Слайд 19. Термометры сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления (ТС), или терморезисторов основан на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Качество ТС характеризуется его чувствительностью к изменению температуры и определяется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) _Т, представляющим собой относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один градус:

,

где R₀ – начальное сопротивление ТС (обычно при 0 ⁰С); R_θ – сопротивление при температуре θ.

Металлы имеют положительный ТКС, а полупроводники, как правило, отрицательный. Это означает, что у металлов при увеличении температуры сопротивление увеличивается, а у полупроводников – уменьшается. При этом по модулю ТКС полупроводников на порядок выше, чем у металлов.

Металлические ТС выполняются преимущественно из меди или из платины. Медь – один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медный ТС (ТСМ) имеет линейную зависимость сопротивления от температуры:

,

где R₀ – сопротивление термометра (Ом) при температуре θ₀ = 0 C; R_θ - сопротивление термометра (Ом) при температуре θ ⁰С нагрева ТСМ; ά_Т - ТКС меди, (C)^-1. Диапазон рабочих температур – от минус 200 до плюс 200 ⁰С, так как при температурах более 200 C медь активно окис­ляется и поэтому не используется. Платина является наилучшим материалом для ТС. Недостатком платиновых ТС (ТСП) является нелинейность функции R_θ = f(θ), которая для области положительных температур может быть записана в виде

,

где _Т и _Т – ТКС платины. Эти ТС широко применяются для измерения температуры в интервале от минус 260 до плюс 1100 °С.

Существуют различные типы медных и платиновых ТС, отличающиеся градуировкой (значением сопротивления при 0 ⁰С). При этом приняты такие обозначения для платиновых: 1П, 10П, 50П, 100П, 500П; для медных: 10М, 50М, 100М. Число перед буквой обозначает сопротивление ТС при 0 ºС (Ом), а буква - материал, из которого изготовлен ТС (П – платина, М – медь). Устройство промышленного термометра сопротивления: в корпусе 1 расположена тонкая проволока 2 из платины или меди, которая наматы­вается на каркас 3 из керамики, стек­ла или пластмассы. Проволока (ЧЭ термометра) припаивается к выводным проводам, которые через изоляционные трубки 4 подводятся к разъему 5 в соединительной головке 6. ТС устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 7.

Чувствительный элемент медного термометра сопротивления ТСМ представляет собой медную эмалированную проволоку диаметром 0,1 мм, намотанную на пластмассовый каркас и покрытую сверху слоем лака. К концу медной проволоки припаяны медные выводы диаметром 1,0—1,5 мм. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления ТСП выполнен из платиновой проволоки диаметром 0,07 мм, бифилярно намотанной на каркас 2. К концу платиновой проволоки припаяны серебряные выводы диаметром 1 мм.

К преимуществам проводниковых термометров сопротивления относятся: возможность градуировки термометра в значительном диапазоне на любой температурный интервал; высокая степень точности измерения температуры; возможность расположения вторичного измерительного прибора на значительном расстоянии от места измерения температуры; централизация контроля температуры путем присоединения нескольких термометров к одному измерительному прибору. К недостаткам термометров сопротивления следует отнести необходимость постороннего источника питания, ограничение по его применению во взрывоопасной среде, значительную длину чувствительного элемента, не позволяющую измерить температуру в заданной точке, и разрушаемость при вибрациях (платиновых термометров).

Полупроводниковые ТС называются термисторами. Сопротивление термисторов при нагреве изменяется по закону

.

Достоинства термисторов – высокая чувствительность, малые габариты.

Характерной особенностью термисторов является резкое уменьшение электрического сопротивления при повышении температуры. Для изготовления термисторов используют смеси двуокиси титана и окиси магния, окиси никеля в соединении с окислами марганца, смеси окислов марганца, никеля и кобальта, окиси железа в соединении с такими веществами, как MgAl₂0₄, MgCr₂0₄ и др. Различным сочетанием компонентов и их пропорций можно изменять электропроводность и температурный коэффициент сопротивления.

Конструктивно термисторы представляют собой миниатюрные конструкции дисковой, шариковой и других форм с металлическими выводами. Диаметр стержня термистора составляет от 20 мкм до 5—10 мм, длина 1—50 мм. Диаметр диска от 1 мм до нескольких сантиметров, толщина 0,02—1 мм. Для защиты от влаги их покрывают слоем лака или стекла.

Высокий температурный коэффициент ТС обусловливает высокую чувствительность. Термисторы имеют малую тепловую инерцию, а также малые габариты, что позволяет измерять температуру в труднодоступных местах. Кроме того, их высокое омическое сопротивление (30 - 40 кОм) позволяет пренебрегать сопротивлением подводящих проводников и переходными контактными сопротивлениями. К недостаткам полупроводниковых ТС следует отнести нестабильность их характеристики во времени . Поэтому они в основном применяются не для измерения температуры, а для её контроля и сигнализации.