Загальні теоретичні відомості про термометри опору

Вимірювання температури термометрами опору відноситься до контактних методів і грунтується на властивості провідників (металів) та напівпровідників змінювати свій електричний опір R в залежності від зміни їхньої температури (t). Резистори, які виготовлені із металу або напівпровідників (термістори) і які змінюють свій опір в залежності від їхньої температури називаються терморезисторами. В якості перетворювачів температури може використовуватись будь-який терморезистор або термістор, але в якості засобів вимірювання температури, тобто, засобів з нормованими метрологічними характеристиками (НМХ), використовують термометри опору (ТО). Термометрами опору називають терморезистори з НМХ.

Властивість терморезисторів змінювати свій опір від температури характеризується температурним коефіцієнтом a опору (ТКО), який визначається як відношення приросту опору dR терморезистора до приросту температури, що привела до цієї зміни при нагрівання, та до опору провідника R. В загальному вигляді ТКО при малих приростах температури dt визначається залежністю:

a = (dR / dt) ּ (1/ R) (1)

Для провідників (металів) - ТКО додатний і їхній опір зростає з

зростанням температури, а перетворювачі, які виготовлені із металевого дроту називають (в загальному) терморезисторами. У напівпровідників навпаки – ТКО від’ємний і їхній опір електричному струму падає із ростом температури, а перетворювачі, що виготовлені із напівпровідникових матеріалів, називають термісторами.

В більшості провідникових і напівпровідникових тіл залежність активного опору R від температури можна узагальнити формулою:

R = C ּ e^kT, (2)

де С та k – коефіцієнти, значення яких залежить від матеріалу, з якого

виготовлений терморезистор; крім цього, С залежить від геометричних розмірів терморезистора, а коефіцієнт k для напівпровідників - залежить і від темпе-

ратури; е – основа натуральних логарифмів; Т – абсолютна температура, К.

На практиці, як правило, температуру вимірюють за шкалою Цельсія t(°C) і, використовуючи співвідношення: T(К)= t(°C) + 273.15, приведена залежність (2) активного опору від температури t(°C) приймає вигляд:

R = C ּ e^{k(273.15 + t)} = C ּ e^273.15k ּ e^kt. (3)

Значення виразу: C ּ e^273.15k = R₀ – приймається за початковий опір тіла при

температурі 0°С і відповідно: R = R₀ ּ e^kt. (4)

Так як для провідникових термометрів коефіцієнт k не залежить від

температури, то формулу (4) можна переписати в іншому вигляді, розклавши її

в ряд Маклорена в залежності від температури:

R = R₀ ּ e^kt = f(0) + f (0) + f (0) + f (0) +…=

= R₀ (1+ t + t + t +…) = R₀ (1+ a ּ t + b ּ t² + γ ּ t +…), (5)

де f(0) та f (0), f (0), f (0),... – значенняфункції (3) в нулі тачастинні похідні.

ТО виготовляють із чистих металів (міді, платини, нікелю, вольфраму або заліза) і вони відповідають наступним вимогам: ■ мають монотонну без гістерезису характеристику перетворення R = f(t); ■ мають високий питомий електричний опір, а метал ТО не вступає до взаємодії з вимірюваним середовищем; ■ мають достатньо великий і незмінний в часі ТКО α, який прийнято визначати для ТО в інтервалі температур від 0 до 100 ° C по залежності: α=(R₁₀₀-R₀)/ (R₀ * 100), де R₀ та R₁₀₀ - опір ТО при 0 ° C та при 100 ° C відповідно, Ом. Для більшості чистих металів a 4*10 (1/°С).

Найбільше поширені провідникові ТО, які виготовляють із чистих мідного дроту (використовуються для вимірювання температури від –50 до +180 °С)

або із платинового – для температур від -260 до +650°С.

ТО являє собою дріт певної довжини і діаметром 0,07мм, який намоту-ється на стержень із ізоляційного матеріалу (наприклад, слюди) безіндук-тивним методом, тобто, біфілярно (в два проводи, одночасна подвійно-зуст-річна намотка) і який є чутливим елементом. Чутливий елемент ТО розмі-щують (рис.1) в корпус (кожух) із нержавіючої сталі, який має різьбове з’єднан-ня для його кріплення до металевих стінок технологічного обладнання та голов-ку, в якій розміщують клеми під’єднання зовнішніх проводів. Для вимірювання температури в системах вентиляції і в приміщеннях, виготовляють спеціальні ТО, кожух яких перфорується, для швидкого доступу повітря до ТО.

Залежність опору R = f(t) ТО від температури називається характеристикою градуювання. Для мідних ТО ця залежність має вигляд із двох членів формули (4):

R_м = R_0м ּ (1+a*t), (6), де a = 4,26ּ10 ^-3 1/°С.

Для платинових ТО залежність опору від температури визначається трьома

членами формули (4) для температур 0°С:

R_n = R_0n ּ (1+a ּ t+b ּ t²), ( 7)

де a = +3,968ּ10^-3 1/°С; b = -5,847ּ10 ^-7 1/°С.

При вимірюванні температур < 0°С – характеристика градуювання ТСП описується виразом із 4-х членів формули (4).

ТО мають при виготовленні нормоване (стандартизоване) значення R₀ при

0°С і зображуються як ТСМ для мідного дроту та ТСП – для платинового.

ТО із міді виготовляються із нормованим значенням опору R_0м на 10, 50, та

100 Ом і їм присвоєні умовні позначення: 10М, 50М, 100М. Платинові ТО теж

мають нормовані значення R_0n при температурі 0°С і, по аналогії з мідними, в залежності від R_0n мають позначення: 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П.

Всі типи ТО виготовляються як взаємозамінні і для цього їхні типи, основні

параметри та розміри регламентуються відповідним стандартом. Основними параметрами для забезпечення взаємозамінності ТО є допуски на відхилення їхнього опору при температурі 0°С (R₀) від номінального значення, що

відповідає приведеним вище значенням для кожного ряду, та допуски на

коефіцієнт W₁₀₀, який визначається відношенням: R₁₀₀/R₀, тобто, відношенням опору ТО при температурі 100°С до його опору при 0°С і який залежить від чистоти дроту, із якого виготовлений ТО. Наприклад, для ТСМ 50 коефіцієнт W₁₀₀ = 1,426; а для ТСП 50 – W₁₀₀ = 1.391.

Платинові ТО випускаються першого класу (використовуються як зразкові і еталонні, наприклад, допустиме відхилення опору R_0n такого ТО від номінального значення не повинно перевищувати 0,05%, а відношення опорів R₁₀₀/R₀ повинно дорівнювати 1,391 0,0007) та другого класу (використовуються як технічні), а мідні випускаються тільки 2-го та 3-го класів і використовуються як технічні термометри з абсолютними похибками

від ± 0.3... 0.5°С до ±1...2 °С.

В якості вимірювальних приладів, які використовуються у комплекті з ТО,

використовуються врівноважені і неврівноважені мости, логометри та

сучасні вимірювальні перетворювачі з уніфікованим вихідним сигналом.

Луцьке НВО "Електротермометрія" випускає мідні термометри серії ТСМ (50М), платинові - серії ТСП (50П) різних модифікацій на різні межі вимірювань та різних конструктивних особливостей. Виготовляються мідні та платинові термометри типів ТСМУ- 0288(0289)та ТСПУ- 0288(0289) з нормувальними перетворювачами з вихідним уніфікованим сигналом по струму 4...20 мА, а також мідні та платинові типів ТСМУ- 0388 і ТСПУ – 0388 з гальванічною розв’язкою між джерелом живлення та виходом і мають десятирозрядний послідовний інтерфейсний вихід. ТО поставляються з комплектом монтажних частин під трубний та кабельний монтажі. Діаметр захисної гільзи всіх ТО може становити 8 і 10 мм.

НВФ «АГАТ-1» (м. Харків) випускає ТО серії ДТ1 КВАНТ із уніфікованими вихідними сигналами, які випускаються у звичайному чи вибухозахищеному, пило- і водо захищеному та вібростійкому виконаннях і які використовуються також на об’єктах ядерної енергетики. Довжина заг-либної в об’єкт частини ТО може становити: 80; 100; 120; 160; 200; 250; 320; 400; 500 і більше мм (обумовлюється замовленням). У разі потреби вітчизняні ТО теж можуть виготовлятись з цифровою індикацією (позначення - ДТЦ1) за місцем (по аналогії з TF2) або з виносним блоком цифрової індикації.

Межі основної допустимої похибки ТО можуть становити 0,25; 0,4; 0,5; 0,6 або 1%. Середнє напрацювання ТО на відмову – до 150 000год. Кліматичне виконання (по замовленню) дозволяє застосовувати їх за умови

зміни температури навколишнього середовища в межах від -40°С до +125°С.