14.6 Термопреобразователи сопротивления

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между электрическим сопротивлением R_t термопреобразователя сопротивления и его температурой t (т. е. R_t = f(t) — градуировочная характеристика), то, изме­рив R_t, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен. Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от - 260 до + 1100°С. К металлическим проводникам термопреобразователей сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразователей сопротивления. К числу не основных, но желательных требований относятся: линейность функции R_t = f(t) , по возможности высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления , большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала. Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным основным требованиям и тем больше значения отношения R₁₀₀/R₀ и (где R₀ и R₁₀₀— электрические сопротивления металла при 0 и 100 °С соответственно). Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в нем механических напряжений, принято характеризовать значениями R₁₀₀/R₀ и . При снятии механических напряжений в металле путем его отжига указанные характеристики достигают своих предельных значений для данного металла. Изменение сопротивления материала с изменением температуры от 0 до 100 °С характеризуется коэффициентом . Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для большинства чистых металлов он равен 4-10-³—6.10-^{3 о}C^-1, что составляет увеличение электрического сопротивления при повышении температуры на один градус примерно на 0,4—0,6 % от сопротивления при 0 °С. Для изготовления стандартизованных термопреобразователей сопротивления в настоящее время применяют платину и медь. Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна и окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления, равный 3,94-10-³ °С-¹, и высокое удельное сопротивление 0,1 - 10-⁶ Ом-м. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от - 260 до + 1100 °С, при этом для диапазона температур от - 260 до +750 °С используются платиновые проволоки диаметром 0,05 - 0,1 мм, а для измерения температур до 1100 °С, в силу распыления платины при этих температурах, диаметр проволоки составляет около 0,5 мм. Значение отношения R₁₀₀/R₀ для применяемых платиновых проволок составляет 1,3850—1,3910. Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Платиновые термопреобразователи сопротивления используются в качестве рабочих, образцовых и эталонных термометров. С помощью последних осуществляется воспроизведение международной шкалы температур в диапазоне от - 182,97 до 630,5 °С. Недостатком платины является нелинейность функции R_t=f(t) и кроме того, платина — очень дорогой металл. Медь — один из недорогостоящих металлов, легко получаемых и чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от —50 до +200 °С. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. Диаметр медной проволоки обычно 0,1 мм, а значение отношения R₁₀₀/R₀ составляет 1,4260 - 1,4280. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры линейна и имеет вид где Никель и железо благодаря своим относительно высоким тем­пературным коэффициентам электрического сопротивления и сравнительно большим сопротивлениям хотя и используются для измерения температуры в диапазоне от - 50 до + 250 °С, однако широко не применяются. Это связано с тем, что градуировочная характеристика их нелинейна, а главное, не стабильна и не воспроизводима, и потому термопреобразователи сопротивления, изготовленные из этих металлов, не стандартизованы. Конструкция технических термометров с металлическим .термопреобразователем сопротивления показана на рисунке 14.143.

Тонкая проволока или лента / из платины или меди наматывается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой проволоки каркас вместе с проволокой покрывают слюдой. Длина намотанной части каркаса с платиновой проволокой 50—100 мм, а с медной—40 мм. Каркас для защиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3, а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части каркаса между последней и защитной гильзой 3 устанавливаются упругие металлические пластинки 4 или массивный металлический вкладыш. Помимо наматываемого проволокой каркаса используются двух- и четырехканальные керамические каркасы. В каналах размещают проволочные платиновые спирали, которые фиксируются в каналах каркаса с помощью термоцемента на основе оксида алюминия и кремния.

При изготовлении медных термопреобразователей сопротивления применяют безындукционную бескаркасную намотку. В качестве материала используют изолированную медную проволоку диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. Гильзу 3 с её содержимым помещают во внешний, обычно стальной, замкнутый чехол 5, который устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 6. На внешней стороне чехла располагается соединительная головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы 9. Термопреобразователи сопротивления по внешнему виду и размерам аналогичны термоэлектрическим преобразователям.

Динамическая характеристика термопреобразователей может быть представлена передаточной функцией вида где К—коэффициент преобразования; Т и — постоянная времени и время запаздывания соответственно. Значения Т и зависят от размеров защитного чехла и его материала, теплоемкости элементов, находящихся в чехле, а также от условий теплообмена. Так, при скачкообразном нагреве от 30 до 100 °С в баке с водой для термопреобразователя со стальным чехлом с и Т =120 с, а для латунного чехла с и Т=33 с .

Рисунок 14.143 - Конструкция термометра с металлическим термопреобразователем сопротивления

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления применяются для измерения температуры от —100 до 300 °С. В качестве материалов для них используются различные полупроводниковые вещества — оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия.

Основным преимуществом полупроводников является их большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 3—5 %, что делает их очень чувствительным к изменению температуры. Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому даже при очень малых размерах обладают значительным номинальным электрическим сопротивлением (от нескольких до сотен килоОм), что позволяет не учитывать сопротивления соединительных проводов и элементов измерительной схемы. Следствием же малых размеров полупроводниковых термопреобразователей сопротивления является возможность безынерционного измерения температуры.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в интервалах, не превышающих 100 °С, определяется выражением . В узких интервалах температур (не более 25 °С) используется более простое выражение R_T=А eхр (В/Т) (где R_T—сопротивление при температуре Т, К; A, Ь, В—постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала полупроводника).

Недостатком полупроводниковых материалов является их значительная нелинейность и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. Поэтому полупроводниковые термопреобразователи сопротивления даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.

Исключением являются германиевые термопреобразователи сопротивления, которые при технических измерениях используются для температур 30—90 К с погрешностью ± (0,05—0,1) К, а также специальный германиевый термопреобразователь, предназначенный в качестве эталонного термометра для воспроизведения температурной шкалы в интервале 4,2 - 13,81 К с погрешностью не более ± 0,001 К.

Чувствительные элементы из полупроводников выполняются в виде цилиндров, шайб, бусинок малых размеров.

В силу указанных недостатков полупроводниковые термопреобразователи сопротивления редко используются для измерения температуры. Они находят широкое применение в системах температурной сигнализации, вследствие присущего им релейного эффекта — скачкообразного изменения сопротивления при достижении определенной температуры. Кроме того, полупроводниковые термопреобразователи сопротивления используются в качестве чувствительных элементов в различных газоаналитических автоматических приборах.