Методы измерения температуры

Существует множество методов измерения температуры. Каждый способ обладает теми или иными недостатками. Одно из главных условий, которое накладывается на датчик температуры, состоит в том, что бы датчик сам не вносил искажений. Например, внесение стеклянного термометра в нагреваемый объем изменяет общую теплоемкость, что может привести к тем или иным погрешностям. Тогда как внесение в тот же объем значительно меньшего по массе полупроводникового датчика не внесет таких искажений.

Для научных задач часто требуется обеспечить точное измерение температуры образца малого объема. Поэтому датчик температуры должен быть намного меньше чем сам образец. В этом случае используют: термопары, полупроводниковые диоды, термометры сопротивления. В том случае, когда объем нагретый объем велик, например, объем жидкости или объем воздуха можно применить термометры. При измерении высоких температур применяют термопары, термометры сопротивления из благородных металлов, оптические пирометры. В том случае, когда требуется высокая точность, применяются термометры сопротивления. Однако для технических нужд и в случаях, когда высокая точность измерения не является главным критерием, чаще применяются термопары. В основном из-за их дешевизны, а также возможности изготовить термопару в лабораторных условиях. Кратко рассмотрим особенности термометров сопротивления, термодиодов и термопар.

2.1. Термоэлектрические термометры (термопары)

Термоэлектрическая термометрия основана на температурной зависимости термо-ЭДС (Е), возникающей в, термопаре – проводнике, состоящем из двух соединенных разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Термопары широко используются для измерения температур примерно от 4 до 3000 К.

Погрешность определения температуры с помощью термопар составляет, как правило, несколько Кельвинов, а у некоторых достигает 0,01 К. Точность термопары (дифференциального прибора) зависит от точности поддержания и измерения температуры свободного (реперного) спая термопары.

Для определения температуры по измеренной ЭДС пользуются таблицами или эмпирическими формулами [[iv]]. Градуировочные таблицы стандартных термопар соответствуют реальным в пределах указываемой рабочей погрешности. Пользуясь таблицами можно найти поправочную функция для данной реальной термопары. Обычно поправочная функция представляется в виде степенного полинома находится по отклонениям значений ЭДС от табличных в нескольких температурных точках.

Зависимость E(t) большинства термопар в рабочем диапазоне температур (либо в его части) может быть аппроксимирована полиномом вида (рис.9).

.

2.2. Термометры сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления (ТС) основан на зависимости электрического сопротивления металлов, сплавов и полупроводников от температуры. Для определения температуры по измеренному значению электрического сопротивления пользуются эмпирическими формулами или таблицами. Термометры для точных измерений (с погрешностью менее 0,001 К) — платиновый, германиевый—градуируют индивидуально. Термометры сопротивления применяются для измерения температур примерно от 0,01 К до1100°С.

Широкое распространение для намерения температур от —200 до 750 °С (реже от —260 до 1100 °С) получили платиновые ТС (ТСП) благодаря исключительно хорошим термометрическим свойствам платины. В области от —200 до 200 °С часто применяют медные ТС (ТСМ). Для ТСП и ТСМ созданы стандартные градуировочные таблицы (табл. 1). Конструктивно термометр сопротивления представляет собой металлически проводник, состоящий из нескольких десятков или сотен витков очень тонкого провода намотанных на соответствующей оправке. Сравнение линейности температурных зависимостей медного термометра сопротивления и медь – константановой термопары приведено на рис. 9. Коэффициенты термоэдс приведены в табл. 4.

Полупроводниковые ТС используют обычно для измерения температур ниже 0°С. Основное преимущество полупроводниковых ТС состоит в том, что их чувствительность гораздо выше чувствительности металлических ТС при низких температурах. В низкотемпературной термометрии применяют германиевые, угольные, арсенид-галлиевые термометры сопротивления.

2.3. Термодиоды

Наряду с ТС для измерения низких температур разработаны термодиоды из Ge, Si, GaAs. Термометрическим параметром таких термометров является напряжение на диоде, смещенном в прямом направлении. Хотя в качестве термометра можно использовать и обычный кремневый полупроводниковый диод. В безкорпусном исполнении диоды имеют очень маленькие размеры и сопоставимы по размерам со спаями термопар. Падение напряжения на p-n переходе имеет температурную зависимость порядка 2 мВ/˚С. Однако кремневые полупроводниковые датчики температуры практически неприменимы при температурах выше 180 ˚С. Датчики на основе арсенида галия GaAs могут работать до 400 ˚С, а на основе фосфористого галия до 700 ˚С.

Применение полупроводниковых диодов требуют стабильного источника тока[2]. При этом измеряется падение напряжения на p-n переходе (рис. 2). Точно также можно подключать к стабильному источнику тока и термометры сопротивления и далее измерять падение напряжения на ТС от температуры. Однако в случае применения ТС можно применить и высокоточный омметр.

Полупроводниковые термометры имеют сложную и плохо воспроизводимую от образца к образцу зависимость термометрического параметра от температуры, что не позволяет создать для них стандартные градуировочные характеристики. Поэтому их градуирую индивидуально.