Теоретические основы работы

Измерение температуры ТС основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если известна зависимость между электрическим сопротивлением R_t   ТС и его температурой t (то есть  – градуировочная характеристика), то, измерив R_t, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен.

Термометры сопротивления позволяют надежно измерять темпе-ратуру в пределах от –260 до +1100 ºС. К металлическим проводникам ТС предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабиль-ность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготовляемых ТС. К числу неос-новных требований относятся линейность функции , высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления , большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала.

Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным основным требованиям и тем больше величина a иотношение R ₁₀₀/ R ₀ (R ₀ и R ₁₀₀   – электрическое сопротивление металла при 0 и 100 ºС соответственно). Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в нем механических напряжений принято характеризовать значениями R ₁₀₀/ R ₀ и a. При снятии механических напряжений в металле путем его отжига указанные характеристики достигают своих предельных значений для данного металла.

Изменение сопротивления материала с изменением температуры
от 0 до 100 ºС характеризуется коэффициентом  Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротив-ления. Для большинства чистых металлов он находится в диапазоне от 4 · 10^-3 до 6 · 10^-3 С^-1. Для изготовления стандартизованных ТС в настоящее время применяют платину и медь [4].

Платина является наилучшим материалом для ТС, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления, равный 3,94 · 10^-3 С^-1, и высокое удельное сопротивление 0,1 · 10^-6 Ом×м. Платиновые ТС используются для измерения температуры от –260 до +1100 ⁰С. Значение отношения  для применяемых платиновых проволок составляет 1,3850÷1,3910. Недостатком платины является нелинейность функции R_t = f (t) и, кроме того, платина – очень дорогостоящий металл.

Медь – доступный по цене металл, легко получаемый в чистом
виде. Медные ТС предназначены для измерения температуры в диапазоне от –50 до +200 ºС. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. Значение отношения R ₁₀₀/ R ₀ составляет 1,4260 – 1,4280. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры линейна и имеет вид R_t = R ₀ ∙ (1 + α ∙ t), где α = 4,26 ∙ 10^-3 °С^-1.

Никель и железо хотя и используются для измерения температуры в диапазоне от –50 до +250 ºС благодаря своим относительно высоким температурным коэффициентам электрического сопротивления и сравнительно большим сопротивлениям, однако широкого распространения не получили. Это связано с тем, что градуировочная характеристика их нелинейна, а главное, нестабильна и невоспроизводима, и потому термопреобразователи сопротивления, изготовленные из этих металлов, не стандартизованы.

Конструкция ТС показана на рис. 3.7.

Тонкая проволока или лента 1 из платины или меди наматывается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой проволоки каркас вместе с проволокой покрывают слюдой. Каркас для зашиты от повреждений помещают в алюминиевую гильзу 3, а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части каркаса между последней и защитной гильзой устанавливаются упругие металлические пластинки 4. Помимо наматываемого проволокой каркаса используются двух- и четырехканальные керамические каркасы. В каналах размещают проволочные платиновые спирали, которые фиксируются с помощью термоцемента на основе оксида алюминия и кремния.

При изготовлении медных ТС применяют безындукционную бес-каркасную намотку. В качестве материала используют изолированную медную проволоку, покрытую фторопластовой пленкой. Гильзу с ее содержимым помещают во внешний замкнутый чехол 5, который устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 6. На внешней стороне чехла располагается соединительная головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы 9. ТС по внешнему виду и размерам аналогичны ТЭП.

Полупроводниковые ТС применяются для измерения температуры от –100 до 300 ºС. В качестве материалов для них используются различные полупроводниковые вещества – оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия.

Основным преимуществом полупроводников является их большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 3÷5 %, что делает их высокочувствительным к изменению температуры. Кроме того, они характеризуются значительным удельным сопротивлением и потому даже при очень малых размерах обладают значительным номинальным электрическим сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и элементов измерительной схемы. Следствием же малых размеров полупроводниковых ТС является возможность безынерционного измерения температуры.

Недостатком полупроводниковых материалов является их значитель-ная нелинейность и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. Поэтому полупроводниковые ТС, даже одного и того же типа, имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы. Чувствительные элементы из полупроводников выполняются в виде цилиндров, шайб, бусинок малых размеров.

В силу указанных недостатков полупроводниковые ТС редко используются для измерения температуры. Они широко применяются в системах температурной сигнализации благодаря присущему им релейному эффекту – скачкообразному изменению сопротивления при достижении определенной температуры. Кроме того, полупроводниковые ТС используются в качестве чувствительных элементов в различных газоаналитических автоматических приборах.

Существует три схемы подключения ТС в измерительную цепь
(рис. 3.8).

1. Двухпроводная используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление проводов включается в измеренное сопротивление и приводит к появлению дополнительной погрешности.

2. Трехпроводная обеспечивает значительно более точные измерения за счет того, что появляется возможность изменить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть влияние на точность измерения сопротивление датчика.

3. Четырехпроводная, наиболее точная схема, полностью исключает влияние подводящих проводов.

а	б
в

Рис. 3.8. Схемы подключения ТС:

двухпроводная (а); трехпроводная (б); четырехпроводная (в)

При простой двухпроводной схеме подключения датчика сопротив-ление подводящих проводов суммируется с сопротивлением датчика и приводит к ошибке измерения, причем ошибка прямо пропорциональна отношению сопротивления соединительных проводов к сопротивлению датчика.

Подключение ТС по трехпроводной схеме идентичными проводни-ками (с одинаковыми сопротивлениями) позволяет измерить падение напряжения на проводнике r ₁ и в дальнейшем скомпенсировать падение напряжения на подводящих проводах, вычтя из измеренного напряжения двойное напряжение поправки.

При четырехпроводной схеме подключения датчика два провода, r ₁ и r ₄, используются для подвода измерительного тока к датчику, а провода r ₂ и r ₃ служат для измерения напряжения на датчике. Поскольку ток измерителя ничтожно мал, то и ошибка измерения ничтожна. Четырехпроводная схема подключения обеспечивает высокую точность благодаря большому количеству проводов. Однако при одинаковом сопротивлении подводящих проводников и применении измерителей на микроконтроллерах удается сократить число проводов до трех с сохранением точности измерений.

Одной из причин появления погрешности в измерениях может быть также саморазогрев чувствительного элемента под действием измери-тельного тока. Ввиду этого стараются работать на малых измерительных токах, вызывающих изменение сопротивления не более чем на 0,1 %.