Лекція 7. Вимірювання температури. Термометри опору. Способи вимірювання

електричного опору. Систематичні похибки вимірювання температури контактними методами.

Термометри опору ґрунтуються на властивості металів і напівпровідників змінювати свій електричний опір при нагріванні (охолодженні). Вони застосовуються для вимірювання температури в діапазоні від -260 до 1100 ^оС. Термометр опору складається з чутливого елемента 1 у вигляді обмотки з тонкого дроту або напівпровідникового стержня, з’єднувальних проводів 2, електровимірювального приладу 4 і джерела струму 3 (рис. 3.18).

7.1 Термоперетворювачі опору

Термоперетворювачі опору виготовляють з металів і напівпровідникових матеріалів, які повинні задовольняти ряду вимог, основними з яких є: стабільність градуйовочної характеристики, а також її відтворювальність, що забезпечує взаємозамінність термоперетворювачів опору, лінійність функції , високе значення температурного коефіцієнта електричного опору, великий питомий опір, хімічна інертність і невисока вартість матеріалу.

Більшість металів мають позитивний температурний коефіцієнт електричного опору, який для чистих металів дорівнює 4·10^-3…6·10^-3 К^-1, що визначає збільшення електричного опору при підвищенні температури на один градус приблизно на 0,4…0,6 % від опору при температурі 0 ^оС.

Стандартні металічні термоперетворювачі опору для технічних термометрів виготовляють з платини і міді. Платина є найкращим матеріалом для термоперетворювачів опору, тому що її легко отримати в чистому вигляді, вона має достатню відтворювальність, хімічно інертна в окисному середовищі при високих температурах, має досить великий температурний коефіцієнт опору, який дорівнює 3,94·10^-3 К^-1 і високий питомий опір Ом·м. Платинові перетворювачі опору є найбільш точними первинними перетворювачами; вони застосовуються в технічних, зразкових і еталонних термометрах опору. За допомогою останніх здійснюється відтворення міжнародної шкали температур в діапазоні від -182,97 до 630,5 ^оС. Недоліком платини є нелінійність функції , а також її висока вартість. Залежність опору платини від температури в діапазоні від 0 до 650 ^оС має вид

,

(7.1

а в діапазоні від (-200) до 0 ^оС

,

(7.2

де і – опір при температурах і 0 ^оС; , і – постійні коефіцієнти, які відповідно дорівнюють 3,96847·10^-3; -5,847·10^-7; -4,22·10^-12.

Технічний платиновий перетворювач опору (рис. 3.19) виготовляють з дроту діаметром 0,07 мм. Неізольований дріт 2 біфілярно намотується на слюдяну пластинку 1 із зубчастими краями. Така намотка дроту зменшує індуктивний опір перетворювача. Кінці дроту приварюють до срібних вивідних електродів 5 діаметром 1 мм. Вони ізольовані фарфоровими бусами і виведені до клем головки термоперетворювача. Пластинка з платиновим дротом захищена з обох боків слюдяними накладками 4, скріплена срібною стрічкою 3 і вставлена в алюмінієву трубку. Такий елемент довжиною 50…100 мм розміщують в захисному чохлі термометра.

В залежності від початкового опору при 0 ^оС стандартом передбачені три градуїровки платинових термометрів опору (табл. 7.1

Таблиця 7.1

Градуї- ровка	Опір , Ом при 0 оС	Границі вимірювань, оС		Допустимі відхилення від , %
		нижня	верхня	термометри класу І	термомет ри класу ІІ
Гр. 20	10	0	650
Гр. 21	46	-200	500
Гр. 22	100	-200	500

Мідні термоперетворювачі опору призначені для вимірювання температури в діапазоні від -50 до 200 ^оС. При більш високих температурах мідь активно окислюється. Мідні термоперетворювачі опору виготовляють з ізольованого дроту діаметром звичайно 0,1 мм. Дріт намотується на пластмасову колодку в декілька шарів і покривається лаком. Кінці дроту припаюють до відвідних проводів діаметром 1…1,5 мм. Такий елемент довжиною 40 мм вставляють в трубку, а далі в захисний чохол.

Мідні термометри опору випускають двох градуїровок, які розрізняються початковим опором при 0 ^оС (табл. 3.6).

Напівпровідникові термоперетворювачі опору застосовуються для вимірювання температури від -100 до 300 ^оС. Їх виготовляють із суміші оксидів міді, магнію, марганцю, кобальту, титану, а також з кристалів германію. Суміші оксидів із зв’язуючими добавками спресовують і спікають при високій температурі, надаючи їм форму циліндрів, бусинок, шайбочок рис. 3.20). В торці чутливого елемента 1 через контактні ковпачки 2 впікають електроди і вивідні проводи 3. Чутливий елемент розміщують в захисній оболонці, покритій емаллю.

Таблиця 7.2

Градуї-ровка	Опір при 0 оС, Ом	Границі вимірювання, оС		Допустимі відхилення від для класів II і III
		нижня	верхня
Гр. 23	53	-50	180
Гр. 24	100	-50	180

Температурний коефіцієнт опору напівпровідників негативний, тобто при підвищенні температури їх електричний опір зменшується. Основною перевагою напівпровідників є велике значення темпера-турного коефіцієнта опору (в 5…15 разів вищий, ніж у металів). При підвищенні температури напівпровідників на один градус їх опір зменшується на 3…5 %, що забезпечує високу чутливість при невеликих розмірах термоперетворювачів. Крім того вони мають значний питомий опір і тому навіть при дуже малих розмірах їх номінальний електричний опір складає від декількох до сотень кілоОм, що дозволяє не враховувати опір з’єднувальних проводів і елементів вимірювальної схеми.

Залежність електричного опору напівпровідників від температури в інтервалах, що не перевищують 100 ^оС, визначається формулою

,

(7.3)

а в інтервалах температур не більше 25 ^оС

,

(7.4)

де – опір при температурі ; – постійні коефіцієнти, які залежать від властивостей матеріалу напівпровідника.

Найбільш поширені для вимірювання і регулювання температури напівпровідникові термоперетворювачі типів КМТ (суміш оксидів кобальту і марганцю) і ММТ (суміш оксидів міді і марганцю). Завдяки високій чутливості вони дозволяють вимірювати найменші різниці температур (до 0,0005 К).

Недоліком напівпровідникових матеріалів є значна нелінійність залежності електричного опору від температури і, головне, невідтворювальність градуйовочної характеристики. Тому напівпровідникові термоперетворювачі навіть одного і того ж типу мають індивідуальні градуїровки і невзаємозамінні.

Через зазначені недоліки напівпровідникові термоперетворювачі опору майже не використовуються для вимірювання температури. Вони застосовуються в системах температурної сигналізації, завдяки притаманного їм релейного ефекту – стрибкоподібного змінювання опору при досягненні певної температури.