Электрические термометры сопротивления

Действие электрического термометра сопротивления основано на зависимости от температуры электрического сопротивления металлического проводника или полупроводникового элемента. Термометр применяется в комплекте с прибором для измерения электрического сопротивления и источником питания. Термометр сопротивления в виде металлического проводника или полупроводникового элемента, с соответствующей условиям применения монтажной и защитной арматурой, монтируется на объекте измерения и соединяется проводной линией с измерительным прибором и источником питания. Питание может осуществляться от сухой батареи, аккумулятора или сетевое через выпрямитель. Линия, соединяющая термометр с измерительным прибором, должна иметь определенное сопротивление, для подгонки сопротивления линии измерительный прибор снабжается подгоночными катушками.

По виду термометрического тела термометры сопротивления можно разделить на металлические и полупроводниковые.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

К материалам термоэлектрического тела термометра сопротивления предъявляются следующие требования:

1. Зависимость электрического сопротивления от температуры в диапазоне измерения должна быть устойчива, материал должен быть прочным, стойким против коррозии и против распыления при нагреве.

2. Температурный коэффициент электрического сопротивления должен быть высоким и обеспечивать высокую чувствительность термометра.

3. Температурный коэффициент сопротивления в диапазоне измерения должен быть постоянным и обеспечивать линейную зависимость сопротивления от температуры.

4. Удельное электрическое сопротивление проводника должно быть высоким и позволять построить термометр с большим сопротивлением при малых габаритных размерах.

5. Электрические свойства материала должны быть воспроизводимы и позволять осуществлять взаимозаменяемость термометров.

Наилучшим образом выше перечисленным требованиям отвечают платина и медь. Никель и железо, обладающие высокими температурными коэффициентами сопротивления, имеют ограниченное применение главным образом из-за трудности получения этих металлов достаточно свободными от примесей, чтобы обеспечить воспроизводимость их электрических свойств.

На рис.1 приведен график зависимости сопротивления этих металлов от температуры. Ординаты графика выражают отношение

где, Rt - сопротивление проводника при температуре - t, и R0 - сопротивление того же проводника при температуре 0°С.

Среди названных металлов, применяемых для изготовления датчиков термометров, платина наиболее полно, за исключением стоимости, удовлетворяет выше перечисленным требованиям. Однако из-за большой стоимости она применяется для изготовления в основном образцовых и рабочих термометров, контролирующих температуру в ответственных технологических процессах.

Применяемая в технических термометрах платиновая проволока имеет средний температурный коэффициент сопротивления в интервале температур 0 - 100°С. Удельное электрическое

Платина применяется в стандартных технических термометрах для измерений в диапазоне температур от -200 до +650°С, а в термометрах специальных конструкций - до + 750°С и даже до 1200°С. Верхний предел измерения стандартных платиновых термометров обусловлен снижением механической прочности тонкой платиновой проволоки (диаметром 0,05-0,07 мм) при более высоких температурах.

В соответствии с ГОСТ 6651-59 сопротивление выпускаемых в СССР технических платиновых термометров (сокращенно ТСП) соответствует градуировкам гр.20, гр.21 и гр.22. В зависимости от градуировки платиновые термометры имеют различное сопротивление при 0°С. Так, по градуировке гр.20 сопротивление термометра при 0°С R0 = 10 Ом, по градуировке гр.21 R0 = 41 Ом, по градуировке гр.22 R0 = 100 Ом. Допустимые отклонения величины R0 для термометров класса 1 ± 0,1%, для термометров класса 2 ± 0,1%.

В интервале температур 0 - 650°С сопротивление технических платиновых термометров выражается зависимостью

( 1 )

а в интервале от -200 до 0°С формулой

( 2 )

где, Rt - сопротивление термометра при температуре t°С;

; ;

Рис.1

Из уравнений (1) и (2) видно, что характеристики платиновых термометров сопротивления нелинейны, однако отклонение от линейной характеристики не превышает 5% в интервале 01 + 500 °С, и 19% в интервале 01 - 200 °С.

Применение градуировок гр.20 и гр.21 позволяет уменьшить габаритные размеры термоприемника; а применение градуировки гр.22 с более высоким сопротивлением термометра позволяет снизить относительную погрешность измерения, вызванную неточностью подгонки или изменением сопротивления соединительных проводов.

Применяемая техническая медь имеет постоянный температурный коэффициент сопротивления в интервале от -50 до +180°С, равный . Сопротивление термометра в этом интервале температур выражается зависимостью

( 3 )

Медь дешева, легко получается в чистом виде, ее недостатки - низкое удельное электрическое сопротивление и легкая окисляемость, ограничивающая область измеряемых температур.

Выпускаемые стандартные медные технические термометры имеют при градуировке гр.23 сопротивление R0 = 53 Ом и при градуировке гр.24 R0 = 100 Ом с допускаемым отклонением ±0,1%.

Конструкции термометров сопротивления могут быть разнообразными в зависимости от условий применения (измерение температуры жидкостей и газов в трубопроводах и аппаратах, измерение температуры стенок котлов, трубопроводов и т.п.) и требований к инерционности.

На рис.2 представлена конструкция термометра сопротивления.

Рис.2

Платиновая или медная проволока (1) наматывается бифилярно на слюдяную пластинку (2), на которой имеются мелкие зубцы. Для изоляции обмотка закрывается с обеих сторон слюдяными пластинками (3). Улучшение условий теплообмена термочувствительного элемента со средой достигается применением пластинок (4) С - образного сечения из фольги. Пластинки 2, 3 и 4 склепываются и плотно вставляются внутрь кожуха. Материал кожуха и толщину его стенок выбирают в зависимости от допустимого давления и химических свойств среды, а также пределов измеряемой температуры. Для изготовления кожухов чаще всего применяют сталь, латунь, медь и алюминий. Длина L активной части термометров, выпускаемых отечественной промышленностью, может быть выбрана при заказе в пределах от 160 до 1250 мм.

По инерционности технические термометры сопротивления разделяются на термометры большой инерционности (постоянная времени до 4мин.), средней инерционности (до 1мин. 20с) и малой инерционности (до 9с). Инерционность определяется главным образом конструкцией чувствительного элемента и его защитной арматурой.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Наряду с металлическими проводниками в последнее время для изготовления преобразователей электрических термометров начинают применять полупроводниковые термосопротивления - термисторы, представляющие собой смесь окислов MnO2, CuO3, Fe2O3, NiO, VO2 и др., спрессованную и запеченную при высокой температуре.

Термисторы отличаются от проводниковых металлов и сплавов весьма высоким удельным электрическим сопротивлением, а также тем, что для них характерно уменьшение сопротивления при нагревании, т.е. отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При этом сопротивление термистора меняется очень сильно. Температурные коэффициенты сопротивления термисторов могут быть в десятки, сотни и тысячи раз больше (по абсолютной величине), чем у проводниковых металлов.

Температурная зависимость сопротивления большинства применяемых полупроводниковых материалов для не слишком широкого диапазона температур можно выразить формулой

( 4 )

где, RT и RT0 - сопротивление полупроводникового элемента при абсолютных температурах Т и Т0

В - постоянная, выражаемая в град. абсолютной шкалы, определяемая экспериментально

e - основание натуральных логарифмов.

Как следует из формулы (4) зависимость сопротивления от температуры для термисторов нелинейная, т.е. температурный коэффициент сопротивления у них непостоянен.

Благодаря высокому удельному электрическому сопротивлению оказывается возможным изготовить термосопротивления очень малых размеров, обладающие высоким сопротивлением порядка десятков и сотен тысяч Ом при комнатной температуре. При таком высоком сопротивлении чувствительного элемента практически исключается погрешность измерения температуры, связанная с изменением сопротивления соединительных проводов и других элементов электрической схемы термометра.

Высокие температурные коэффициенты сопротивления придают полупроводниковым термометрам весьма высокую чувствительность, что делает их особенно пригодными для измерения температур в сравнительно узких интервалах с высокой точностью. Небольшие размеры и малый вес чувствительного элемента способствуют уменьшению инерционности (постоянная времени до 0,1с) и в сочетании с высокой чувствительностью позволяют производить такие измерения, как измерение температуры живых тканей, температуры миниатюрных объектов и т.п.

Недостатками полупроводниковых термометров сопротивления являются пока еще недостаточная стабильность их электрических свойств во времени при высоких температурах, а также большой разброс по величине температурного коэффициента (порядка ±10%) даже в пределах партии чувствительных элементов с одинаковыми номинальными характеристиками.

В настоящее время различные типы термисторов успешно применяются для технических и лабораторных измерений температуры в диапазоне от-271 до +650°С.

На рис.3 приведены градуировочные кривые термисторов ММТ и КМТ и для сравнения - градуировочная кривая медного термометра сопротивления.

Наиболее распространенными термисторами являются ММТ-1; ММТ-4; КМТ-1; КМТ-4. Буквы ММ и КМ обозначают материал, из которого изготовлено сопротивление, а цифры – разновидности конструктивного оформления.

Рис.3

На рис.4а и рис.4б соответственно представлено конструктивное оформление термисторов ММТ-1 и КМТ-1 (негерметичное) и ММТ-4, КМТ-4 (герметичное).

В обоих вариантах термосопротивлением является цилиндрический стержень диаметром около 1,8 мм и длиной 12 мм из полупроводникового материала, на конце которого находятся металлические наконечники с лепестками. При герметичном исполнении термосопротивление (2) помещают внутрь металлического чехла (4). В термосопротивлении имеются выводы от наконечников (5), которые проходят в нижней части чехла, через слой олова (6), а в верхней - через отверстие в стеклянной пробке (1). Для улучшения условий теплоотдачи от стенок чехла к телу термосопротивления последнее обернуто металлической фольгой (3), поверхность которой для электроизоляции покрыта эмалевой краской. Для получения малой постоянной времени отечественная промышленность выпускает микротермосопротигления КМТ-14 в виде бусинки диаметром порядка 0,1 мм, помещенной на конец тонной стеклянной трубки.

Рис.4а и 4б

Наряду с термосопротивлениями в качестве первичных преобразователей при измерении температуры в последнее время начали применяться полупроводниковые диоды и триоды, характеристики которых зависят от температуры. Недостатком этих преобразователей, как и термисторов является разброс параметров. Применение полупроводниковых диодов и триодов может быть оправдано в условиях повышенных вибрационных, и ударных перегрузок.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Построение графиков:

1)Зависимость сопротивления от температуры (термосопротивление):

2) Зависимость сопротивления от температуры (терморизистор):