Металлические термометры сопротивления

Металлические термометры сопротивления (TС) широко применяют для измерения температуры в интервале от минус 260 до плюс 750 °С, в отдельных случаях – до 1100 °С.

Принцип действия ТС основан на свойстве металлов изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов проводимости на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов около своих положений равновесия.

В качестве материалов для изготовления ТС используют только чистые металлы, в основном платину и медь, поскольку другие металлы и сплавы обладают меньшим значением температурного коэффициента сопротивления и недостаточной воспроизводимостью термометрических свойств.

Этим требованиям в широком интервале температур удовлетворяет платина, при невысоком верхнем пределе измеряемой температуры – медь. Платиновые термометры обозначают ТСП, медные – ТСМ.

Зависимость сопротивления платинового термометра R_Т от температуры Т подчиняется следующим закономерностям (рисунок 3.1, кривая 1):

· при –200°С £ Т £ 0 °С:

R_T = R ₀[1 + АТ + ВТ ² + С (Т – 100) Т ³]; (3.1)

· при 0°С £ Т £ 750 °С:

R_T = R ₀[1 + А Т + В Т ²], (3.2)

где R ₀ – сопротивление термометра при Т = 0 °С, Ом, зависящее от обозначения градуировки термометра;

А = 3,96847 × 10^–3 °С^–1

В = –5,847 × 10^–7 °С^–2 – постоянные коэффициенты.

С = –4,22 × 10^–12 °C^–4

Рисунок 3.1 – Статические характеристики термометров сопротивления:

1 – платинового (ТСП); 2 – медного (ТСМ); 3 – термистора

К недостаткам ТСП следует отнести отклонение от линейного закона их градуировочных характеристик 1 рисунка 3.1. Однако устойчивость чистой платины в окислительной контролируемой среде и длительное время сохранения своих градуировочных данных в достаточной степени компенсируют указанный недостаток и позволяет считать ТСП наиболее точным из числа первичных преобразователей, предназначенных для измерения температуры в той же области.

К достоинствам ТСМ следует отнести дешевизну, простоту получения тонкой проволоки в различной изоляции, возможность получения проводниковой меди высокой чистоты и линейный характер градуировочной зависимости 2.

Зависимость электрического сопротивления медного термометра. R_t от температуры Т в интервале от –50 до 180 °С описывается линейным уравнением (рисунок 1, прямая 2):

R_t = R ₀ ( 1 + a _мT), (3.3)

где a _м = 2,26×10^–3 °С^–1 – температурный коэффициент электрического сопротивления.

К числу недостатков ТСМ относятся малое удельное сопротивление меди (r = 1,7×10^–8 Ом×М) и интенсивная окисляемость ее при невысоких температурах.

Чувствительность ТС характеризуется температурным коэффициентом сопротивления и пренебрегая незначительной кривизной градуировочных характеристик ТСП (т. е. В = С = 0), может быть в общем виде выражена равенством:

(3.4)

где a_тс – температурный коэффициент материала ТС, °С^–1, равный соответственно А или a _м.

Термометры сопротивления из чистых металлов изготавливают обычно в виде обмотки из тонкой проволоки диаметром от 0,05 до 0,1 мм на специальном каркасе из изоляционного материала. Эту обмотку называют чувствительным элементом ТС. В целях предохранения от возможных механических повреждений и воздействия контролируемой среды, чувствительный элемент термометра заключают в специальную защитную гильзу.

Особенности конструкции различных ТС представлены на лабораторном стенде и учебных плакатах.

Платиновые ТС в зависимости от назначения разделяются на эталонные, образцовые, лабораторные (повышенной точности) и технические. Медные ТС — только технические.

Технические ТСП изготавливаются с номинальными значениями сопротивления при 0 °С (R ₀), равными 10, 50, 100 Ом, которым присвоено обозначение градуировки соответственно 10 П, 50 П и 100 П, (устаревшее обозначение гр. 20, гр. 21 и гр. 22). Предназначаются для измерения температуры от минус 200 до плюс 650 °С.

ТСП с гр. 10 П (R ₀= 10 Ом) целесообразно применять для измерения температуры выше 200 °С, для низких температур (ниже 0 °С) – ТСП с гр. 50 П (R ₀ = 50 Ом) или гр. 100 П (R ₀= 100 Ом).

Для медных ТС величины R ₀ установлены также равными 10, 50 и 100 Ом, которым присвоено обозначение градуировки соответственно 10 М, 50 М и 100 М (устаревшее обозначение гр. 50 М и 100 М – гр. 23 и гр. 24). Применяются ТСМ для измерения температуры от минус 50 до плюс 200 °С.

К числу достоинств ТС следует отнести: высокую степень точности измерения температуры; возможность выпуска измерительных приборов к ним со стандартной градуировкой шкалы; возможность централизованного контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору; возможность использования их с информационно-вычислительными машинами.

Основными недостатками ТС являются: большие размеры, не позволяющие использовать их для измерения температуры в малых объемах, значительная инерционность (постоянная времени до нескольких минут), необходимость в постороннем источнике и учете сопротивления подводящих проводов.