Table Of ContentМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Пермский национальный исследовательский
политехнический университет»
М.А. Машков, С.И. Сташков, М.С. Орехов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ
И МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
FISHER-ROSEMOUNT 3144
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Издательство
Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2017
1
УДК 681.5.08:536.531(072.8)
М38
Рецензент
ген. директор ООО «АДС Групп» Д.В. Никулин
Машков, М.А.
М38 Исследование принципа действия и метрологических ха-
рактеристик измерительного преобразователя Fisher-Rosemount
3144 : учеб.-метод. пособие / М.А. Машков, С.И. Сташков,
М.С. Орехов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2017. – 52 с.
ISBN 978-5-398-01799-1
Рассмотрены назначение, технические характеристики, кон-
струкция измерительного преобразователя Fisher-Rosemount 3144.
Приведена методика метрологической поверки. Описаны содер-
жание и порядок проведения лабораторной работы.
Предназначено для студентов химико-технологических
специальностей вузов очной и заочной форм обучения.
УДК 681.5.08:536.531(072.8)
ISBN 978-5-398-01799-1 ПНИПУ, 2017
2
ЦЕЛИ РАБОТЫ
1. Изучение конструкции и принципа действия термопреобра-
зователя сопротивления, методов измерения электрического сопро-
тивления.
2. Изучение конструкции и принципа действия измерительного
преобразователя температуры Fisher-Rosemount 3144.
3. Исследование схем подключения термометров сопротивле-
ния к вторичным измерительным приборам/преобразователям;
4. Исследование влияния изменения электрического сопротив-
ления соеденительных проводов на метрологические характеристи-
ки термометров сопротивления;
5. Исследование метрологических характеристик измеритель-
ного преобразователя Fisher-Rosemount 3144.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Термометром сопротивления называется комплект для измере-
ния температуры, включающий:
первичный измерительный преобразователь (термопреобра-
зователь), воспринимающий и преобразующий изменение темпера-
туры в изменение электрического сопротивления;
вторичный прибор, измеряющий электрическое сопротивле-
ние и отградуированный в единицах измерения температуры.
Первичный измерительный преобразователь термометров со-
противления называют термопреобразователем сопротивления (ТС).
3
1. ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
1.1. Общие сведения. Устройство и принцип действия
Термопреобразователь сопротивления (ТС) – средство измере-
ний температуры, состоящее из одного или нескольких термочувст-
вительных элементов сопротивления и внутренних соединительных
проводов, помещенных в герметичный защитный корпус, внешних
клемм или выводов, предназначенных для подключения к измери-
тельному прибору.
Принцип действия ТС основан на свойстве проводников и полу-
проводников изменять электрическое сопротивление при изменении
своей температуры. Таким образом, электрическое сопротивление
проводника или полупроводника представляет некоторую функцию
его температуры: R = f (T). Вид этой функции зависит от природы
материала, из которого изготовлен ТС.
Внешний вид и устройство ТС представлены на рис. 1. Термо-
преобразователь сопротивления состоит из металлического защит-
ного корпуса 6, в котором расположен чувствительный элемент (ЧЭ)
8 с подключенными к нему проводниками 11. Проводники чувстви-
тельного элемента 8 выведены внутри корпуса на клеммы 2 внутри
головки 3, закрытой крышкой 1. По линии связи 5, соединенной
с клеммами 2, сигнал от чувствительного элемента 8 передается
к вторичным средствам измерения. Выводы чувствительного эле-
мента 11 изолируются от защитного корпуса 6 керамическими буса-
ми 10 или свободное пространство заполняется мелкодисперсным
гигроскопичным порошком из оксида алюминия или магния.
Для монтажа ТС на технологическом оборудовании используют
специализированные монтажные конструкции (изделия). Для закре-
пления на оборудовании применяют патрубок с внутренней резьбой,
обваренной по контуру, называемый бобышка. В бобышку для за-
щиты ТС от агрессивной среды вворачивается защитная гильза 7,
представляющая собой в самом распространенном варианте изго-
товления металлический цилиндр, заваренный с одной стороны
4
и нарезанной резьбой на другом конце. В защитную гильзу монти-
руется ТС и закрепляется гайкой 4. Также защитная гильза позволя-
ет производить замену термометра, например, в случае его поломки
без останова технологического процесса. В этом случае ТС демон-
тируется и заменяется, а защитная гильза, оставаясь в стенке аппа-
рата или трубопровода, препятствует их разгерметизации.
Рис. 1. Термопреобразователь сопротивления:
а – внешний вид ТС; б – устройство ТС
Свободное пространство 9 между защитным корпусом термо-
метра 6 и защитной гильзой 7 заполняется теплопроводящей жидко-
стью (маслом) или термопастой.
1.2. Материалы для изготовления
термометров сопротивления
Для изготовления чувствительных элементов серийных термо-
метров сопротивления применяют чистые металлы, к которым
предъявляют следующие основные требования:
5
1. Металл не должен окисляться и вступать в химическое взаи-
модействие с измеряемой средой.
2. Металл должен обладать высокой воспроизводимостью значе-
ний электрического сопротивления в интервале рабочих температур.
3. Температурный коэффициент электрического сопротивления
1 dR
металла должен быть достаточно большим и неизмен-
R d
ным. Этот коэффициент принято определять соотношением
(R R )
100 0 , где R и R – сопротивления образца данного
0...100 R 1000C 0 100
0
материала при температуре соответственно 0 и 100 °С и округлен-
ные до пятого знака после запятой [1]. Для большинства чистых ме-
таллов 41031/°С.
4. Сопротивление ЧЭ должно изменяться с изменением темпе-
ратуры по прямой или плавной кривой без резких отклонений и яв-
лений гистерезиса.
5. Удельное электрическое сопротивление металла должно быть
достаточно большим: чем больше удельное сопротивление, тем
меньше потребуется металла для получения требуемого первона-
чального сопротивления термометра.
Указанным требованиям в определенных температурных преде-
лах наиболее полно отвечают платина, медь, никель. Рассмотрим
свойства данных металлов. В табл. 1 приведены типы ТС и их обо-
значения, температурные коэффициенты, зависимости сопротивле-
ния ТС от температуры и рабочий диапазон температур различных
термометров сопротивлений.
Платина. Из приведенных в табл. 1 уравнений видно, что ха-
рактеристики платиновых термометров сопротивления нелинейные,
однако отклонения от линейных характеристик невелики и их мож-
но считать близкими к линейным. Платиновые ТС (ТСП) отличают-
ся высокой точностью и стабильностью характеристик, самым ши-
роким диапазоном температур. Благодаря высокому удельному со-
противлению для изготовления ЧЭ требуется небольшое количество
платины. Возможно изготовление ЧЭ методом напыления платины
на подложку (пленочные ЧЭ).
6
Таблица 1
Свойства ТС наиболее распространенных типов
Тип ТС/ Температурный коэффициент Рекомендуемый
Обозначение и формулы для расчета номинальной рабочий диапазон
типа статической характеристики температур
Обозначение типа ТС – Pt
α = 0,00385 °С–1:
Для диапазона измерений от –200 °C до 0 °C:
R = R [1 + At + Bt2 + С(t – 100 °C) t3].
t 0
Для диапазона измерений от 0 °C до 850 °C:
R = R (1 + At + Bt2),
t 0
где R – сопротивление ТС, Ом, при температуре t, °С;
t
R – номинальное сопротивление ТС, Ом, при темпе-
0
ратуре 0 °С. Значения постоянных следующие:
A = 3,9083 · 10–3 °C–1;
Платина/
B = –5,775 · 10–7 °C–2; –196 до 600 °C
П или Pt
C = –4,183 · 10–12 °C–4.
Обозначение типа ТС – П
α = 0,00391 °С–1:
Для диапазона измерений от минус 200 °C до 0 °C:
R = R [1 + At + Bt2 + С(t – 100 °C) t3].
t 0
Для диапазона измерений от 0 до 850 °C:
R = R (1 + At + Bt2).
t 0
A = 3,9690 · 10–3 °C–1;
B = –5,841 · 10–7 °C–2;
C = –4,330 · 10–12 °C–4.
α = 0,00617 °С–1:
Для диапазона измерений от минус 60 до плюс 100 °C:
R = R (1 + At + Bt2),
t 0
Для диапазона измерений от 100 до 180 °C:
Никель/Н –60 до 180 °C
R = R [1 + At + Bt2 + С(t – 100 °C) t2],
t 0
A = 5,4963 · 10–3 °C–1;
B = 6,7556 · 10–6 °C–2;
C = 9,2004 · 10–9 °C–3.
α = 0,00428 °С–1:
Для диапазона измерений от минус 180 до 0 °C:
R = R [1 + At + Bt(t + 6,7 °С) + Сt3].
t 0
Для диапазона от 0 до 200 °C:
Медь/М –50 до 150 °C
R = R [1 + At],
t 0
A = 4,28 · 10–3 °C–1;
B = –6,2032 · 10–7 °C–2;
C = 8,5154 · 10–10 °C–3.
7
Медь. К преимуществам медных ТС (ТСМ) следует отнести
низкую стоимость, легкость получения меди в чистом виде, сравни-
тельно высокий температурный коэффициент электрического со-
противления и практически линейную зависимость сопротивления
от температуры. Однако медь имеет низкое удельное сопротивление,
что обусловливает необходимость использования значительного ко-
личества медной проволоки, из которой изготавливаются ЧЭ. Также
медь легко окисляется при температуре выше 100°С, что ограничи-
вает ее применение в диапазоне температур не выше 200°С.
Никель. Этот металл имеет наиболее высокий температурный
коэффициент; наибольший выходной сигнал сопротивления. Одна-
ко если превышена точка Кюри (352 °C), может возникать непред-
сказуемый гистерезис статической характеристики. ЧЭ, изготов-
ленные из никеля, обладают невысокой точностью и небольшим
диапазоном измерений, что ограничивает их широкое применение
на практике.
На рис. 2 показана зависимость отношения (R/R ) от температу-
t 0
ры. Обычно выпускают платиновые термометры сопротивления
(ТСП) для температур от –260 до +750 °С и медные термометры со-
противления (ТСМ) для температур от –50 до +180 °С.
Рис. 2. Зависимость отношения R /R
t 0
для некоторых металлов от температуры
Номинальная статическая характеристика ТС (НСХ) – зависи-
мость сопротивления ТС или ЧЭ от температуры, рассчитанная по
8
формулам, приведенным в табл. 1 для ТС или ЧЭ с конкретным зна-
чением R . Как правило, НСХ для ТС представляется в виде таблиц.
0
Условное обозначение НСХ состоит из значения номинального
сопротивления ТС или ЧЭ R и обозначения типа (см. табл. 1). Рус-
0
ское обозначение типа приводят за значением номинального сопро-
тивления, латинское обозначение – перед значением номинального
сопротивления.
Например:
100 П означает НСХ для платинового ТС (или ЧЭ) с α = 0,00391 °С–1
и R = 100 Ом;
0
Pt 100 означает НСХ для платинового ТС (или ЧЭ) с α = 0,00385 °С–1
и R = 100 Ом.
0
Для изготовления термометров сопротивления применяют так-
же полупроводники (окислы некоторых металлов). Вследствие
большого удельного электрического сопротивления полупроводни-
ков из них можно изготовлять термометры малых размеров с боль-
шим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать со-
противление соединительных проводов и других элементов элек-
трической измерительной схемы термометра. Однако вследствие
плохой взаимозаменяемости широкого распространения они на
практике не получили.
1.3. Устройство чувствительных элементов ТС
На рис. 3 показан чувствительный элемент платинового термо-
метра сопротивления отечественного производства. Он состоит из
двух соединенных последовательно платиновых спиралей 1, распо-
ложенных в каналах керамического каркаса 4. К двум верхним кон-
цам этих спиралей припаяны платиновые или иридиевородиевые
(60 % родия) выводы 2, к которым приварены выводные проводни-
ки, изолированные керамическими бусами. Для крепления платино-
вых спиралей и выводов в керамическом каркасе используют гла-
зурь (или термоцемент) 3 на основе окисей алюминия и кремния.
Пространство между платиновыми спиралями и стенками каналов
каркаса заполнено порошком окиси алюминия, который служит изо-
лятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом.
9
Для подгонки сопротивления при 0 °С изменяют длину нижних кон-
цов платиновых спиралей с последующей пайкой 5. Изготовляют
также платиновые термометры, у которых керамический каркас
имеет четыре канала. В четырехканальном каркасе монтируют два
независимых чувствительных элемента.
Рис. 3. Рис. 4. Рис. 5. Рис. 6.
Чувствительный Чувствительный Стержневой Бусинковый
элемент платино- элемент медного полупроводнико- полупроводнико-
вого термометра термометра вый терморезистор вый терморезистор
сопротивления сопротивления
Чувствительный элемент медного термометра сопротивления
(рис. 4) представляет собой бескаркасную безындукционную намот-
ку 1 из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытую фторопла-
стовой пленкой 2. К намотке припаяны два вывода 3. Для обеспече-
ния виброустойчивости чувствительный элемент помещен в тонко-
стенную металлическую гильзу, которая заполнена керамическим
порошком и герметизирована.
На рис. 5 показан стержневой терморезистор, представляющий
собой цилиндр 1 с контактными колпачками 2, к которым припаяны
выводы 3. Цилиндр покрыт эмалевой краской и обмотан металличе-
ской фольгой 4. Снаружи терморезистор защищен металлическим
чехлом 5, у которого в верхней части имеется стеклянный изолятор 6.
10
