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 Rt=f(t) - градуировочная характеристика, то, изме­рив Rt, можно определить значение температуры среды, в кото­рую он погружен. Градуировочные характеристики термометров сопротивления приводятся в справочной литературе.

Термопреобразователи позволяют надежно измерять темпера­туру в пределах от минус 260 до плюс 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 электрического сопротивления металла при 100 и при 0°С соответст­венно R100 /R0 и α. Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в нем механических напряжений, принято характеризовать значениями R100 /R0 и α.. При снятии механических напряжений в металле пу­тем его отжига указанные характеристики достигают своих пре­дельных значений для данного металла.

Для изготов­ления стандартизованных термопреобразователей сопротивления в настоящее время чаще всего применяют платину и медь.

Типы термопреобразователей сопротивления и их характеристики приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Характеристики термопреобразователей сопротивления

Из группы металлов наиболее пригодными для изготовления термометров сопротивления, являются платина (Pt) и медь (Си).

Выпускаются термометры сопротивления из никеля, железа, свинца, вольфрама, однако, в нашей стране широкого распространения они не получили.

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 3,94·10^-3 °С^-1, и высокое удельное сопротивление 0,1·10^-6 Ом·м. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от минус 260 до плюс 1100°С, при этом для диапазона температур от минус 260 до плюс 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 R_t=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 минус 50 до плюс 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 R_t=R₀(1+at), где a=4,26·10^-3 °С^-1.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления при­меняются для измерения температуры от минус 100 до плюс 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 процента, 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 плюс минус (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 плюс минус 0,001 К.

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

На рисунке 6 представлена конструкция термометра сопротивления, которая чаще всего используется для измерения температуры в трубопроводах и других аппаратах, находящихся под давлением

Рисунок 6 – Конструкция термометра сопротивления

. Для защиты от механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется, чувствительный элемент 2 и удлиняющие провода, армированные изоляцией, помещаются в специальную защитную арматуру. Арматура состоит их защитного чехла 1, неподвижного или передвижного штуцера 5 с сальниковым уплотнением (на рисунке не показано) и головки 7, прочно присоединенной к защитному чехлу.

В головке, снабженной крышкой 8 и штуцером под кабель 9, помещена розетка 6 из изоляционного материала с клеммами для присоединения удлиняющего кабеля, который соединяет термометр сопротивления с измерительным прибором или преобразователем. В качестве изоляции удлиняющих проводов термометра применяются одно- или двухканальные трубки или бусы 3, изготовленные из фарфора или ПВХ. Свободное пространство защитного чехла заполнено порошком окиси алюминия 4 (для улучшения теплопередачи).

На рисунке 7 показана конструкция чувствительного элемента платинового и медного термометров сопротивления. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рисунок 7,а) представляет собой платиновую спираль 1 из тонкой проволоки, помещенную в капиллярные каналы керамического каркаса 4.

К двум верхним концам этих спиралей припаяны платиновые или иридиевородиевые выводы 2, к которым привариваются удлиняющие проводники. Для крепления платиновых спиралей и выводов в керамическом каркасе используют глазурь или термоцемент 3.

Рисунок 7 - Конструкция чувствительного элемента:

а - платинового ТС; б - медного ТС.

1 - платиновая спираль; 2, 7 - выводы; 3 - термоцемент;

5 - медная проволока; 6 - фторопластовая пленка;

8 – металлическая гильза

Пространство между платиновыми спиралями и стенками канна-лов каркаса заполнено порошком окиси алюминия, который служит изолятором и улучшает тепловой контакт спиралей и каркаса.

Чувствительный элемент медного термометра сопротивления (рис. 7,б) представляет собой многослойную, безындукционную обмотку 5 из медной изолированной проволоки (диаметром 0,08 мм), намотанной на цилиндрический каркас из пластмассы и герметизированной с помощью фторопластовой пленки 6 (или слоя лака).

К концам обмотки припаяны медные выводы 7. Собранный чувствительный элемент помещают в металлическую гильзу 8, засыпают керамическим порошком и герметизируют.

Длина чувствительного элемента у платиновых термометров сопротивления составляет 30-120 мм, у медных - 60 мм.

Термометры сопротивления бывают одинарные и двойные, т.е. с одним и двумя чувствительными элементами. В последнем случае в общем защитном чехле расположены два одинаковых чувствительных элемента, подключаемых к двум отдельным вторичным приборам, установленным в разных местах.