Термометры сопротивления

Термометры сопротивления (ТС) часто называют термопреобразователями сопротивления. Их действие основано на использовании зависимости электрического сопротивления металлов, полупроводников и электролитов от температуры. Чувствительным элементом термометра сопротивления (датчиком) является миниатюрный резистор, подключенный тонкими гибкими медными проводами к источнику заданного постоянного тока (ток фиксируется микроамперметром) и к микровольтметру. Датчик помещается в исследуемую среду и приобретает ее температуру. Микровольтметр измеряет падение напряжения на резисторе. Точное значение сопротивления резистора вычисляется по закону Ома. Температура резистора (и, следовательно, среды) вычисляется по заранее тщательно изученной градуировочной (передаточной) характеристике T(R) используемого термометра сопротивления.

Современная техника измерения электрического сопротивления достигла высокого совершенства. У всех материалов оно зависит от температуры. Однако далеко не все вещества по своему сопротивлению удовлетворяют термоэлектрическим требованиям, особенно по его стабильности и чувствительности к побочным внешним воздействиям окружающей среды (давлению, влажности, магнитным и электрическим полям, жесткому излучению и т. д.). Всему комплексу метрологических и эксплуатационных требований удовлетворяет относительно небольшая группа материалов и веществ. В частности, среди металлов метрологическим и эксплуатационным требованиям, которые приходится предъявлять к термометрам сопротивления, более всего удовлетворяют химически чистая платина (Pt), медь (Cu) и никель (Ni), выполненные в виде тонкой проволоки диаметром в сотые и десятые доли миллиметра. Среди полупроводниковых материалов в качестве термометров сопротивления стали использовать германий (Ge) и кремний (Si), которые уже давно широко применяются в электронной и измерительной технике.

Технология изготовления термометров сопротивления хорошо отработана. Они обладают очень удачным сочетанием термометрических свойств, благодаря чему получили особенно широкое распространение при физических исследованиях. Платиновые ТС, например, используются для воспроизведения термодинамической температурной шкалы в диапазоне температур от 13,8 до 1100 К. Медные ТС просты в изготовлении и эксплуатации, обладают высокой чувствительностью, поэтому находят широкое применение при работе в области температур 80...500 К, причем часто даже в качестве образцовых термометров. Погрешность отдельных образцов платиновых и медных термометров сопротивления в области низких и умеренных температур не превышает сотых долей кельвина. У медных ТС есть еще одно важное положительное качество. Они сохраняют практически линейную температурную зависимость своего сопротивления R(T) в широком интервале температур.

У подавляющего большинства чистых металлов электрическое сопротивление R(T) плавно увеличивается по мере повышения их температуры T. Температурный коэффициент электрического сопротивления у них всегда положителен и обычно составляет (4...6) 10^–3 К^–1.

Среди металлов наиболее удобными оказались, как уже отмечалось, платина (Pt), медь (Cu) и никель (Ni). Для изготовления чувствительного элемента ТС (датчика) чаще всего используется тонкая проволока диаметром 0,05...0,1 мм. Проволочная спираль обычно укладывается свободно внутри тонкой цилиндрической оболочки, чтобы не подвергаться механическим напряжениям. При точных измерениях наиболее удобными являются электрические сопротивления датчиков порядка 1...1000 Ом, поэтому стандартные ТС обычно изготавливают с фиксированными номинальными (при температуре 0 °С) сопротивлениями 10, 50, 100 и 500 Ом. От выбора номинального сопротивления зависят минимально возможные размеры чувствительного элемента. Это важно, так как габариты и форма датчика определяют эксплуатационные характеристики ТС – степень их локальности и тепловую инерционность.

Платиновые ТС способны работать в очень широкой области температур, от –260 до 1100 °С. Удельное сопротивление платины при температуре 20 °С равняется 0,105 мкОмм.

Рабочие температуры у медных ТС находятся в интервале от минус 200 до 200 °С. Удельное сопротивление меди значительно ниже, чем у платины, составляя при 20 °С величину 0,017 мкОмм.

Никелевые ТС используются в интервале (–10...180) °С. Удельное сопротивление никеля при 20 °С составляет 0,073 мкОмм.

В области умеренных и высоких температур электрическое сопротивление у платины и меди изменяется почти линейно. При точных измерениях их градуировочные характеристики R(t) обычно удается аппроксимировать полиномами второй или третьей степени температуры

, (1.5)

где  – температура по шкале Цельсия, °С. Температурные коэффициенты удельного сопротивления у платины и меди при температуре 20 °С равны соответственно 3,9 10^–3 К^–1 и 4,3 10^–3 К^–1.

Приведем интерполяционные уравнения для медного термометра сопротивления с R(100 °C)/R(0 °C) = 1,4280:

а) для диапазона температур t = (–185 ... –100) °C

R(t)/R(0 °C) = 1 + 4,2810^–3 t – 5,010^–7 t(t – 10) +

+ 1,1510^–9(t – 100) t³; (1.6)

б) для диапазона температур t = (–100...–10) °C

R(t)/R(0 °C) = 1 + 4,2810^–3 t – 5,010^–7 t(t – 10); (1.7)

в) для диапазона температур t = (– 10...200) °C

R(t)/R(0 °C) = 1 + 4,2810^–3 t. (1.8)

У никеля температурный коэффициент несколько выше, чем у меди (составляет 6,810^–3 К^–1), но нелинейность градуировочной характеристики проявляется более заметно. Поэтому никелевые ТС обычно используют в тех случаях, когда очень важна высокая чувствительность, так как удельное сопротивление никеля почти в 4 раза превышает удельное сопротивление меди и всегда есть возможность увеличить номинальное сопротивление термодатчика (по сравнению с медью).

Кроме платины, меди и никеля в качестве материала для чувствительного элемента ТС иногда применяют железо, вольфрам, свинец, индий, олово, кадмий, ртуть, галлий.

В металлических ТС наряду с чистыми металлами иногда используются металлические сплавы. По ряду характеристик они имеют преимущества по сравнению с чистыми металлами. Наиболее интересны сплавы никеля с железом, пригодные для работы в области температур 0...600 °С. Известно, что константан и манганин (широко распространенные в электротехнике сплавы) в этой области температур сохраняют практически постоянное сопротивление. Однако при температуре ниже 80 К их электрическое сопротивление оказывается уже чувствительным к температуре. Поэтому ТС из константана и манганина иногда используются для измерения криогенных температур вплоть до точки кипения гелия. К сожалению, ТС из сплавов имеют существенный недостаток – они чувствительны к влиянию магнитных полей.

Передаточные (градуировочные) функции полупроводниковых ТС всегда индивидуальны. В частности, у микротермисторов они обычно имеют вид сложной экспоненциальной функции, в показатель которой параметр, обратный абсолютной термодинамической температуре.