Термометры сопротивления. 
Измерение температуры

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры. Таким образом, омическое сопротивление проводника или полупроводника представляет некоторую функцию его температуры R = f (t). Вид этой функции зависит от природы материала.

Для изготовления чувствительных элементов серийных термометров сопротивления применяют чистые металлы. К металлам предъявляют следующие основные требования.

Металл не должен окисляться и вступать в химическое взаимодействие с измеряемой средой, должен обладать высокой воспроизводимостью значений электрического сопротивления в интерввале рабочих температур.

Температурный коэффициент электрического сопротивления металла =1/RdR/dt должен быть достаточно большим и неизменным. Этот коэффициент принято определять соотношением _0…100 = (R₁₀₀ — R₀)/100R₀, где R₀ и R₁₀₀ — сопротивление образца данного материала при температуре соответственно 0 и 100⁰С. для большинства чистых металлов 410^-3 1/⁰С.

Сопротивление должно изменяться с изменением температуры по прямой или плавной кривой без резких отклонений и явлений гистерезиса.

Удельное электрическое сопротивление металла должно быть достаточно большим: чем больше удельное сопротивление, тем меньше нужно металла для получения требуемого первоначального сопротивления термометра.

Указанным требованиям в определенных температурных пределах наиболее плотно отвечают Pt, Cu, Ni, Fe.

Платина. Удельное электрическое сопротивление платины = 0,1 Оммм²/м, а температурный коэффициент электрического сопротивления в диапазоне температур от 0 до 100⁰С = 3,910^-3 1/⁰С.

Изменение сопротивления платины выражается уравнениями:

в диапазоне температур от 0 до +650⁰С.

R_t = R₀(1+at+bt²), (1).

в диапазоне температур от -200 до 0⁰С.

R_t = R₀[1+at+bt²+c (t-100)t³], (2).

где R_t и R₀ — сопротивление платины при температуре соответственно t и 0⁰С; a, b, c — постоянные коэффициенты, значение которых определяют при градуировке термометра по точкам кипения кислорода, воды и серы (a = 3,9 684 710^-3 1/⁰С; b = -5,84 710^-7 1/(⁰С)²; c = -4,2210^-12 1/(⁰С)⁴).

Для платины, применяемой для изготовления технических термометров, R₁₀₀/R₀ = 1,391.

Из уравнений (1) и (2) видно, что характеристики платиновых термометров сопротивления нелинейны, однако отклонение от линейной характеристики не превышает 5% в интервале температур от 0 до 500⁰С и 19% в интервале температур от -200 до 0⁰С.

Медь. К преимуществам меди следует отнести низкую стоимость, легкость получения ее в чистом виде, сравнительно высокий температурный коэффициент электрического сопротивления =4,26 10^-3 1/⁰С и линейную зависимость сопротивления от температуры R_t = R₀(1+t).

К недостаткам меди относятся малое удельное сопротивление = 0,017 Оммм²/м и легкая окисляемость при температуре выше 100⁰С. Для меди, применяемой при изготовлении термометров отношение R₁₀₀/R₀ = 1,426.

Никель и железо. Эти металлы обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления: _Ni = (6,21…6,34)10^-3 1/⁰С, _Fe = (6,25…6,57)10^-3 1/⁰С и относительно большим удельным сопротивлением: _Ni = (0,118…0,138) Оммм²/м; _Fe = (0,055…0,061) Оммм²/м.

Однако этим металлам присущи и недостатки: никель и железо трудно получить в чистом виде, что усложняет изготовление взаимозаменяемых термометров сопротивления; зависимости сопротивления железа и никеля от температуры выражаются кривыми, которые не могут быть записаны в виде простых эмпирических формул; никель и железо легко окисляются даже при сравнительно низких температурах. Эти недостатки ограничивают применение никеля и железа для изготовления термометров сопротивления.

Рисунок. Чувствительный элемент платинового термометра отечественного производства: 1 двух соединенных последовательно платиновых спиралей; 2 платиновые или иридиево-родиевые выводы; 3 глазурь на основе окиси алюминия и кремния; 4 каналы керамического каркаса.

Пространство между платиновыми спиралями и стенками каналов каркаса заполнено порошком окиси алюминия, который служит изолятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом.

Для подгонки сопротивления при 0⁰С изменяют длину нижних концов платиновых спиралей с последующей пайкой 5.

Условное обозначение градуировки термометров ТСП: гр 20, гр 21 и гр 22. Для термометров с указанной градуировкой сопротивление R₀ составляет соответственно 10, 40 и 100 Ом.

Термометры сопротивления ТСМ выпускают с сопротивлением R₀=53 Ом (градуировка гр 23) и R₀=100 Ом (градуировка гр 24). Для измерения низких температур (до -260⁰С) созданы также платиновые термометры сопротивления, защитную гильзу которых заполняют гелием.

Для изготовления термометров сопротивления применяют также полупроводники (окислы некоторых металлов). Существенным преимуществом полупроводников является большой температурный коэффициент электрического сопротивления (от 310^-2 до 410^-2 1/⁰С). вследствие большого удельного электрического сопротивления полупроводников из них можно изготовлять термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической измерительной схемы термометра.

В узком температурном интервале зависимость электрического сопротивления полупроводникового резистора от температуры выражается уравнением.

R = A exp (B/T).

или.

ln R = ln A + B/T,.

где, А и В — постоянные коэффициенты, зависящие от физических свойств материала (полупроводника); Т — абсолютная температура терморезистора.

термометр пирометр спектральный излучение.

Рис. 2.

Рис 3.

Для изготовления полупроводниковых терморезисторов применяют окислы титана, магния, железа, марганца, кобальта, никеля, меди или кристаллы некоторых металлов (например, кремния, германия) с различными примесями. Для измерения температуры наиболее часто используют полупроводниковые резисторы типов ММТ-1, ММТ-4, КМТ-1 и КМТ-4, у которых в рабочих интервалах температур сопротивление меняется по экспоненциальному закону.

Основным препятствием, ограничивающим широкое внедрение полупроводниковых резисторов в промышленность, является плохая воспроизводимость их параметров, что исключает их взаимозаменяемость, а также сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от -60 до +180⁰С).

На рисунке 2 показан стержневой терморезистор, представляющий собой цилиндр 1 с контактными колпачками 2, к которым припаяны выводы 3, цилиндр покрыт эмалевой краской и обмотан металлической фольгой 4. Снаружи терморезистор защищен металлическим чехлом 5, у которого в верхней части имеет стеклянный изолятор 6.

Полупроводниковый элемент 1 бусинкового терморезистора (рис. 3) имеет форму шарика диаметром 0,5 мм, защищенного стеклянной оболочкой 4. В шарик вмонтированы электроды 2 из платиновой проволоки диаметром 0,05 мм, соединенные с никелевыми выводами 3.