Термопреобразователи сопротивления на основе металлов

Для металлов обычно принимают, что сопротивление является линейной функцией температуры, т.е.

, (6.15)

где R и R₀ – сопротивления, соответствующие температурам θ и θ₀; α– температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Уравнение (6.15) справедливо при малых отклонениях температуры.

Чувствительность терморезистора

При изменении температуры в широких пределах зависимость R от θ нелинейная.

При оценке средней чувствительности пользуются средним значением температурного коэффициента a_ср, вычисленным для определенного интервала температур, например от 0 до 100 °С.

Для изготовления проволочных терморезисторов применяют чистые металлы, поскольку они имеют большее значение температурного коэффициента, чем сплавы металлов. В таблице 6.2 приведены характеристики наиболее употребительных материалов проволочных терморезисторов.

Таблица 6.2

Характеристики материалов проволочных терморезисторов

На рисунке 6.8 приведены функции R/R₂₀ =f(q) для меди, никеля, платины и полупроводников.

Материалы, предназначенные для термочувствительного элемента, должны удовлетворять ряду требований: иметь стабильную и хорошо воспроизводимую монотонную зависимость сопротивления от температуры и достаточно высокое значение ТКС, определяемого выражением:

. (6.16)

Рис. 6.8. Характеристики термосопротивлений

Их физические и химические свойства должны оставаться стабильными во времени в рабочем диапазоне температур. Они не должны быть чувствительны к изменениям других внешних параметров, таких как давление, влажность, напряженность магнитного поля, загрязнение и др.

Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, никель. Полупроводники в настоящее время представляют широкий класс материалов также пригодных для изготовления чувствительного элемента термосопротивления.

Платиновые термопреобразователи сопротивления. Чистая платина - наилучший и наиболее распространенный материал для изготовления теплочувствительного элемента. К достоинствам платины следует отнести её сравнительно высокую химическую инертность вплоть до высоких температур, высокую температуру плавления, высокое удельное сопротивление. Платиновые термосопротивления (ТСП) используют для измерения температуры в диапазоне от – 260 до 1100 °С.

Зависимость сопротивления ТСП от температуры в диапазоне 0 – 630 °С хорошо аппроксимируется полиномом второй степени:

, (6.17)

где R и R₀ – сопротивления ТСП при температуре θ и 0 °С соответственно; А и В – коэффициенты (В<0).

Для температур ниже 0 °С справедливо соотношение:

. (6.18)

Для чистой платины: А= 3.940×10^-3; В= –5.8×10^-7; С= –4×10^-12.

Медные термопреобразователи сопротивления.Медная проволока, выпускаемая промышленностью, отличается достаточной степенью чистоты, и поэтому изготовленные из неё термометры обладают весьма хорошей взаимозаменяемостью. К достоинствам меди следует отнести линейную или близкую к линейной зависимость сопротивления от температуры (при изменении температуры от –50 до +180 °С сохраняется линейная зависимость R от θ), достаточно высокий ТКС, а также дешевизну проволоки. Недостатком меди является ее сильная окисляемость при повышенных температурах, что ограничивает температурный предел применения медных термосопротивлений (ТСМ). Серийно выпускаемые технические ТСМ применяются для температуры в диапазоне от – 200 до +200 °С.

Никелевые термопреобразователи сопротивления.Основными достоинствами никеля являются высокие значения ТКС (α=6,4 10^-3 К^-1) и удельного сопротивления. К числу недостатков никеля следует отнести значительную окисляемость при высоких температурах. Поэтому никелевые термосопротивления (ТСН) могут быть использованы для длительных измерений только до 150 °С, а для кратковременных – до 180 °С. Зависимость сопротивления ТСН от температуры описывается полиномом второй степени (6.17) с положительным коэффициентом при квадратичном члене. Наиболее существенным недостатком никелевой проволоки является зависимость коэффициента a от примесей в металле. Поэтому последовательно с резистором из никеля подключают резистор из материала с малым коэффициентом a (манганин). Меняя соотношение этих сопротивлений, можно добиться равенства суммарного коэффициента a для обеспечения взаимозаменяемости термопреобразователей.