Термопреобразователи сопротивления из чистых металлов

Достоинством термопреобразователей из чистых металлов является высокая точность измерений, а также высокая стабильность и взаимозаменяемость.
Термопреобразователи сопротивления из чистых металлов изготавливают преимущественно из тонкой проволоки в виде намотки на каркас или спирали внутри керамического каркаса. Такая конструкция называется чувствительным элементом (ЧЭ) термометра сопротивления. Для защиты от повреждений чувствительный элемент помещают в защитную арматуру.

Металлы для изготовления чувствительных элементов должны обеспечивать стабильность градуировочной характеристики и воспроизводимость (возможность изготовления чувствительных элементов с одинаковыми в пределах допускаемой погрешности градуировочными характеристиками). Желательными также являются высокое удельное сопротивление, высокий температурный коэффициент сопротивления, химическая инертность.

В соответствии с ГОСТ Р 8625-2006 термометры сопротивления (ТС) могут изготавливаться из платины, из меди или никеля.

Характеристиками термометра сопротивления являются их сопротивление R₀ при 0 °С, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и Номинальная статическая характеристика (НСХ).

Под R₀ понимается нормированное изготовителем сопротивление ТС при 0 °С и выбираемое из ряда 10, 50, 100, 500, 1000 Ом.

Номинальная статическая характеристика - это зависимость сопротивления ТС или ЧЭ от температуры, рассчитанная по стандартным формулам для конкретного значения R₀. Условное обозначение НСХ состоит их значения номинального сопротивления ТС или ЧЭ R₀ и обозначения типа (таблица 2). Русское обозначение типа приводят за значением номинального сопротивления, латинское обозначение – перед значением номинального сопротивления. Например: 100 П означает НСХ для платинового ТС (или ЧЭ) с α = 0,00391 °С^–1 и R₀ = 100 Ом; Pt 100 означает НСХ для платинового ТС (или ЧЭ) с α = 0,00385 °С^–1 и R₀ = 100 Ом;

Температурный коэффициент сопротивления αв соответствии с ГОСТ Р 8625-2006 рекомендуется определять по формуле

где R₁₀₀ и R₀ – сопротивление TC по НСХ при температуре 100 °С и 0 °С, соответственно, округленное после пятого знака после запятой.

Таблица 2 Тип ТС Обозна- чение типа ТС α, °С−1 Класс допуска для проволочных ЧЭ для пленочных ЧЭ для ТС Платиновый Pt 0,00385 W 0.1, W 0.15, W 0.3, W 0.6, F 0.1, F 0.15, F 0.3, F 0.6, AA, A, B, C П 0,00391 AA, A, B, C AA, A, B, C AA, A, B, C Медный М 0,00428 A, B, C − A, B, C Никелевый Н 0,00617 C − C

Наличие в металле примесей уменьшает температурный коэффициент сопротивления, поэтому металлы для изготовления термометров сопротивления должны иметь нормированную чистоту. Показателем чистоты металлов является величина W₁₀₀ – отношение сопротивлений металла при 100 °С и 0 °С. Для ТСП W₁₀₀ = 1,385 или 1,391, для ТСМ W₁₀₀ = 1,428, для ТСН W₁₀₀ = 1,617.

Класс допуска ТС ли ЧЭ определяет максимальное допускаемое отклонение от НСХ, выраженное в °С. В таблице 3 приведены допуски, соответствующие классам допуска по классификации таблицы 2 и диапазоны измерения для ТС и ЧЭ.

Таблица 3 Класс допуска Допуск, °С Диапазон измерений, °С Платиновый ТС, ЧЭ Медный ТС,ЧЭ Никелевый ТС, ЧЭ проволочный пленочный AA W 0.1 F 0.1 ±(0,1 + 0,0017| t |) От −50 до +250 От −50 до +250 − − A W 0.15 F 0.15 ±(0,15 + 0,002| t |) От −100 до +450 От −50 до +450 От −50 до +120 − B W 0.3 F 0.3 ±(0,3 + 0,005| t |) От −196 до +660 От −50 до +600 От −50 до +200 − C W 0.6 F 0.6 ±(0,6 + 0,01| t |) От −196 до +660 От −50 до +600 От −50 до +200 От −60 до +180

Платиновые термопреобразователи сопротивленияимеют обозначение номинальных статических характеристик 10 П, 50 П, 100 П, 500 П, 1000 П. Платиновые ТС являются наиболее распространенным типом термометров сопротивления. Рекомендуемый диапазон применения этих термометром в соответствии с ГОСТ Р 8625-2006 составляет от −196 °С до 660 °С. Для измерения высоких температур применяются низкоомные термометры сопротивления, а для низких – высокоомные.

Недостатками платиновых ЧЭ является возможность загрязнения платины парами металлов при высоких температурах (более 900 °С), подверженность воздействию восстановительных сред (H₂, CO, углеродсодержащие газовые среды, продукты сгорания).

Зависимость сопротивления от температуры в области температур от 0 °С до 850 °С описывается уравнением

где А и В – постоянные коэффициенты, зависящие от величины W₁₀₀.

Для изготовления платиновых термопреобразователей сопротивления применяется проволока диаметром от 0,05 мм до 0,1 мм (температуры до 750 °С) и диаметром от 0,2 мм до 0,5 мм при более высоких температурах. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис.4,а) состоит двух последовательно соединенных платиновых спиралей 1, расположенных в каналах 2 керамического каркаса 3. Каркас может иметь четыре канала для размещения двух дополнительных спиралей. Каналы каркаса заполняются порошком окиси алюминия, который является электрическим изолятором и одновременно улучшает тепловой контакт проволоки с каркасом. К концам спиралей припаяны короткие выводы 4 из платиновой или иридиевой проволоки, к которым затем припаиваются изолированные проводники. Номинальное значение сопротивления при 0 °С подгоняется отрезанием спирали в точке 5. Торцы спиралей герметизируются специальной глазурью 6. Керамический каркас помещается в тонкостенную металлическую оболочку 7, которая также заполняется порошком и закрывается пробкой, через которую пропускаются выводы. Такая конструкция обеспечивает герметичность чувствительного элемента, прочность и вибростойкость.

Рис. 4. Конструкция платиновых термопреобразователей сопротивления

В настоящее время всё большее распространение получают тонкопленочные платиновые термопреобразователи сопротивления, в которых тонкая пленка платины наносится на изолирующую керамическую подложку (рис.4,б). Такой способ изготовления датчика температуры позволяет получить очень компактную конструкцию с высоким значением R₀. Некоторые зарубежные фирмы выпускают тонкопленочные платиновые термометры сопротивления с R₀ до 10000 Ом.

Медные термопреобразователи сопротивления имеют обозначение номинальных статических характеристик 10 М, 50 М, 100 М, 500 М. Рекомендуемый диапазон применения этих термометром в соответствии с ГОСТ Р 8625-2006 составляет от −50 °С до 150 °С. Достоинством меди является дешевизна, возможность получения в чистом виде и линейность зависимости сопротивления от температуры.

Недостатком является интенсивная окисляемость, что требует покрытия проволоки высокотемпературной изоляцией, а также низкое значение удельного сопротивления, что увеличивает габариты чувствительного элемента.

Зависимость сопротивления от температуры в области температур от – 50 °С до 200 °С описывается уравнением

Для изготовления медных термопреобразователей сопротивления применяется проволока диаметром 0,08 мм, которая наматывается бифилярно (сложенным вдвое проводом) в виде катушки, отдельные слои которой скреплены лаком. Бифилярная намотка провода необходима для минимизации индуктивности катушки. Поскольку измерительные мосты питаются переменным током, то индуктивное сопротивление чувствительного элемента будет вносить дополнительную погрешность при измерении температуры. Кроме того, при таком способе намотке уменьшается влияние электромагнитных помех.

Собранный таким образом чувствительный элемент помещается в тонкостенную металлическую трубку, засыпается порошком окиси алюминия и герметизируется.