^{-3}

Vrednost R0 je određena kao nominalna vrednost ili nominalna otpornost i to je otpornost na 0°C. Saglasno odredbama standarda IEC 60751 nominalna vrednost iznosi 100,00 Ω i zato je uobičajen naziv Pt 100 otpornik.

Umnožavanje ovih vrednosti je takođe dozvoljeno, pa su u primeni i otpornici Pt 500 Ω i Pt 1000 Ω. Njihova prednost je povišena osetljivost, tj veća promena otpronosti sa temperaturom. Standard IEC 60751 tretira i otpornik Pt 10, koji se vrlo retko koristi zbog male (slabe) osetljivosti, ako se primenjuje iznad 600°C.

Promena otpornosti aproksimativno iznosi:

0,4 Ω/°C za Pt 100
2,0 Ω/°C za Pt 500
4,0 Ω/°C za Pt 1000

Dodatni parameter definisan standardom IEC 60751 je srednja (prosečna) vrednost temperaturnog koeficijenta između 0 i 100°C. On predstavlja srednju promenu otpornosti definisanu za nominalnu otpornost pri 0°C i iznosi:

\alpha=\frac{R_{100}-R_{0}}{R_{0}*\Delta t}=3,850*10^{-13}*C^{-1}

R_{100} je otpornost na 100°C; R_{0} otpornost na 0°C; \Delta t razlika temperature.

Povezivanje otpornih termometara

U otpornom termometru električna otpornost varira u zavisnosti od temperature. Da bi se obezbediila promena izlaznog signala u zavisnosti od merene temperature, potrebno je kroz otpornik obezbediti konstantnu struju. Prema OM-ovom zakonu ovaj signal (pad napona na otporniku) se daje u obliku formule:

V= R * I

V – izlazni signal - pad napona na otporniku Pt 100 u funkciji temperature.
R – temperaturno zavisna otpornost Pt 100
I – struja .

Struja treba da bude što manja kako bi se izbeglo grejanje senzora Pt 100. Smatra se da struja od 1 mA ne uzrokuje grejanje koje značajno utiče na tačnost merenja, a ostvaruje pad napona od 0,1 V na otporniku Pt 100 pri 0°C. Ovakav naponski signal mora biti prenet kroz povezujuće (signalne) kablove do indikatora uz minimalno slabljenje signala.

U primeni su četiri tipa veze između otpornika Pt 100 i indikatora temperature i to:

- 2-žično povezivanje
- 3-žično povezivanje
- 4-žično povezivanje

Tipovi povezivanja prikazani su na sledećoj slici:

tabela sa elementima copy
Povezivanje otpornih termometra


2-žično povezivanje

Kod dvožičnog povezivanja, veza između otpornika Pt 100 i indikatora temperature se ostvaruje sa 2-žilnim kablom. Kao i svaki električni provodnik ovaj kabal ima svoju električnu otpornost koja je u rednoj vezi sa otpornošću otpornika Pt 100. Te dve otpornosti se sabiraju što se manifestuje na indikatoru kao uvećana temperatura.

Na dužim rastojanjima podužna otpornost može iznositi nekoliko oma što uzrokuje znatnu promenu - uvećanje indikovane vrednosti.

Primer:

Poprečni presek kabla: 0,5 mm^2
Otpornost: 0,0017 Ω mm^2 po m
Dužina kabla: 100 m
Materijal kabla: bakar

obrazac

Otpor od 6,8 Ω kod Pt 100 odgovara temperaturnoj promeni do 17°C. U cilju da se izbegne ova greška podužna otpornost se električno kompenzuje. Indikator je konstruisan tako da toleriše podužne otpornosti od 10 Ω. Kada je otporni termometar povezan, kalibracioni otpornik se vezuje u merni krug a sensor se trenutno menja otpornikom od 100 Ω. Kalibracioni otpornik se tada podešava sve dok instrument ne pokaže 0°C. Kalibraciona otpornost sabrana sa podužnom otpornošću tada iznosi tačno 10 Ω. Izjednačavajući otpor uvek uzima vrednost otpora namotane žice, tako da se izjednačenje sastoji od otpornosti nenamotane žice. Zbog relativno komplikovane procedure kalibrisanja mernog kruga i činjenice da se kompenzacija temperaturnog efekta ne vrši na mestu merenja temperature, upotreba 2-žičnog tipa veze postaje izuzetno retko primenljivo, pogotovu u slučajevima gde se zahteva povećana tačnost merenja.

3-žično povezivanje

U cilju eliminisanja uticaja podužne otpornosti i njene promene u zavisnosti od temperature primenjuje se 3-žični spoj, umesto gore opisanog 2-žičnog spoja. Sa jednog kraja (izvoda) otpornika Pt 100 se izvode dva provodnika (radni i pomoćni). Na taj način su formirana dva merna kruga, pri čemu se jedan od njih koristi kao referentni. 3-žični spoj omogućava kompenzovanje promene podužne otpornisti u zavisnosti od rastojanja a i u zavisnosti od temperature. Zahtev je da sva tri provodnika imaju identične karakteristike i da su izloženi identičnoj temperaturi. Obzirom da dodatno uravnotežavanje (kalibrisanje) mernog kruga nije potrebno, ovakav način veze je danas najčešće u upotrebi.

4-žično povezivanje

Optimalna forma veze za Pt 100 otpornik je 4-žična veza. Tačnost merenja je nezavisna kako od veličine podužne otpronosti tako i od njene promene u zavisnosti od temperature. Takođe nije potrebno dodatno uravnotežavanje (kalibrisanje) mernog kruga.

Pt 100 otpornik se napaja strujom “posebnim strujnim kolom” kroz napojne priključke (spojeve). Pad napona na otporniku Pt 100 (izlazni signal) se prenosi mernim kolom do indikatora. Obzirom da je ulazna otpornost indikatora višestruko veća od podužne otpronosti mernog kola, greška merenja je zanemariva.

Pad napona na otporniku je nezavistan od karakteristika veznih provodnika (dužina, ambijentna temperatura).

Kod oba, 3- žičnog i 4- žičnog spoja treba zapamtiti da svi provodnici mernog kola nisu uvek direktrno povezani sa senzorom Pt 100, već je veza između priključne glave i senzora obično u 2- žičnom spoju.Ovo uzrokuje iste probleme u tačnosti merenja kao kod 2-žičnog spoja, samo u manjoj meri. Ukupna otpornost je zbir otpornosti unutrašnjih veza i otpronosti senzora i definisana je DIN 16 160 kao otpornost termometra (otpornost kompletnog mernog ure|aja).

Problemi 2-žičnog spoja mogu biti izbegnuti bez korišćenja višežilnih kablova-veza, korišćnjem dvožičnog transmitera. Transmiter pretvara signal senzora u strujni signal opsega od 4 do 20 mA koji je srazmeran temperaturi. Napajanje transmitera se takođe izvodi kroz ista dva spoja koristeći preostalu struju od 4 mA.

Dvožični transmiteri nude dodatne prednosti tako što pojačani signal dosta umanjje efekte spoljašnjih uticaja. Postoje dva načina postavljanja transmitera. S obzirom da rastojanje za nepojačani signal treba da bude što kraće, transmiter može da bude montiran direktno na termometar unutar priključne glave. Ovo optimalno rešenje, ponekad je nemoguće iz konstrukcionih razloga u smislu nemogućnosti da transmiter bude ugrađen u kućište glave. U takvim situacijama transmiter se montira unutar merno komandnog ormara (na šinu). Oba rešenja imaju svoje prednosti, a izbor zavisi od rastojanja koje treba da pređe nepojačani signal. Za merenja u opasnim - eksplozivnim sredinama treba upotrebljavati opremu prema EN 50 014 i EN 50 020, koja je tako konstruisana tako da ne postoji mogućnost pojave električnog luka na primenjenom uređaju. Ako je transmiter montiran u toj opasnoj oblasti mora biti u Ex izvedbi.


U sledećoj tabeli prikazane su vrednosti otpora u zavisnosti od vrednosti temperature za temperaturni interval od -250°C do 850°C:
tabela poslednja