Charakterystyki, tolerancje i błędy czujników temperatury

• Zależność błędu pomiaru temperatury od
• typu rezystora
• drutowy
• cienkowarstwowy
• klasy tolerancji
• zakresu temperatury
• histerezy rezystora
  
• efektu starzenia
• przetwornika pomiarowego 
  

Wynik pomiaru temperatury dokonywanej elektronicznym termometrem z zewnętrznym czujnikiem temperatury, o obudowie wykonanej z rurki ze stali nierdzewnej, jest zależny od zamontowanego w jego wnętrzu platynowego rezystora termometrycznego, którego rezystancja zależy od temperatury. Właściwości i charakterystyki rezystorów platynowych zostały szczegółowo przedstawione w normie PN-EN 60751: Czujniki platynowe przemysłowych termometrów rezystancyjnych i platynowe czujniki temperatury.

Norma PN-EN 60751 podaje analityczną i stabelaryzowaną postać zależności pomiędzy temperaturą, a wynikającą z niej rezystancją dla czujników Pt100, bazując na równaniach Callendar-van Dusena. Równania są określone dla dwu zakresów temperatur i w zakresie −200°C do 0°C ma postać:

a w zakresie 0°C do 850°C:

gdzie współczynniki wynoszą odpowiednio:

• R0 = 100,000 Ω
• A  = 3,908 x 10^-3
• B  = -5,775 x 10^-7
• C  = -4,183 x 10^-12

Do przeliczeń rezystancji na temperaturę i odwrotnie można wykorzystać dostępny na stronie: Kalkulator rezystancji termometrów platynowych.

Przykładowe stabelaryzowane wartości rezystancji w funkcji temperatury dla rezystora Pt100 podaje tabela obok. W praktyce często stosowane są rezystory Pt1000, których wartość rezystancji jest 10 razy większa w stosunku do wartości zamieszczonych w normie.

Dokładność pomiaru temperatury zależy zasadniczo od konstrukcji mechanicznej i precyzji wykonania rezystora termometrycznego.

Rozróżnia się dwie główne konstrukcje rezystorów termometrycznych:

1. drutowy - wykonany z cienkiego drutu platynowego nawiniętego na  karkas i zabezpieczony osłoną, wykonanych z ceramiki lub szkła kwarcowego,
2. cienkowarstwowy - wykonany w postaci cienkiej warstwy platyny napylonej na płytkę ceramiczną.
   

Rezystory drutowe zapewniają większą dokładność pomiaru kosztem znacznych rozmiarów, delikatnej konstrukcji mechanicznej, wyższej ceny i są najczęściej stosowane w precyzyjnych pomiarach laboratoryjnych.

Rezystory cienkowarstwowe charakteryzują się małymi rozmiarami, trwałą konstrukcją, niską ceną, mniejszą dokładnością i są najczęściej stosowane w pomiarach temperatury w warunkach przemysłowych.

Norma PN-EN 60751, oprócz zależności pomiędzy temperaturą a wynikającą z niej rezystancją, podaje także tolerancje pomiaru temperatury w zależności od konstrukcji mechanicznej i precyzji wykonania rezystora termometrycznego, tak zwanej klasy tolerancji. Tolerancja mówi, jak dokładnie charakterystyka rezystora odtwarza teoretyczną charakterystykę podaną w normie PN-EN 60751. Rozróżniane są podstawowe klasy tolerancji rezystorów podane w Tabeli 1, przy czy, im mniejsza tolerancja, tym cena rezystora jest odpowiednio większa.
Na wykresie obok przedstawiono graniczny błąd pomiaru temperatury wynikający z klasy zastosowanego rezystora w funkcji mierzonej temperatury.Należy zwrócić uwagę, że klasa rezystora nie jest jedynym źródłem błędu pomiaru temperatury. Na dokładność pomiaru temperatury wpływają także inne znaczące przyczyny, z których każda wnosi swój dodatkowy, zwykle nieznany błąd:

• Histereza rezystorów termometrycznych, wynikająca np. z naprężeń mechanicznych oddziałujących na rezystor (czyli efekt tensometryczny w połączeniu z konstrukcją mechaniczną obudowy czujnika oraz sposobem mocowania i uszczelnienia  rezystora w obudowie czujnika).
• Efekt starzenia rezystorów, tym większy, im w wyższych temperaturach używany jest czujnik.
• Właściwości przyrządu pomiarowego (stabilność, dokładność i rozdzielczość pomiaru) zastosowanego do pomiaru rezystancji czujnika i jego precyzja przeliczenia zmierzonej rezystancji na cyfrowy wynik pomiaru temperatury.
• Błędy wynikające z gradientu temperatury w obszarze, w którym dokonywany jest pomiar, czyli niejednorodność temperatury w przestrzeni kontrolowanej.

Aby zminimalizować błędy pomiaru temperatury należy czujnik temperatury wraz z przetwornikiem poddawać okresowo wzorcowaniu w Laboratorium Akredytowanym. Laboratorium, w miarę możliwości technicznych, może dokonać adiustacji termometru w uzgodnionych temperaturach pomiarowych (czyli wyregulować przetwornik do współpracy z danym czujnikiem). Dzięki temu, błędy pomiaru mogą być pod ścisłą kontrolą zapewniając odpowiednią jakość pomiarów na stanowisku pracy.