Термопреобразователи сопротивления

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между электрическим сопротивлением R_t термопреобразователя сопротивления и его температурой t [т. е. Rt=f(t) — градуировочная характеристика], то, измерив R_t, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен.

Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от —260 до +1100°С. К металлическим проводникам термопреобразователей сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразователей сопротивления. К числу не основных, но желательных требований относятся: линейность функции R_t=f(t), по возможности высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления

α=1/ R_t (dR_t /dt),

большое удельное сопротивление иневысокая стоимость материала.

Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным основным требованиям и тем больше значения отношения R₁₀₀/R₀ и α(где R_o и R₁₀₀ — электрические сопротивления металла при 0 и 100 °С соответственно). Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в нем механических напряжений, принято характеризовать значениями R₁₀₀/R₀ и α. При снятии механических напряжений в металле путем его отжига указанные характеристики достигают своих предельных значений для данного металла.

Изменение сопротивления материала с изменением температуры от 0 до 100°С характеризуется коэффициентом α_0,100=(R₁₀₀—R₀)/ R₀ ·100. Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для большинства чистых металлов он равен 4·10^-3 — 6·10^-3 °С^-1, что составляет увеличение электрического сопротивления при повышении температуры на один градус примерно на 0,4—0,6% от сопротивления при 0°С. Для изготовления стандартизованных термопреобразователей сопротивления в настоящее время применяют платину и медь.

Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления, равный 3,94·10^-3 °С^-1, и высокое удельное сопротивление 0,1·10^-6 Ом·м. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от —260 до +1100 °С, при этом для диапазона температур от —260 до +750°С используются платиновые проволоки диаметром 0,05—0,1 мм, а для измерения температур до 1100 °С, в силу распыления платины при этих температурах, диаметр проволоки составляет около 0,5 мм. Значение отношения R₁₀₀/R₀ для применяемых платиновых проволок составляет 1,3850—1,3910.

Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Платиновые термопреобразователи сопротивления используются в качестве рабочих, образцовых и эталонных термометров. С помощью последних осуществляется воспроизведение международной шкалы температур в диапазоне от —182,97 до 630,5 ^СС.

Недостатком платины является нелинейность функции R_t=f(t) и, кроме того, платина — очень дорогой металл.

Медь — один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от —50 до +200°С. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. Диаметр медной проволоки обычно 0,1 мм, а значение отношения R₁₀₀/R₀ составляет 1,4260— 1,4280. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры линейна и имеет вид R_t = R_o(1+ αt), где α= 4,26·10^-3 °С^-1.

Никель и железо благодаря своим относительно высоким температурным коэффициентам электрического сопротивления и сравнительно большим сопротивлениям хотя и используются для измерения температуры в диапазоне от —50 до +250°С, однако широко не применяются. Это связано с тем, что градуировочная характеристика их нелинейна, а главное, не стабильна и не воспроизводима, и потому термопреобразователи сопротивления, изготовленные из этих металлов, не стандартизованы.

Конструкция технических термометров с металлическим термопреобразователем сопротивления показана на рис. 6.17.

Тонкая проволока или лента 1 из платины или меди наматывается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой проволоки каркас вместе с проволокой покрывают слюдой. Длина намотанной части каркаса с платиновой проволокой 50—100 мм, а с медной — 40 мм. Каркас для защиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3, а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части каркаса между последней и защитной гильзой 3 устанавливаются упругие металлические пластинки 4 или массивный металлический вкладыш. Помимо наматываемого проволокой каркаса используются двух- и четырехканальные керамические каркасы. В каналах размещают проволочные платиновые спирали, которые фиксируются в каналах каркаса с помощью термоцемента на основе оксида алюминия и кремния.

При изготовлении медных термопреобразователей сопротивления применяют безындукционную бескаркасную намотку. В качестве материала используют изолированную медную проволоку диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. Гильзу 3 с ее содержимым помещают во внешний, обычно стальной, замкнутый чехол 5, который устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 6. На внешней стороне чехла располагается соединительная головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы 9. Термопреобразователи сопротивления по внешнему виду и размерам аналогичны термоэлектрическим преобразователям.

Рис. 6.17. Конструкция термометра с металлическим термопреобразователем сопротивления

Динамическая характеристика термопреобразователей может быть представлена передаточной функцией вида

где К — коэффициент преобразования; T и τ — постоянная времени и время запаздывания соответственно. Значения Гит зависят от размеров защитного чехла и его материала, теплоемкости элементов, находящихся в чехле, а также от условий теплообмена. Так, при скачкообразном нагреве от 30 до 100°С в баке с водой для термопреобразователя со стальным чехлом т= = 8 с и 7=120 с, а для латунного чехла т=3 с и Т= = 33 с [16].

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления применяются для измерения температуры от —100 до 300 °С. В качестве материалов для них используются различные полупроводниковые вещества — оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия.

Основным преимуществом полупроводников является их большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 3—5%, что делает их очень чувствительным к изменению температуры. Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому даже при очень малых размерах обладают значительным номинальным электрическим сопротивлением (от нескольких до сотен килоом), что позволяет не учитывать сопротивления соединительных проводов и элементов измерительной схемы. Следствием же малых размеров полупроводниковых термопреобразователей сопротивления является возможность безынерционного измерения температуры.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в интервалах, не превышающих 100 °С, определяется выражением R_T=АТ^bехр (В/Т). В узких интервалах температур (не более 25 °С) используется более простое выражение Ят=Аехр(В/Т) (где R_T — сопротивление при температуре Т, К; А, b, В — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала полупроводника).

Недостатком полупроводниковых материалов является их значительная нелинейность и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. Поэтому полупроводниковые термопреобразователи сопротивления даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.

Исключением являются германиевые термопреобразователи сопротивления, которые при технических измерениях используются для температур 30—90 К с погрешностью ±(0,05—0,1) К, а также специальный германиевый термопреобразователь, предназначенный в качестве эталонного термометра для воспроизведения температурной шкалы в интервале 4,2—13,81 К с погрешностью не более ±0,001К.

Чувствительные элементы из полупроводников выполняются в виде цилиндров, шайб, бусинок малых размеров.

В силу указанных недостатков полупроводниковые термопреобразователи сопротивления редко используются для измерения температуры. Они находят широкое применение в системах температурной сигнализации, вследствие присущего им релейного эффекта — скачкообразного изменения сопротивления при достижении определенной температуры. Кроме того, полупроводниковые термопреобразователи сопротивления используются в качестве чувствительных элементов в различных газоаналитических автоматических приборах.