Принцип действия и область применения
Измерение температуры термометрами сопротивления (ТС) основано на зависимости электрического сопротивления R металлов или полупроводников от температуры. Для большинства металлов нагрев их на один градус приводит к росту сопротивления на 0,4 - 0,6%. Сопротивление большинства полупроводниковых материалов с ростом температуры уменьшается.
Для определения температуры по измеренному значению электрического сопротивления пользуются эмпирическими формулами или таблицами. Полупроводниковые ТС применяются обычно при низких температурах (до 100 К). При более высоких температурах их использование ограничено из-за нестабильности и большого разброса индивидуальных характеристик. В этом случае предпочтение отдается термометрам сопротивления на основе чистых металлов – медь, платина или никель ТС.
По сравнению с термопарами термометры сопротивления выгодно отличаются тем, что при прочих равных условиях характерный электрический сигнал получается на порядок большим по величине. По этой причине многократно увеличивается и отношение сигнал/шум.
Недостатками термометров сопротивления являются относительно большие габариты, с которыми связаны большая постоянная времени и опасность внесения возмущений в температурное поле объекта, и необходимость использования дополнительного источника питания. Требования, предъявляемые к материалу ТС: возможно более высокое значение температурного коэффициента сопротивления, высокое удельное сопротивление, что важно для уменьшения габаритов, химическая стойкость к воздействию окружающей среды, высокая стабильность и воспроизводимость физических свойств.
Обычно в качестве материала проводниковых термосопротивлений используются чистые металлы. Термометр сопротивления состоит в этом случае из тонкой металлической проволоки, бифилярно намотанной на каркас из изоляционного материала. Теплочувствительный элемент помещается в защитный термически и химически стойкий кожух и устанавливается в исследуемой среде. В целях уменьшения инерционности преобразователя принимаются меры по улучшению теплового контакта термочувствительного элемента со средой. С помощью медных проводов термометр сопротивления соединяется с электроизмерительным прибором и источником переменного или постоянного тока.
Остановимся кратко на особенностях наиболее распространенных термометров сопротивления – платиновых и медных.
Платиновые термометры сопротивлений. Наилучшим материалом для проволочных термометров сопротивления является платина. Высокая воспроизводимость зависимости R(T), высокое удельное сопротивление, химическая стойкость и пластичность платины, позволяющая изготовлять очень тонкие нити, делают ее в ряде случаев незаменимой. Платиновые термометры сопротивления (ТСП) используются в очень широком диапазоне температур: от - 200 до 1100°С, так как платина допускает нагрев до 1200°С без опасности окисления или плавления. В диапазоне температур от 0 до 1000°С платиновые ТС обеспечивают наибольшую точность измерений. Нестабильность градуировочной характеристики прецизионных термометров не превышает 0,001°С. Нижний предел измеряемой температуры ограничен требованием получения достаточной точности данных при измерении малых сопротивлений.
В диапазоне температур от -150 до 450°С для платинового термосопротивления можно использовать линейную зависимость вида R(t) = R0 (1 + αt), где t - температура в градусах Цельсия, R0 - сопротивление при 0°С , α = 3,95∙10-3 1/К.
Для стандартных термометров существуют градуировочные таблицы и установлены нормы на допустимые отклонения от градуировочных характеристик. Промышленность выпускает платиновые термометры с сопротивлением R0, равным 1, 5, 10, 50, 100 и 500 Ом.
В последние годы промышленность освоила изготовление платиновых термосопротивлений методом напыления. Это позволяет резко уменьшить габаритные размеры и тепловую инерционность таких датчиков.
Для медных термометров сопротивлений (ТСМ) уравнение преобразования практически линейное R(t) = R0 (1 + αt), где α - температурный коэффициент сопротивления. В интервале температур от -150 до 200°С α = 0,00428 1/К. К недостаткам меди относятся быстрое окисление проводов при температуре выше 180°С и малое удельное сопротивление. Удельное сопротивление меди (при 0°С ρм =1,55∙10-8 Ом∙м) в шесть раз меньше, чем у платины (9,81∙10-8 Ом∙м), поэтому габариты медного термометра, при прочих равных условиях, получаются большими, чем у платиновых ТС. Стандартная градуировочная таблица для медного ТС охватывает диапазон температур от -150 до 200°С. Промышленные ТСМ выпускаются с номинальным сопротивлением R0 равным 10, 50 и 100 Ом.
Для характеристики TC кроме температуроного коэффициента α, применяется также безразмерный температурный коэффициент W как отношение сопротивления датчика при температуре 100 °С к сопротивлению при температуре 0 °С. Для меди этот коэффициент W=1.4280, а для платины W=1.3850.
Достоинствами проволочных датчиков температуры являются надежность, простота конструкции, стабильность характеристики со временем и сравнительно высокая чувствительность. Они широко используются в системах термостатирования. Проволочный датчик в этом случае можно равномерно распределить по поверхности камеры термостата. При этом он будет измерять среднее значение температуры, что часто и требуется.
Подробные таблицы сопротивлений можно найти в справочниках, например, в электронном приложении к данному изданию имеется файл «НСХА_Термопреобразователи.xls», содержащий таблицы изменения сопротивлений в зависимости от температуры для основных видов термодатчиков.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|