Электрические термометры сопротивления.

На практике для измерения температур до 650 °С применяют термометры сопротивления (TC), принцип действия которых основан на использовании зависимости электри­ческого сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью (до 0, 02 °С), передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.

В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники. Изменение электросопротивле­ния данного материала при изменении температуры характери­зуется температурным коэффициентом сопротивления α (1/°С), который вычисляется по формуле:

α =(R_t-R₀)/(R₀t), (3.8)

где t — температура материала, °С;

R_t, R₀ —электросопротивление соответственно при 0 °С и

температуре t, Ом.

Чистые металлы имеют практически линейную зависимость электросопротивления от температуры и положительный температурный коэффициент сопротивления, достигающий 0, 004— 0, 006 1/º С, т. е. увеличение температуры на один градус приводит к повышению сопротивления приблизительно на 0, 4 — 0, 6% от величины электросопротивления при 0 °С.

Сопротивление полупроводников с увеличением температуры резко уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, практически на порядок больший, чем у металлов. Полупроводниковые ТС в основном применяются для измерения низких температур (1, 5—400 К).

Материал чувствительного элемента ТС должен иметь высокое удельное сопротивление, что обеспечивает небольшие габариты термометра; значительный коэффициент, α для получения высокой чувствительности устройства; хорошую воспроизводимость со­става; стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды при повышенных температурах; стабильность характеристики во времени; хорошие экономические показатели; линейность характеристики.

Наиболее хорошо указанным требованиям отвечают платина [интервал температур (— 260) ÷ (+750 °С) ] и медь [интервал (— 50)÷ (+180°С)]. Специальная конструкция платинового термометра сопротивления (ТСП) позволяет повысить верхний предел измерения до 1065 °С.

Платина является основным материалом для изготовления ТС. Она характеризуется достаточно высоким удельным сопротивле­нием (ρ ₀ = 0, 0981·10^-6 Ом·м), устойчива к окислительной среде, имеет стабильную и хорошо воспроизводимую градуировку от партии к партии. К недостаткам следует отнести высокую стоимость, возможность загрязнения и охрупчивания в восстановительной среде и др. Однако достоинства платины обеспечивают наиболее точные измерения температур с помощью ТСП (классы точности 1 и 2).

К достоинствам меди следует отнести низкую стоимость, линейную зависимость сопротивления от температуры, возможность получения тонкой проволоки высокой степени чистоты и в различ­ной изоляции. Недостаток медных термометров сопротивления (ТСМ) заключается в низком верхнем пределе измерения (180 °С), что вызвано значительным окислением меди при высоких температурах из-за разрушения изоляции (классы точности 2 и 3). Медь имеет малое удельное сопротивление (ρ ₀= 0, 0155·10^-6 Ом·м).

В диапазоне температур от —50 до +180 º С сопротивление меди находится в линейной зависимости от температуры:

R_t = R₀ (1 + α ·t),

где R₀ и R_t — соответственно сопротивления ТСМ при температурах 0 и t°C, Ом.

В качестве чувствительного элемента в полупроводниковых термометрах сопротивления (ТСПП) используют германий, окиси меди и марганца, титана и магния и др.

Зависимость сопротивления ТСПП от температуры в пределах от —100 до +300°C определяется следующими выражениями:

для температур < 100°С

R_t=AT^b℮ ^B/T; (3.9)

для температур < 25°С

R_t=A℮ ^B/T, (3.10)

где R_t — сопротивление данного ТСПП при температуре Т, Ом,

Т — температура, К;

А, b, В — постоянные коэффициенты, определяемые материалом и конструкцией ТСПП.

Достоинствами ТСПП являются небольшие габариты, малая инерционность, высокий коэффициент α. Однако они имеют и существенные недостатки:

1) нелинейный характер зависимости сопротивления от темпе­ратуры;

2) отсутствие воспроизводимости состава и градуировочной характеристики, что исключает взаимозаменяемость отдельных ТС данного типа. Это приводит к выпуску ТСПП с индивидуальной градуировкой. На производстве данные приборы имеют ограниченное применение.

При измерении температуры с помощью ТС необходимо учитывать, что чувствительный элемент у металлических ТС имеет большую длину, и полученный результат характеризует среднюю температуру измеряемой среды в данном районе. Другим источни­ком методической погрешности является наличие тока, протекающего через чувствительный элемент ТС и вызывающего его нагрев, что может исказить картину теплообмена в месте измерения. При температуре тающего льда величина этой погрешности для ТСП и ТСМ не превышает соответственно 0, 2 и 0, 4 °С (рассеиваемая мощность ТС < 10 мВт).