Термометры сопротивления

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойствах проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Таким образом, омическое сопротивление является функцией температуры, вид ее зависит от свойств материалов.

Требования к проводниковым материалам:

  • Металл не должен окисляться и вступать в химическое взаимодействие с окружающей средой. Должен обладать высокой воспроизводимостью электрическолго сопротивления во всем интервале рабочих температур.
  • Температурный коэффициент электрического сопротивления должен быть достаточно большим и неизменным.

    R — сопротивление
    R0 — сопротивление при t0
    dR — изменение сопротивления в диапазоне температур dt.
    Если t = 0…100,          
    Для большинства чистых металлов α ≈ 4·10-3 [1/°С]
  • Функциональная зависимость сопротивления от температуры должна быть прямой или плавной кривой без резких отклонений и явлений гистерезиса.
  • Удельное электрическое сопротивление металла должно быть достаточно большим.

Таким требованиям наиболее полно отвечает Pt и Cu, а также Ni и Fe. Наиболее часто используют Pt и Cu.


 

Характеристики Pt (платина)


α = 3,9·10-3 1/°С.

При температуре от 0 до 650°С сопротивление определяется по формуле: Rt = R0·(1 + at + bt2)
При температуре от -200 до 0°С по формуле Rt = R0·(1 + at + bt2 +с (t-100)·t3)

a, b, с — постоянные коэффициенты, полученные при градуировке термометра по точке кипения кислорода, воды, серы.

a = 3,96847·10-3,     1/°C
b = -5,847·10-7,        1/°C2
с = -4,22·10-12,         1/°C4

R100/R0 = 1,391.

Зависимость сопротивления от температуры нелинейна, нелинейность не превышает 5% в интервале температур от 0 до 500 градусов и 19% в интервале температур от -200 до 0°С.
Недостаток материала: платина дорогая.


Характеристики Cu (медь)

Положительные стороны материала: низкая стоимость и легкость получения в чистом виде; высокий температурный коэффициент сопротивления α = 4,26·10-3 1/°С и линейная зависимость сопротивления от температуры.

Rt = R0·(1+α · t)

Минусы материала: маленькое сопротивление (0,017 Ом·мм2/м) и легкая окисляемость при температуре выше 100°С.

R100/R0 = 1,426


Характеристики Ni и Fe (никель и железо)

Обладают высоким температурным коэффициентом сопротивления.

α (Ni) = 6,21÷6,34·10-3 1/°С

α (Fe) = 6,25÷6,57·10-3 1/°С

и высокое удельное электрическое сопротивление материала

ρ (Ni) = (0,118÷0,138) Ом·мм2

ρ (Fe) = (0,055÷0,061) Ом·мм2

Минусы: трудно получить материалы в чистом виде, результаты измерений невоспроизводимы и зависимости сопротивления от температуры не могут быть описаны простыми эмпирическими формулами.


Конструкция платинового термометра сопротивления (ТСП)

термометр сопротивленияСерийно выпускают тип ТСП (платиновые термометры сопротивления) для температур от -260°С до +750°С и ТСМ (медные термометры сопротивления) для температур от -50°С до +180°С.

Чувствительный элемент ТСП состоит из двух платиновых спиралей (1), расположенных в каналах керамического каркаса (4). К верхним их концам припаивают платиновый или иридий-родиевые выводы (2). Для крепления платиновых спиралей используют термоцемент на основе Al2O3 и Si2O3. Спираль запаяна в точке (5). Пайку обеспечивают для подгонки сопротивления при 0°С.

В настоящее время существует несколько градуировочных шкал для ТСП — ГР20, ГР21, ГР22: для R0 = 10, 40, 100 Ом соответственно.

Для чувствительных элементов ТСМ (термометры сопротивления медные) — градуировка ГР23, ГР24 с R0 = 53, 100 Ом соответственно.

Для изготовления термометров сопротивления применяют полупроводники, ТКС (температурный коэффициент сопротивления) которых α = 3÷4·10-2 1/°С. Они имеют маленькие размеры, обладают более сложной функциональной зависимостью R от температуры.

термометр сопротивления

T — абсолютная температура, К
А, В — коэффициенты, которые определяются экспериментальным путем.

Используемые полупроводниковые материалы: оксиды титана, магния, железа, магния, кобальта, никеля, меди, кристаллы Si и Ge, с примесями или без них.

Типы сопротивлений: ММТ-1, ММТ-4, КМТ-1, КМТ-4.

Минусы полупроводниковых материалов: плохая воспроизводимость, что усложняет их взаимозаменяемость, невысокий диапазон рабочих температур (-60°С до +180°С).


Измерительные приборы для термометра сопротивления

термометр сопротивленияКак правило, термометры сопротивления для измерения температуры включают в мост Уитстона. Реально мост состоит из четырех сопротивлений: R1 и R4 — постоянные и равны; R2 — подстроечный; Rt — термометр сопротивления. Равновесие моста достигается подстройкой резистора R2, в этом случае эл. ток равен нулю, следовательно падения напряжения на всех четырех резисторах одинаково.

R1·I1 = R3·I3
R2·I2 = Rt·It

при условии I1=I3, I2=It, I0=0

Rt = R2 ·R3/R1

(при этом не учитывается сопротивление проводников).

При изменении температуры сопротивление резистора Rt изменяется, сопротивления R2, R3, R1 — неизменно, то есть

Rt ≠ R2·R3/R1

В этом случае I0 > 0:      I0 = f1(Rt) = f2(T)

Если измерительный прибор обладает высоким входным сопротивлением, то в диагонали bd можно измерить напряжение U = f3(T). Как правило, в современных приборах обепечивается автоматическая подстройка мостов, обеспечивая компенсацию погрешности за счет сопротивления проводников и измерения проводятся с точностью не менее 1%.