Термопреобразователи сопротивления

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между электрическим сопротив­лением Rt термопреобразователя сопротивления и его температу­рой t, то, изме­рив Rt, можно определить значение температуры среды, в кото­рую он погружен.

Термопреобразователи позволяют надежно измерять темпера­туру в пределах от —260 до +1100°С. К металлическим провод­никам термопреобразователей сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспе­чивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразова­телей сопротивления. К числу не основных, но желательных тре­бований относятся: линейность функции Rt=f(t), по возможности высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления , большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала.

Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным основным требованиям и тем больше значения отношения R₁₀₀/R₀ и (где Ro и R₁₀₀ — электрические сопротивления металла при 0 и 100 °С соответст­венно). Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в нем механических напряжений, принято характеризовать значениями R₁₀₀/R₀ и . При снятии механических напряжений в металле пу­тем его отжига указанные характеристики достигают своих пре­дельных значений для данного металла.

Изменение сопротивления материала с изменением температу­ры от 0 до 100°С характеризуется коэффициентом . Металлы имеют положительный температурный ко­эффициент сопротивления. Для большинства чистых металлов он равен , что составляет увеличение электриче­ского сопротивления при повышении температуры на один градус примерно на 0,4—0,6% от сопротивления при 0°С. Для изготов­ления стандартизованных термопреобразователей сопротивления в настоящее время применяют платину и медь.

Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет доста­точно большой температурный коэффициент сопротивления, рав­ный , и высокое удельное сопротивление Ом*м. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от —260 до +1100°С, при этом для диапазона температур от —260 до +750°С используются плати­новые проволоки диаметром 0,05—0,1 мм, а для измерения тем­ператур до 1100°С, в силу распыления платины при этих темпе­ратурах, диаметр проволоки составляет около 0,5 мм. Значение отношения R₁₀₀/R₀ для применяемых платиновых проволок состав­ляет 1,3850—1,3910.

Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наи­более точными первичными преобразователями в диапазоне тем­ператур, где они могут быть использованы. Платиновые термо­преобразователи сопротивления используются в качестве рабочих, образцовых и эталонных термометров. С помощью послед­них осуществляется воспроизведение международной шкалы тем­ператур в диапазоне от —182,97 до 630,5 °С.

Недостатком платины является нелинейность функции Rt=f(t) и, кроме того, платина — очень дорогой металл.

Медь — один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от —50 до +200°С. При более высоких температурах медь активно окис­ляется и потому не используется. Диаметр медной проволоки обычно 0,1 мм, а значение отношения R₁₀₀/R₀ составляет 1,4260— 1,4280. В широком диапазоне температур зависимость сопротив­ления от температуры линейна и имеет вид , где .

Никель и железо благодаря своим относительно высоким тем­пературным коэффициентам электрического сопротивления и сравнительно большим сопротивлениям хотя и используются для измерения температуры в диапазоне от —50 до +250°С, однако широко не применяются. Это связано с тем, что градуировочная характеристика их нелинейна, а главное, не стабильна и не вос­производима, и потому термопреобразователи сопротивления, из­готовленные из этих металлов, не стандартизованы.

Конструкция технических термометров с металлическим термопреобразователем сопротивления показана на рис. 36

Тонкая проволока или лента 1 из платины или меди наматы­вается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стек­ла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой проволоки каркас вместе с проволокой t покрывают слюдой. Длина намотанной части каркаса с платиновой проволокой 50—100 мм, а с медной—40 мм. Каркас для защиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3, а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части каркаса между последней и защитной гильзой 3 устанавливаются упругие металлические пластинки 4 или массивный металличе­ский вкладыш. Помимо наматываемого про­волокой каркаса используются двух- и че­тырехканальные керамические каркасы. В каналах размещают проволочные плати­новые спирали, которые фиксируются в ка­налах каркаса с помощью термоцемента на основе оксида алюминия и кремния.

Рис. 36 Конструкция термометра с металлическим термопреобразователем сопротивления

При изготовлении медных термопреобра­зователей сопротивления применяют безын­дукционную бескаркасную намотку. В каче­стве материала используют изолированную медную проволоку диаметром 0,08 мм, по­крытую фторопластовой пленкой. Гильзу 3 с ее содержимым помещают во внешний, обычно стальной, замкнутый чехол 5, кото­рый устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 6. На внешней стороне чехла располагается соединительная голов­ка 8, в которой находится изоляционная ко­лодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоля­ционные бусы 9. Термопреобразователи со­противления по внешнему виду и размерам аналогичны термоэлектрическим преобразо­вателям.

Динамическая характеристика термопре­образователей может быть представлена передаточной функцией вида

где К.— коэффициент преобразования; Т и — постоянная времени и время запаздыва­ния соответственно. Значения Т и зависят от размеров защитного чехла и его материа­ла, теплоемкости элементов, находящихся в чехле, а также от усло­вий теплообмена. Так, при скачкообразном нагреве от 30 до 100°С в баке с водой для термопреобразователя со стальным чехлом Т=120 с и =8 с, а для латунного чехла Т=120 с и =3 с.

Полупроводниковые, термопреобразователи сопротивления при­меняются для измерения температуры от —100 до 300 °С. В каче­стве материалов для них используются различные полупроводни­ковые вещества — оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия.

Основным преимуществом полупроводников является их боль­шой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 3—5%, что делает их очень чувст­вительным к изменению температуры. Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому даже при очень малых размерах обладают значительным номинальным электри­ческим сопротивлением (от нескольких до сотен килоом), что позволяет не учитывать сопротивления соединительных проводов и элементов измерительной схемы. Следствием же малых разме­ров полупроводниковых термопреобразователей сопротивления является возможность безынерционного измерения температуры.

Недостатком полупроводниковых материалов является их зна­чительная нелинейность и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. Поэтому полупроводниковые термопре­образователи сопротивления даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.

Исключением являются германиевые термопреобразователи сопротивления, которые при технических измерениях используют­ся для температур 30—90 К с погрешностью ±(0,05—0,1) К, а также специальный германиевый термопреобразователь, предназ­наченный в качестве эталонного термометра для воспроизведения температурной шкалы в интервале 4,2—13,81 К с погрешностью не более ±0,001 К.

Чувствительные элементы из полупроводников выполняются в виде цилиндров, шайб, бусинок малых размеров.

В силу указанных недостатков полупроводниковые термопре­образователи сопротивления редко используются для измерения температуры. Они находят широкое применение в системах тем­пературной сигнализации, вследствие присущего им релейного эффекта — скачкообразного изменения сопротивления при дости­жении определенной температуры. Кроме того, полупроводнико­вые термопреобразователи сопротивления используются в каче­стве чувствительных элементов в различных газоаналитических автоматических приборах.

ЛЕКЦИЯ 9

План лекции:

1. Измерение температуры

1.1 Средства измерений, работающие в комплекте с термопреобразователями сопротивления

Дата добавления: 2014-01-20