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 в залежності від зміни їхньої температури . Така властивість металів характеризується температурним коефіцієнтом опору (ТКО), який визначається як відношення приросту опору провідника, що виготовлений із цього металу, до приросту температури, що привела до його нагрівання і змінила його електричний опір, та опору провідника . В загальному вигляді ТКО при

малих приростах температури визначається залежністю: = .

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, ( 1 )

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 і, використовуючи співвідношення: T(К)= t(°C) + 273.15, приведена залежність (1) активного опору від температури t(°C) приймає вигляд:

R = C * e^{k(273.15 + t)} = C * e^273.15k *e^kt. (2)

Значення виразу: C * e^273.15k = R₀ – приймається за початковий опір тіла при температурі 0°С і відповідно: R = R₀* e^kt. (3)

Так як для провідникових термометрів коефіцієнт k не залежить від температури, то формулу (3) 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+ t + t + t +…), (4)

де f(0) та f (0), f (0), f (0),…. – значенняфункції (3) в нулі та їїчастинні

похідні.

В первинному вимірювальному перетворювачі температури може вико- ристовуватись будь-який терморезистор або термістор, але в якості засобів вимірювання температури, тобто, засобів з нормованими метрологічними характеристиками (НМХ), використовують термометри опору (ТО). ТО це терморезистор з НМХ, які виготовлені із чистих металів (міді, платини, нікелю, вольфраму або заліза) і які відповідають наступним вимогам:

•мають монотонну без гістерезису характеристику перетворення = ;

•мають високий питомий електричний опір, а метал ТО не вступає до

взаємодії з вимірюваним середовищем;

•мають достатньо великий і незмінний в часі ТКО, який прийнято визначати для ТО в інтервалі температур від 0 до 100 С по залежності:

= , [ для більшості чистих металів 4*10 ()]

де та - опір ТО при 0 та при 100 С, Ом.

Найбільше поширені провідникові ТО, які виготовляють із мідного дроту

(використовуються для вимірювання температури від –50 до 180°С)

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

ТО мають при виготовленні нормоване (стандартизоване) значення R₀ при 0°С і зображуються як ТСМ для мідного дроту та ТСП – для платинового. ТО являє собою дріт певної довжини і діаметром 0,07мм, який намотується на стержень із ізоляційного матеріалу (наприклад, слюди) біфілярно (тобто, в два проводи одночасно) і який є чутливим елементом. Чутливий елемент ТО розміщують (рис.1) в корпус (кожух) із нержавіючої сталі, який має різьбове з¢єднання для його кріплення до металевих стінок технологічного обладнання та головку, 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 ТО від температури називається характеристикою градуювання. Длямідних ТО ця залежність має вигляд із двохчленів формули (4): R_м = R_0м *(1+a*t), (5)

де a = 4,26*10^-3 1/°С.

ТО із міді виготовляються із нормованим значенням опору R_ом при 0°С на 10, 50, та 100 Ом і їм присвоєні умовні позначення: 10М, 50М, 100М.

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), ( 6)

де a = +3.968*10^-3 1/°С; b = -5.847*10^-7 1/°С.

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

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 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, платинові - серії ТСП різних модифікацій на різні межі вимірювань та різних конструктивних особливостей. Останнім часом виготовляються мідні термометри типів ТСМУ – модифікацій 0288 та 0388 з нормувальним перетворювачем, ус­тановленим у голівці термометра, а також платинові типу ТСПУ – 0288 та 0388 з тими самими особливостями і з вихідним уніфікованим сигналом по струму 4...20 мА.