В. А. Никитин с. В. Бойко

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 R_t термопреобразователя сопротивления и его температурой t (т. е. R_t = f(t) — градуировочная характеристика), то, измерив R_t, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен. Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от - 260 до + 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 R_t = f(t) , по возможности высокое значение

температурного коэффициента электрического сопротивления
  ¹
R_t
dR_{t ,} dt

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 R₁₀₀/R₀ и (где R₀ и R₁₀₀— электрические сопротивления металла при 0 и 100 °С соответственно). Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в нем механических напряжений, принято характеризовать значениями R₁₀₀/R₀ и
. При снятии механических напряжений в металле путем его отжига

 R

0
указанные характеристики достигают своих предельных значений для данного металла. Изменение сопротивления материала с изменением температуры от 0

до 100 °С характеризуется коэффициентом 


0,100


100
 R₀
/ R
100 . Металлы

имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для большинства чистых металлов он равен 4-10-³—6.10-^{3 о}C^-1, что составляет увеличение электрического сопротивления при повышении температуры на один градус примерно на 0,4—0,6 % от сопротивления при 0 °С. Для изготовления стандартизованных термопреобразователей сопротивления в настоящее время применяют платину и медь. Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна и 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 - 260 до + 1100 °С, при этом для диапазона температур от - 260 до +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 и чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от —50 до +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  t , где   4,26 10 C . Никель и железо
3 ^o 1

благодаря своим относительно высоким температурным коэффициентам электрического сопротивления и сравнительно большим сопротивлениям хотя и используются для измерения температуры в диапазоне от - 50 до + 250 °С, однако широко не применяются. Это связано с тем, что градуировочная характеристика их нелинейна, а главное, не стабильна и не воспроизводима, и потому термопреобразователи сопротивления, изготовленные из этих металлов, не стандартизованы. Конструкция технических термометров с металлическим

.термопреобразователем сопротивления показана на рисунке 14.143.
Тонкая проволока или лента / из платины или меди наматывается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой проволоки каркас вместе с проволокой покрывают слюдой. Длина намотанной части каркаса с платиновой проволокой 50—100 мм, а с медной—40 мм. Каркас для защиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3, а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части каркаса между последней и защитной гильзой 3 устанавливаются упругие металлические пластинки 4 или массивный металлический вкладыш. Помимо наматываемого проволокой каркаса используются двух- и четырехканальные керамические каркасы. В каналах размещают проволочные платиновые спирали, которые фиксируются в каналах каркаса с помощью термоцемента на основе оксида алюминия и кремния.
При изготовлении медных термопреобразователей сопротивления применяют безындукционную бескаркасную намотку. В качестве материала используют изолированную медную проволоку диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. Гильзу 3 с её содержимым помещают во внешний, обычно стальной, замкнутый чехол 5, который устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 6. На внешней стороне чехла располагается соединительная головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы 9. Термопреобразователи сопротивления по внешнему виду и размерам аналогичны термоэлектрическим преобразователям.
Динамическая характеристика термопреобразователей может быть

представлена передаточной функцией вида