6.4. Термометры сопротивления
Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов и полупроводников. Эта зависимость обладает высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью при влиянии разнообразных дестабилизирующих факторов.
Температурная чувствительность термометрического материала характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).
В общем виде температурный коэффициент сопротивления определяется следующим образом:
,
где – температурный коэффициент сопротивления; Rt и R0 – сопротивления при температуре t и 0 °C соответственно; t – температура.
Для материалов, у которых температурный коэффициент не зависит от температуры, он определяется как
.
Температурный коэффициент выражается в °C1 или K1. Для большинства чистых металлов температурный коэффициент находится в пределах (3,5÷6,5) 10–3 K-1. У сплавов этот коэффициент существенно меньше и в некоторых случаях приближается к нулю, например, ТКС манганина составляет 210-5 С-1, константана – 110–5 С. Для полупроводниковых материалов температурный коэффициент на порядок больше, чем у металлов – 0,01÷0,15 K-1.
Кроме того, материалы для термометров сопротивления характеризуются отношением
,
где – R100 сопротивление материала при 100 C.
Материалы с более высокой степенью чистоты обладают более высоким значением отношения R100/R0 и , по этим значениям можно судить о степени чистоты применяемых металлов.
Типичные случаи поведения термометрической
зависимости представлены на рис. 6.14
.
Рис. 6.14. Зависимость ТКС от температуры
На рис. 6.14 показано, что металлы 1 обладают малым положительным ТКС, полупроводниковые материалы (термисторы) 2 – отрицательным ТКС примерно на порядок больше, чем у металлов, а полупроводниковые сегнетоэлектрические керамики (позисторы) 3 – значительным положительным ТКС.
Материалы, применяемые для изготовления технических термометров сопротивления, должны отвечать тем же обязательным требованиям, которые предъявляются к материалам, идущим на изготовление термоэлектрических термометров. Это требования стабильности и воспроизводимости градуировочной характеристики.
В настоящее время для изготовления промышленных термометров сопротивления применяются медь, платина и никель.
6.4.1. Медные термометры сопротивления
Медь является относительно дешевым материалом, который может быть получен высокой чистоты. Медь производят в виде тонких проволок в различной изоляции.
Сопротивление меди изменяется от температуры практически линейно для довольно широкого диапазона температур,
.
Температурный коэффициент сопротивления медной проволоки () составляет 4,2810-3 K-1, отношение R100/R0 равно 1,426 или 1,428.
К числу недостатков меди относятся: высокая окисляемость, поэтому медь используется для измерения температур не выше 200 °C, и малое удельное сопротивление: = 1,7510–8 Омм при 20 °C.
Удельное сопротивление влияет на габариты термометра сопротивления: чем меньше удельное сопротивление, тем больше нужно проволоки, чтобы намотать такое же сопротивление, тем больше габариты термометра.
Медные термометры в соответствии с ГОСТ 6651-78 могут применяться для длительного измерения температуры в диапазоне ± 200 °C.
Они выпускаются II и III классов (B и C). Номинальные сопротивления при 0 °C составляют 10, 50 и 100 Ом (в эксплуатации находятся термометры с R0 = 53 Ом).
Термометрам присвоены следующие условные обозначения номинальных статических характеристик преобразования, соответственно: 10М, 50М и 100М (для термометров с R0 = 53 Ом принято обозначение гр. 23).
Предел допускаемой основной погрешности для термометров II класса составляет 0,3 или 0,5 °C, а для III класса – 1 или 2 °C.