Термометры сопротивления. Особые типы механических термометров

Особые типы механических термометров

Измерение расхода сужающими устройствами.

Лекция 27.03.2013 г.

Наряду с описанными классическими приборами для измерения температуры, которые можно отнести к механическим термометрам, имеется еще ряд других методов, основанных на совершенно иных физических или химических эффектах. Большинство из них имеет значительные недостатки, по­этому они не нашли распространения в обычной промышленной практике и могут быть использованы только в особых случа­ях. Часто эти методы являются слишком неточными или зависят от субъективной чувствительности оператора (например, ко­нусы Зегера (пироскопы), термоиндикато­ры плавления, покрытия, изменяющие цвет при изменении температуры). Правда, в не­которых случаях достигается требуемая точность, однако слишком велики при этом затраты на аппаратуру (например, акусти­ческие термометры).

Механические термометры надежны, дешевы, просты в обслуживании. Но у них имеется один существенный недостаток: их сигналы не могут быть переданы на боль­шие расстояния и не могут быть объедине­ны с другими информационными сигналами для дальнейшей обработки. Поэтому в про­мышленной практике температуру измеряют восновном термометрами, основанными на изменении электрических свойств веществ при изменении температуры. Важнейшими методами, с помощью которых можно ре­шить практически все проблемы измерения температуры, являются определение поло­жительного или отрицательного изменения сопротивления металлов или полупровод­ников (термометров сопротивления), а также определение изменения термоэлектро­движущих сил пар, составленных из двух металлов или из металла и сплава (термоэлектрических термометров).

Электрическое сопротивление большинст­ва материалов существенно изменяется с температурой. В других областях этот эффект является помехой. В данном случае он используется в качестве принципа измерения температуры. У металлических проводников эта температурная зависимость
связана со свободными электронами связи в металлической решетке. При падении температуры уменьшаются тепловые коле­бания ионов около своих положений равно­весия. Это приводит к уменьшению рассеяния электронов на неоднородностях кри­сталлической решетки и, следовательно, к уменьшению электрического сопротивления.

В полупроводниках обычно наблюдается недостаток электронов проводимости. Элек­троны, необходимые для электропроводности, освобождаются главным образом за счет подвода тепловой энергии (повышения
температуры). Таким образом, при росте температуры полупроводников их электри­ческое сопротивление падает.

Металлические термометры сопротивле­ния. Зависимость сопротив­ления металли­ческих проводников от температуры может быть с весьма высокой точностью описана уравнением третьей степени. При обычных требованиях к точности ограничиваются квадратичной или даже линейной зависи­мостью

∆R = αR∆t или R_t = R₀ (l +α t),

где R, R₀, R_t — величина сопротивления проводника в исходном состоянии, при 0° С и при температуре t° С, соответственно, Ом; α – линейный температурный коэффициент сопротивления, 1/К.

Температура t,° С

Рисунок 1. Температурные характеристики металлических термометров сопротивления: Ni – никель; Pt - платина

Никель используется для измерения темературы от − 60 до +180° С, платина от − 220 до 750° С, а в нейтральной атмо­сфере до 1000°С. Поэтому платиновые термометры сопротивления получили наибольшее распространение в промышленной практике. Если металл, применяемый для изго­товления термометров сопротивления является очень чистым, то достигается высокая точность измерения. По этой причине платиновые термометры сопротивления используются для воспроизведения международной практической температурной шкалы (МПТШ) в интервале от −182,97 до 630,5° С.

Полупроводниковые термометры сопротив­ления. Их тоже называют терморезисторами (термочувствительными резисторами). Име­ются два различных типа терморезисторов: с отрицательным (NTC-терморезисторы) и положительным (РТС-терморе­зисторы, позисторы) температурным коэффициентом сопротивления.

Сопротивление терморезисторов лежит в интервале от 1 кОм до 1 МОм, так что изменение сопротивления клемм и соединительных проводов не имеет значения и им можно пренебречь.

Температура t,° С

Рисунок 2. Температурные характеристики полу­проводниковых термометров сопротивления:

1 - обычного NTC-терморезистора; 2 - высоко­температурного NTC-терморезистора;

3 - РТС-терморезистора

NTC-терморезисторы состоят главным образом из смесей окисей металлов, которые при высоких температурах сплавляются в форме маленьких шариков, пластинок, стерженьков. Благодаря малым их размерам обеспечиваются хорошие динамические, свойства термометров. С другой стороны, несовершенство процесса изготовления яв­ляется основным источником высокого разброса характеристик образцов. Оно компен­сируется цепью сопротивлений, не завися­щих от температуры, при этом компенсация должна производиться отдельно для каж­дого прибора. Пределы измерения для обычных NTC-терморезисторов лежат в интервале от −100 до 400° С.

Имеются специальные высокотемпературные терморезисторы (ITT-Standart) с диапазоном измерения от 500 до 1000° С. Точность NTC-терморезисторов в за­висимости от электрической измерительной схемы составляет 0,1—1% от диапазона измерения.

РТС-терморезисторы состоят из сегнетоэлектрических керамических материалов. До определенной температуры они имеют положительный температурный коэффици­ент. Интервал рабочих температур состав­ляет от 20 до 200° С, но диапазон измере­ния, выбираемый в этом интервале, состав­ляет только примерно 20° С. В этом интер­вале сопротивление изменяется на несколько
десятков процентов. В связи с таким узким диапазоном измерения, а также из-за недостаточно высокой воспроизводимости и стабильности РТС-терморезисторы могут быть использованы только в качестве чувст­вительных элементов в системах защиты от перегрева (например, электрических двигателей).

Это позволяет избежать гальванической связи подключаемых приборов. Диаметр чувстви­тельных элементов изменяется от 1 до 6 мм, а их длина — от 6 до 60 мм. Разра­ботаны чувствительные элементы, соедини­тельные провода которых помещены в гиб­кую защитную оболочку, что позволяет осу­ществлять измерение температуры в труднодоступных местах. Радиус изгиба должен быть не менее трех диаметров защитной оболочки.

В отличие от металлических полупровод­никовые чувствительные элементы могут быть изготовлены весьма малых размеров, например в виде

провода (при равных сечениях) имеют оди­наковое сопротивление и включены попарно в смежные плечи моста, то величина их со­противления, а следовательно, их длина и их температура не играют никакой роли. Так как полупроводниковые термометры имеют большое сопротивление, то при их использовании не требуются подгонка со­противления соединительных проводов, а также рассмотренные выше специальные схемы включения.

Собственный нагрев термометров сопротивления. Под собственным нагревом пони­мают увеличение температуры термометра на ∆t по сравнению с измеряемой темпера­турой за счет выделения в нем тепла при прохождении через него измерительного то­ка. Это повышение температуры ∆t явля­ется дополнительной погрешностью. Она зависит от величины измерительного тока i и от условий теплоотвода от термометра в окружающую среду.

Рисунок 3. Допустимые значения тока i через

термометр сопротивления и падение напряжения

U на нем (пример)

Последние зависят от материала и размеров термометра, а также от состояния и термических свойств окружающей среды. Обычно фирмы, изготавливающие чувствительные элементы термометров, для каждого типа термометров указывают максимально допустимые значения тока через термометр и падения напряжения на нем в виде диаграммы (рисунок 3). Только в левой, возрастающей ветви характеристики чувствительный элемент может быть использован при определенных краевых условиях без искажений показаний за счет нагрева измерительным током. Например, платиновый чувствительный элемент (Pt 100) на керамическом каркасе в
металлической трубке при прохождении через него тока 3 мА нагревается в спокойной воде на 0,01− 0,02 К, в спокойном воздухе на 0,1 К; максимальный ток не должен превышать 10 мА. У малых NTC-терморезисторов максимальный ток может, быть равен нескольким микроамперам.

Дата добавления: 2014-01-05