3.4 Измерение температуры термометрами сопротивления (термопреобразователями сопротивления)
Термометры сопротивления являются широко распространенными датчиками температуры, используемыми в диапазоне от -200 до 850°С.
Принцип действия их основан на способности материалов (металлов и полупроводников) изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Для изготовления термометров сопротивления в соответствии с ГОСТ Р 8.625-2006 используются чистые медь, платина и никель. Датчики из этих металлов имеют стабильные и воспроизводимые характеристики преобразования.
Важнейшими параметрами термометра являются его номинальное сопротивление R0 и температурный коэффициент α.
Номинальное сопротивление R0, Ом, – это нормированное изготовителем сопротивление датчика при 0 °С. Значение выбирается из ряда: 10, 50, 100, 500, 1000 Ом.
Температурный коэффициент α , °С-1, - это параметр, определяемый по формуле
α = (R100 – R0) / (R0·100) , (3)
где R100– сопротивление термометра при температуре 100 °С, Ом.
Термометры сопротивления выпускаются с классами допуска АА, А, В и С. Под классом допуска понимается обобщенная характеристика термометра, определяющая допустимое отклонение от номинальной статической характеристики (НСХ), выраженное в °С. Класс допуска определяется чистотой материала (платины, меди, никеля) качеством изготовления термометра.
ГОСТ Р 8.625-2006 приводит уравнения, по которым можно рассчитать номинальные статические характеристики преобразования датчиков, т.е. вычислить сопротивление Rt при любой температуре t . Кроме того даны таблицы НСХ, рассчитанные по этим формулам и приведены уравнения, обратные НСХ, для расчета температуры по сопротивлению ТС.
Устройство проволочных термометров сопротивления представлено на рисунке 8. Чувствительный элемент датчика представляет проволоку 1 диаметром 0,07 или 0,1 мм, намотанную на каркас 2 из стекла, кварца, керамики, слюды или пластмассы. От чувствительного элемента идут выводы 3 к зажимам 4 головки 5. К этим зажимам присоединяются провода, идущие к измерительному прибору. Чувствительный элемент помещен в защитную оболочку 6. Выводы изолированы керамическими бусами 7. Вся конструкция помещена в защитный чехол 8. Для установки на объекте контроля датчик снабжен штуцером 9. Выпускаются также датчики с бескаркасными чувствительными элементами в виде компактно уложенного мотка проволоки.
Рисунок 8 – Конструкция проволочного термометра сопротивления
Относительно новой технологией изготовления датчиков является пленочная технология, при которой чувствительный элемент выполняется в виде тончайшей пленки металла (платины). Такой датчик имеет малые габариты (игольчатая конструкция с диаметром чехла до 2 мм).
Официальным названием термометров сопротивления до введения в действие ГОСТ Р 8.625-2006 было «термопреобразователи сопротивления», это название часто встречается в технической и справочной литературе.
Кроме металлов для изготовления датчиков температуры применяются также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана и их смеси. Большинство полупроводниковых материалов обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (сопротивление резко уменьшается с ростом температуры) и очень большим удельным сопротивлением. Это позволяет изготовлять очень малые по размерам датчики, обладающие высокой чувствительностью и малой инерционностью. Зависимость сопротивления полупроводникового термопреобразователя (термистора) от температуры может быть описана выражением:
(4)
где Т - измеряемая температура, К;
Т0 - начальная температура, К ( Т0 = 293 К);
В - коэффициент, зависящий от материала полупроводника, К;
RT и R0 – сопротивления датчика при температурах Т и Т0, 0м.
Значительным недостатком полупроводниковых датчиков является то, что они не отвечают требованию воспроизводимости. Технология получения полупроводниковых материалов не позволяет изготовлять датчики с идентичными параметрами, поэтому все они имеют индивидуальные характеристики преобразования, а разброс этих характеристик выражается различием сопротивления R0 отдельных датчиков более чем в 1000 раз. Необходимость индивидуальной градуировки существенно ограничивает возможности широкого использования терморезисторов для измерения температуры. Основной областью применения терморезисторов являются системы температурной сигнализации, а для измерения температуры используются в основном проволочные термометры сопротивления (медные и платиновые).
Измерительный комплект с термометром сопротивления состоит из самого термометра, соединительных проводов, источника питания и электроизмерительного прибора (вторичного прибора), фиксирующего изменение сопротивления.
В качестве измерительных приборов термометров сопротивления применяют:
уравновешенные мосты;
логометры (омметры);
неуравновешенные мосты (обычно служат для полупроводниковых терморезисторов).
Схема уравновешенного моста
В случаях, когда колебания температуры среды, окружающей соединительные провода, значительны и погрешность при измерении может превысить допустимую величину, применяют трехпроводную систему подключения, которая состоит в том, что одну из вершин моста переносят непосредственно к головке термометра. При таком присоединении сопротивление одного провода Rnp прибавляется к сопротивлению Rt, а сопротивление второго провода — к сопротивлению R2.
