4.2.3. Термометры сопротивления

Термометры сопротивления широко применяются на практике для измерения температур в пределах от 120 до 500⁰С. Вообще же они могут быть использованы для измерения температур в области от –200 до 750⁰С.

Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве веществ изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. При измерении температуры термометр погружают в среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления термометра от температуры, можно по изменению сопротивления термометра судить о температуре среды, в которой он находится.

Для изготовления термометров сопротивления используют металлы и полупроводники. Металлические термометры сопротивления употребляются чаще. Полупроводниковые термометры находят меньшее применение, в связи с необходимостью индивидуальной градуировки.

Требования, предъявляемые к материалам для изготовления термометров сопротивления:

– материал должен быть химически инертным и не изменять свои физические свойства;

– температурный коэффициент электросопротивления должен быть, по возможности, значительным;

– зависимость изменения сопротивления материала от температуры должна быть близка к линейной.

– материалы должны воспроизводиться с неизменными свойствами в больших количествах.

Приведенным основным требованиям, предъявляемым к материалам для термометров сопротивления, из числа чистых металлов удовлетворяют только платина, медь, никель и железо. Серийно изготавливаются термометры сопротивления из платины и меди; никелевые (Ni значительно окисляется при высоких температурах и его температурный коэффициент сопротивления сильно зависит от чистоты металла) изготавливаются редко – только по спецзаказам, а из железа почти не встречаются из-за трудности изготовления чистого железа и малого диапазона применения.

Платиновые термометры сопротивления

Наилучшим материалом для термометров сопротивления считается платина, которая обладает большой химической инертностью и может быть легко получена в чистом виде. Она имеет достаточно большой температурный коэффициент электрического сопротивления и высокое удельное сопротивление. Конечный температурный предел применения платиновых термометров сопротивления из соображений механической прочности обмотки, изготавливаемой из тонкой проволоки, ограничивается 650⁰С. Для измерения более высоких температур (до 1100⁰С) используется более толстая проволока из платины d=0,5 мм (обычно диаметр проволоки для эталонных термометров сопротивления составляет 0,1 мм, для рабочих – 0,04 – 0,07 мм).

Платиновые термометры сопротивления в зависимости от их назначения разделяются на следующие три основные группы: эталонные, образцовые (1-го и 2-го разрядов) и рабочие. Рабочие термометры, в свою очередь, подразделяются на термометры повышенной точности (лабораторные) и технические.

Эталонные платиновые термометры сопротивления служат для воспроизведения международной практической температурной шкалы МПТШ в областях температур

– 182,97 ÷ 0⁰С (I)

0 ÷ 630,5⁰C (II).

Для интервала (I) используется интерполяционная формула

R(t) = R₀[1+At+Bt²+Ct³ (t–100)], (4.20)

где R(t) – сопротивление термометра при температуре t, Ом; R₀ – сопротивление того же термометра при 0⁰С, Ом. Для определения постоянных А, В, С определяют сопротивление R(t) в точках кипения воды, серы (или в точке затвердевания цинка) и кислорода.

Для интервала (II) используется интерполяционная формула

R(t) = R₀(1+At+Bt²), (4.21)

где A, B определяются в тех же реперных точках, что и для (I).

Образцовые платиновые термометры сопротивления 1-го и 2-го разрядов, применяемые в диапазоне –182,97 ÷ 630,5⁰C, изготавливают из чистой платины. Образцовые термометры 1-го разряда, поверяемые по рабочим эталонам, применяют для поверки образцовых термометров 2-го разряда, образцовых ртутных термометров, образцовых медь-константановых термопар и для контроля температуры кипения или затвердевания веществ, применяемых при поверке термометров. Образцовые термометры сопротивления 2-го разряда служат для поверки рабочих термометров.

Рабочие платиновые термометры сопротивления повышенной точности специально градуируются, характеризуются погрешностью такой же, что и образцовые приборы. Технические платиновые термометры предназначаются для длительного измерения температуры от –200 до 650⁰С. Термометры сопротивления этого типа изготовляются двух классов (1-го и 2-го). Класс 1 характеризуется использованием платины более высокой чистоты.

Конструкция термометров сопротивления

Надежная работа термометров сопротивления в наибольшей степени определяется механической прочностью конструкции, степенью герметичности и качеством изготовления чувствительного элемента.

При изготовлении чувствительных элементов медных термометров, обладающих достаточной надежностью и механической прочностью, не встречается затруднений.

При создании же чувствительных элементов платиновых термометров сопротивления встречается ряд трудностей. Материал для каркаса, на который наматывается проволока, должен обладать высокими электрическими изоляционными свойствами, хорошей теплопроводностью и механической прочностью. Кроме того, он не должен оказывать вредного влияния на платину. Коэффициент линейного расширения материала каркаса должен быть близким коэффициенту линейного расширения платины. Для изготовления каркасов применяют слюду, плавленый кварц, специальную керамику и другие материалы.

К

Рис. 12. Устройство платинового термометра сопротивления: 1 – каркас, 2 – платиновая спираль, 3 – выводы, 4 – оболочка

аркас может выполняться в виде, например, слюдяного креста с зубцами, просто пластинки или в виде «штопора» (рис. 12) [5]. Чувствительные элементы термометров сопротивления обычно изготовляются с безындукционной намоткой, например, бифилярной или сходной с ней по эффекту снижения индуктивности. К верхним концам обмотки (спирали) привариваются выводные проводники (алюминиевые или медные). Эту обмотку на каркасе помещают в защитный кожух и погружают в ту среду, температуру которой необходимо определить.

Полупроводниковые термометры сопротивления

Полупроводниковые термометры сопротивления – терморезисторы – изготавливаются из порошкообразной смеси окислов некоторых металлов (меди, марганца, кобальта, никеля и др.), спрессованной и спеченной при высокой температуре. При изменении соотношения компонентов, составляющих материал, меняется значение его электропроводности и температурного коэффициента электрического сопротивления.

Терморезисторы, представляющие собой непроволочные объемные нелинейные резисторы различной формы (цилиндрические, шайбовые и др.), в отличие от металлических резисторов имеют отрицательный температурный коэффициент, т.е. при нагревании уменьшают свое сопротивления. При t=50⁰С и ниже значение их температурного коэффициента в 5 – 10 раз больше, чем у металлов, что дает сравнительно большое изменение сопротивления в зависимости от температуры. При t=20⁰С температурный коэффициент электрического сопротивления составляет 2 – 8 % на 1⁰С.

Терморезисторы являются малоинерционными термометрами, что имеет существенное значение, например, для исследования нестационарных тепловых процессов. Большое номинальное сопротивление полупроводниковых термометров (от единиц до сотен килоом) позволяет при измерении температуры не учитывать сопротивление проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

Для терморезисторов зависимость сопротивления их от температуры в интервалах не превышающих 100⁰С, определяется выражением

, (4.22)

где R_T – сопротивление данного терморезистора при температуре T, Ом; T – температура, K; А, b, B – постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала терморезистора и его конструкции.

К недостаткам терморезисторов можно отнести следующее: нелинейный характер зависимости электрического сопротивления от температуры, степень воспроизведения их сопротивления недостаточно надежна (отклонение от номинального значения составляет ±20%), что не обеспечивает их необходимой взаимозаменяемости.

При измерении температуры термометры сопротивления применяют в комплекте с логометрами, автоматическими уравновешенными и неуравновешенными мостами, магнитоэлектрическими логометрами и автоматическими компенсационными приборами.