Устройство и принцип действия термометра сопротивления

Термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от -200 до +650 °С.

Принцип действия термометра сопротивления основан на измерении электрического сопротивления проводников или полупроводников с измерением температуры. При увеличении температуры сопротивление ряда чистых металлов возрастает, а сопротивление полупроводников снижается. Конструктивное исполнение термометра сопротивления показано на рис. 4. Чувствительный элемент термометра сопротивления (см. рисунок 4а) представляется собой тонкую проволоку 3, намотанную бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас 1. Позицией 2 отмечена серебряная лента, позицией 4 – подводящие серебряные провода. Диаметр проволоки 3 может составлять 0, 05-0, 07 мм. Для изготовления термометров сопротивления наиболее пригодны по своим физико-химическим свойствам платина и медь. Электрическое сопротивление проволоки при температуре 0 °С строго определенное. Измеряя прибором сопротивление чувствительного элемента термометра сопротивления, можно определить его температуру. Чувствительность термометров сопротивления зависит от температурного коэффициента сопротивления материала, из которого изготовлен чувствительный элемент. Температурный коэффициент сопротивления представляет собой относительное изменение сопротивления теплочувствительного элемента термометра при нагревании его на 1 °С. Так, например, сопротивление элемента, выполненного из платиновой проволоки, при изменении температуры на 1 °С изменяется примерно на 39%.

Зависимость сопротивления металлов от температуры в небольшом интервале температур можно приближенно выразить уравнением:

,

где – сопротивление металлического проводника при температуре °С;

- сопротивление того же проводника при температуре °С;

- температурный коэффициент сопротивления.

Для платины , для меди .

Термометры сопротивления, например, по сравнению с манометрическими, обладают рядом преимуществ: более высокой точностью измерений, возможностью передачи показаний на большие расстояния, возможностью централизации контроля путем подсоединения нескольких термометров к одному измерительному прибору (через переключатель), меньшим запаздыванием в показаниях.

Недостаток термометров сопротивления – необходимость в постороннем источнике питания.

В качестве вторичных приборов в комплекте с термометром сопротивления обычно применяются автоматические электронные мосты и логометры. Для полупроводниковых термосопротивлений измерительными приборами обычно служат неуравновешенные мосты.

Следует отметить, что платина наиболее полно отвечает основным требованиям, предъявляемым к материалу чувствительного элемента термометра сопротивления. В окислительной среде она химически инертна даже при очень высоких температурах, но значительно хуже работает в восстановительной среде. В условиях восстановительной среды чувствительный элемент платинового термометра должен быть герметизирован.

а б

Рис.4. Устройство термометра сопротивления

Изменение сопротивления платины в пределах температур от 0 до +650 °С описывается уравнением:

,

Где – сопротивления термометра при 0°С и температуре соответственно;

- постоянные коэффициенты, значения которых определяются при градуировке термометра по точкам кипения кислорода и воды.

К достоинствам меди, как материала чувствительного элемента термометра сопротивления, следует отнести ее относительную дешивизну, легкость получения в чистом виде, сравнительно высокий температурный коэффициент сопротивления и хорошее соответствие линейной зависимости сопротивления от температуры.

К недостаткам медных термометров относится малое удельное сопротивление и легкая окисляемость при температуре выше 100 °С.

Достоинством полупроводниковых термосопротивлений является их высокий температурный коэффициент сопротивления, равный 3*10^-2(°С)^-1.

Кроме того, вследствие малой проводимости полупроводников, из них можно изготавливать термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической схемы термометра. Отличительной особенностью полупроводниковых термометров сопротивления является отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Для изготовления полупроводниковых термосопротивлений применяют окись титана, магния, железа, марганца, кобальта, никеля, меди и др., а также кристаллы некоторых металлов (например, германия) с различными примесями. Для измерения температуры часто применяются термосопротивления с отрицательным температурным коэффициентом сопротивлений типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5..КМТ-1 и КМТ-4. Для термосопротивлений типов ММТ и КМТ в рабочих интервалах температур сопротивление изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону.

Отечественной промышленностью серийно выпускаются платиновые термометры сопротивления (ТСП) для температур от -200 до +650 °С и медные термометры сопротивления (ТСМ) для температур от -60 до +180 °С. В этих пределах температур существует несколько стандартных шкал.

Согласно ГОСТ 6651-84 предусматриваются следующие типы номинальных статистических характеристик (НСХ): для ТСМ: 10М; 50М; 100М, для ТСП: 50П; 100П.

Cu100, Cu500, Pt100, Pt500 – обозначения НСХ чувствительных элементов западногерманской фирмы Censicon, используемые в ТПС ряда отечественных производителей.

Цифры указывают значение R₀, а буквы – материал ТПС.

В настоящее время еще пользуются номинальными статистическими характерами, имеющими обозначения 21, 22 для ТСП, и 23, 24 для ТСМ по ГОСТ 6651-59. При 0 °С сопротивление термометра градуировки 20 =10 Ом, градуировки 21 - =46 Ом, градуировки 22 =100 Ом.

Градуировочные таблицы по ГОСт 6651-59 приведены в приложении 1.