- •Раздел 6. Температура. Температурные шкалы. Датчики и приборы
- •Тема 21. Термоэлектрическая и оптическая термометрия
- •18.2. История термометра и температурных шкал.
- •18.3. Что измеряет термометр?
- •18.4. Тепловое равновесие и температура
- •18.5. Закон Бойля-Мариотта
- •18.6. Температурные шкалы.
- •18.7. Международная температурная шкала 1990 (its-90, мтш-90)
- •18.8. Классификация термометров
- •19. Термометрия. Газовая термометрия. Термометрия, основанная на тепловом расширении жидкостей и твердых тел.
- •19.1. Газовый термометр
- •19.1.1. Термометр Симона.
- •19.1.2. Манометр, заполненный маслом или ртутью.
- •19.1.3. Дифференциальный манометр.
- •19.1.4. Поправки на неидеальность газа.
- •19.2. Конденсационный термометр.
- •19.3. Дилатометрические термометры
- •19.3.1. Жидкостные стеклянные термометры
- •19.3.2. Биметаллические и дилатометрические термометры
- •20. Термометры сопротивления
- •20.1. Введение
- •20.2. Сопротивление металлов
- •20.3. Платиновые термометры.
- •20.3.1 Требования к исходному материалу.
- •20.3.2. Конструкции термометров.
- •20.3.3. Расчет температуры.
- •20.3.4. Измерение сопротивления термометра.
- •20.4. Другие типы термометров сопротивления.
- •20.4.1. Медные термометры
- •20.4.2 Никелевые термометры
- •20.5. Полупроводниковые термометры
- •20.5.1. Германиевые термометры сопротивления
- •20.5.2. Термисторы
- •20.6. Угольные термометры сопротивления
- •21. Термоэлектрическая и оптическая термометрия
- •21.1. Термоэлектрические датчики температуры. Термопары.
- •21.1.1. Материалы термопар и их конструкция
- •21.1.2. Термоэлектрические преобразователи, основные типы и области применения
- •21.1.3. Кабельные термоэлектрические преобразователи
- •21.2. Оптические пирометры
- •21.2.1. Некоторые физические положения
- •21.2.2. Принцип измерения яркостной температуры
20.2. Сопротивление металлов
У большинства чистых металлов сопротивление увеличивается примерно на 40-60% при изменении температуры от нуля до 100 С; с другой стороны, у окислов металлов и их сульфидов, а также у водных растворов солей и кислот сопротивление уменьшается с ростом температуры, причем значительно сильнее (в 4 - 9 раз), чем возрастает сопротивление у чистых металлов. Однако изменение сопротивления у окислов металлов и их сульфидов, а также растворов солей и кислот непостоянно с изменением температуры и сильно изменяется в зависимости от химического состава вещества. Получение же таких веществ определенного химического состава и стойких к изменению своего состава в присутствии других тел затруднительно.
Таким образом, в настоящее время термометрическими веществами, пригодными для термометров сопротивления, следует считать главным образом чистые металлы, особенно те, которые являются химически стойкими в широком интервале температур и зависимость сопротивления которых от температуры в этом широком интервале изменения температуры подчиняется сравнительно простым закономерностям.
Свободные электроны, осуществляющие электрическую проводимость в металлах, рассеиваются дефектами кристаллической решетки и тепловыми колебаниями ионов. Эти процессы ограничивают проводимость и определяют, таким образом, удельное электрическое сопротивление . Удельное сопротивление является функцией числа свободных электронов, приходящихся на один атом металла n, скорости электронов v, заряда электрона e и их эффективного среднего свободного пробега l.
Средний свободный пробег l ограничен тепловыми колебаниями, амплитуда которых зависят от температуры, и поэтому зависит от температуры. Заряд e - постоянная величина, а n и v практически не зависят от температуры, так что эффективный средний свободный пробег является главным фактором, определяющим температурную зависимость электрического сопротивления.
Сопротивление металла можно рассматривать как сумму двух слагаемых: сопротивления , вызванного статическими дефектами решетки химического и физического происхождения, и сопротивления , обусловленного тепловыми колебаниями. Можно предположить, что благодаря статическому характеру дефектов решетки с температурой изменяется только . Считая справедливым правило Маттиссена, суммарное сопротивление можно представить в виде
. (20.1)
Таким образом, интересующим нас термометрическим свойством является , а производная определяет чувствительность электрического термометра сопротивления. При понижении температуры у большинства чистых металлов уменьшается приблизительно пропорционально T вплоть до , где - дебаевская характеристическая температура. Ниже этого предела уменьшается с температурой быстрее и в области между /10 и /50 (нижний предел надежных исследований) , где 3 < n < 5. Поэтому при очень низкой температуре чувствительность электрического сопротивления, как термометрического свойства, быстро падает (см. рис. 20.1), а при температуре порядка /100 даже для металлов наивысшей достижимой чистоты. Это дает возможность определять сопротивление , которое, по-видимому, становится постоянным в низкотемпературном конце шкалы.
Перечислим ряд свойств, которыми должен обладать "идеальный" металл в качестве материала для термометра сопротивления.
Сопротивление металла при высокой температуре должно изменяться в зависимости от температуры по закону, как можно более близкому к линейному, поскольку это значительно упрощает интерполяцию.
Для использования при низкой температуре металл должен обладать как можно более низкой дебаевской температурой , что позволяет сохранить высокую чувствительность термометров при низкой температуре.
Рис. 20.1. Изменение отношения сопротивлений и температурного коэффициента сопротивления с температурой для медного термометра сопротивления.
Металл должен быть доступен в состоянии очень высокой чистоты, чтобы сопротивление оставалось несущественным в широкой области температур.
Металл должен быть химически инертен и должен обладать высоким постоянством сопротивления с тем, чтобы его градуировка могла сохраняться в течение длительного времени, не меняясь под влиянием периодических колебаний температуры.
Металл должен легко подвергаться механической обработке, в частности волочению, а проволока из него должна не разрушаясь навиваться в спирали желаемой формы.
Благородный металл платина удовлетворяет большинству этих требований; однако область применения платиновых термометров сопротивления при низких температурах могла бы быть значительно шире, если бы дебаевская температура платины была ниже. К сожалению, такие металлы, как свинец, висмут или галлий, хотя и имеют низкую характеристическую температуру ( 100 К, в то время как для платины 225 К), но малопригодны по другим причинам.