Измерение температуры термометрами сопротивления (термопреобразователями сопротивления)

Термометры сопротивленияявляются широко распространенными датчиками температуры, используемыми в диапазоне от -200 до 850°С.

Принцип действия их основан на способности материалов (металлов и полупроводников) изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Для изготовления термометровсопротивления в соответствии с ГОСТ Р 8.625-2006 используются чистые медь, платина и никель. Датчики из этих металлов имеют стабильные и воспроизводимые характеристики преобразования.

Важнейшими параметрами термометра являются его номинальное сопротивление R₀ и температурный коэффициент α_.

Номинальное сопротивление R₀, Ом, – это нормированное изготовителем сопротивление датчика при 0 °С. Значение выбирается из ряда: 10, 50, 100, 500, 1000 Ом.

Температурный коэффициент α;, °С^-1, - это параметр, определяемый по формуле

α = (R₁₀₀ – R₀) / (R₀·100), (3)

 

где R₁₀₀– сопротивление термометра при температуре 100 °С, Ом.

Термометрысопротивления выпускаются с классами допуска АА, А, В и С. Под классом допуска понимается обобщенная характеристика термометра, определяющая допустимое отклонение от номинальной статической характеристики (НСХ), выраженное в °С. Класс допуска определяется чистотой материала (платины, меди, никеля) качеством изготовления термометра.

ГОСТ Р 8.625-2006 приводит уравнения, по которым можно рассчитать номинальные статические характеристики преобразования датчиков, т.е. вычислить сопротивление R_t при любой температуре t. Кроме того даны таблицы НСХ, рассчитанные по этим формулам и приведены уравнения, обратные НСХ, для расчета температуры по сопротивлению ТС.

Устройство проволочных термометров сопротивления представлено на рисунке 8. Чувствительный элемент датчика представляет проволоку 1 диаметром 0,07 или 0,1 мм, намотанную на каркас 2 из стекла, кварца, керамики, слюды или пластмассы. От чувствительного элемента идут выводы 3 к зажимам 4 головки 5. К этим зажимам присоединяются провода, идущие к измерительному прибору. Чувствительный элемент помещен в защитную оболочку 6. Выводы изолированы керамическими бусами 7. Вся конструкция помещена в защитный чехол 8. Для установки на объекте контроля датчик снабжен штуцером 9. Выпускаются также датчики с бескаркасными чувствительными элементами в виде компактно уложенного мотка проволоки.

Рисунок 8 – Конструкция проволочного термометра сопротивления

 

Относительно новой технологией изготовления датчиков является пленочная технология, при которой чувствительный элемент выполняется в виде тончайшей пленки металла (платины). Такой датчик имеет малые габариты (игольчатая конструкция с диаметром чехла до 2 мм).

Официальным названием термометров сопротивления до введения в действие ГОСТ Р 8.625-2006 было «термопреобразователи сопротивления», это название часто встречается в технической и справочной литературе.

Кроме металлов для изготовления датчиков температуры применяются также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана и их смеси. Большинство полупроводниковых материалов обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (сопротивление резко уменьшается с ростом температуры) и очень большим удельным сопротивлением. Это позволяет изготовлять очень малые по размерам датчики, обладающие высокой чувствительностью и малой инерционностью. Зависимость сопротивления полупроводникового термопреобразователя (термистора) от температуры может быть описана выражением:

(4)

где Т - измеряемая температура, К;

Т₀ - начальная температура, К (Т₀ = 293 К);

В - коэффициент, зависящий от материала полупроводника, К;

R_T и R₀ – сопротивления датчика при температурах Т и Т₀, 0м.

Значительным недостатком полупроводниковых датчиков является то, что они не отвечают требованию воспроизводимости. Технология получения полупроводниковых материалов не позволяет изготовлять датчики с идентичными параметрами, поэтому все они имеют индивидуальные характеристики преобразования, а разброс этих характеристик выражается различием сопротивления R₀ отдельных датчиков более чем в 1000 раз. Необходимость индивидуальной градуировки существенно ограничивает возможности широкого использования терморезисторов для измерения температуры. Основной областью применения терморезисторов являются системы температурной сигнализации, а для измерения температуры используются в основном проволочные термометры сопротивления (медные и платиновые).

Измерительный комплект с термометром сопротивления состоит из самого термометра, соединительных проводов, источника питания и электроизмерительного прибора (вторичного прибора), фиксирующего изменение сопротивления.

В качестве измерительных приборов термометров сопротивления применяют:

n уравновешенные мосты;

n логометры (омметры);

n неуравновешенные мосты (обычно служат для полупроводниковых терморезисторов).

 

Схема уравновешенного моста

В случаях, когда колебания температуры среды, окружающей соединительные провода, значительны и погрешность при измерении может превысить допустимую величину, применяют трехпроводную систему подключения, которая состоит в том, что одну из вершин моста переносят непосредственно к головке термометра. При таком присоединении сопротивление одного провода Rnp прибавляется к сопротивлению Rt, а сопротивление второго провода — к сопротивлению R2.