Реферат: Термометры сопротивления и измерительные приборы к ним

Следует отметить, что значение электрического сопротивления платинового термометра при 0°С ≤ t≤650°С и –200°С ≤ t ≤ 0°С, приведенные в градуировочных таблицах, вычислены соответственно по формулам (2.6) и (2.7). При вычислении значений R_t по этим формулам постоянные коэффициенты принимались равными: А = 3,96847·10^- ³ °С^- ¹, В = –5,847·10^-7 °С^- ²; С = –4,22·10^- ¹² °С^-4 .

3. Медь и изготовляемые из нее термометры сопротивления

К достоинствам меди, как материала, применяемого для изготовления чувствительных элементов технических термометров сопротивления типа ТСМ, следует отнести дешевизну, простоту получения тонкой проволоки в различной изоляции, возможность получения проводниковой меди высокой чистоты. Температурный коэффициент электрического сопротивления проводниковой меди лежит в пределах от 4,2·10^- ³ до 4,27·10^- ³ °С^- ¹.

Зависимость электрического сопротивления меди от температуры в широком интервале температур подчиняется уравнению

R_t = R₀ (l +αt), (3.1)

где R_t и R₀ – сопротивления данного образца меди (чувствительного элемента медного термометра) соответственно при температуре tи 0°С; α – температурный коэффициент электрического сопротивления, характерный для данного образца медной проволоки, из которого изготовлен ЧЭ термометра.

Температурный коэффициент сопротивления αопределяют из значений сопротивлений R₀ и R_t чувствительного элемента медного термометра, измеренных соответственно при точке таяния льда и температуре кипения воды. Медная проволока, применяемая для изготовления чувствительных элементов медных термометров ТСМ, имеет температурный коэффициент сопротивления α = 4,26·10^-3 °С^-1 .

Линейный характер зависимости сопротивления меди от температуры является ее достоинством. К числу недостатков меди следует отнести малое удельное сопротивление (ρ=1,7·10^-8 Ом·м) и интенсивную окисляемость при невысоких температурах. В атмосфере инертных газов медь ведет себя устойчиво при более высоких температурах. При установлении верхнего температурного предела применения медного термометра сопротивления необходимо учитывать, какой электрической изоляцией покрыта медная проволока, из которой изготовлен его чувствительный элемент. Термометры сопротивления с ЧЭ, изготовленными из медной проволоки диаметром 0,1 мм, изолированной эмалью, могут быть использованы для длительного измерения температуры не выше 100°С, а из медной проволоки с кремнийорганической или винифлексовой изоляцией – до 180°С.

Медные термометры сопротивления типа ТСМ могут применяться для длительного измерения температуры от –50 до 180°С. По точности они подразделяются на два класса (2 и 3). Номинальные значения сопротивления при 0°С (R₀ ) для термометров типа ТСМ установлены равными 53 и 100 Ом, которым присвоено обозначение градуировки соответственно гр23 и гр24. Допускаемое отклонение сопротивления чувствительного элемента термометра R₀ от номинального значения для обоих классов точности составляет ±0,1%. Отношение сопротивлений R₁₀₀ /R₀ установлено равным 1,426±0,001 для термометров класса точности 2 и 1,426±0,002 – для термометров класса точности 3.

Из медной проволоки приборостроительная промышленность изготовляет термометры сопротивления типа ТСМ только 3-го класса точности.

4. Никель и изготовляемые из него термометры сопротивления

Основным достоинством никеля является то, что он обладает высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления (α = 6,66·10^-3 °С^-1 ) и большим удельным сопротивлением (ρ≈12,8·10^-8 Ом·м). К числу недостатков никеля следует отнести значительную окисляемость при высоких температурах и большую зависимость температурного коэффициента сопротивления от степени чистоты металла. Зависимость сопротивления никеля от температуры имеет резко нелинейную характеристику.

Вследствие указанных выше причин термометры сопротивления с ЧЭ из никелевой проволоки могут быть использованы для измерения температур не выше 180–200°С.

Для изготовления ЧЭ никелевых термометров сопротивления для температур от –10 до +180°С может быть использована проволока из никеля марки НПО. Электрическое сопротивление термометра с ЧЭ из этой марки никеля в интервале температур –10 ≤ t≤ 180°С может быть вычислено по формуле

R_t = R₀ (1+At+Bt²), (4.1)

где R_t , R₀ — сопротивление чувствительного элемента термометра соответственно при температуре t и 0°С, Ом;

A = 5,86·10^-3 °С^-1 ; В = 8·10^-6 °С^-2 .

Отношение сопротивлений R₁₀₀ /R₀ ЧЭ термометра должно находиться в пределах 1,664 – 1,668. Максимальное отклонение значения сопротивления чувствительного элемента термометра при температуре t не должно превышать, Ом:

∆R = ±(0,3+8,0·10^-3 )(R₁₀₀ – R₀ )100^-1 .

При этом отклонение сопротивления чувствительного элемента термометра при 0°С от его номинального значения (например, R₀ = 100 Ом) должно быть ±0,3(R₁₀₀ – R₀ ) 100^-1 Ом.

5. Устройство платиновых и медных термометров сопротивления

Опыт эксплуатации термометров сопротивления показывает, что надежная их работа в наибольшей степени определяется механической прочностью конструкции, степенью герметичности и качеством изготовления чувствительного элемента.

При изготовлении ЧЭ медных термометров сопротивления, обладающих достаточной надежностью и механической прочностью, не встречается затруднений.

При создании же ЧЭ платиновых термометров сопротивления приходится встречаться с рядом трудностей. Материал, выбираемый для изготовления их каркаса, должен обладать высокими электрическими изоляционными свойствами, хорошей теплопроводностью и механической прочностью. Кроме того, материал каркаса не должен оказывать вредного влияния на платину. Коэффициент линейного расширения материала каркаса должен быть близким коэффициенту линейного расширения платины. Для изготовления каркасов чувствительных элементов платиновых термометров сопротивления применяют слюду, плавленый кварц, специальную керамику и другие материалы.

Слюда пригодна для платиновых термометров с верхним пределом их применения до 500 – 650°С. При температуре выше 700°C слюда разбухает, становится хрупкой, а при более высокой температуре из нее выделяется связанная кристаллизационная вода. Кроме того, слюда при температуре около 800°C становится опасной для платины из-за восстановительного действия кремнезема. В силу указанных обстоятельств платиновые термометры с чувствительным элементом на слюдяном каркасе применяют в промышленных условиях до 400 – 500°С, а в лабораторной практике до 650°С.

Каркасы из кварца широко применяются, так как плавленый кварц химически устойчив, обладает достаточной механической прочностью, высокими электрическими изоляционными свойствами. Он хорошо обрабатывается пламенем горелки с кислородным дутьем. Кварцевые каркасы изготовляют различных форм, например цилиндрические, геликоидальные и других конструкций. Цилиндрические кварцевые каркасы применяют главным образом для изготовления чувствительных элементов технических платиновых термометров сопротивления. Кварцевые каркасы геликоидальной формы применяют для изготовления эталонных, образцовых и повышенной точности платиновых термометров сопротивления.

Каркасы из специальной керамики, изготовляемой на основе окиси алюминия, применены в конструкциях ЧЭ технических платиновых термометров сопротивления. Каркасы из такой керамики обладают высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью и малой газопроницаемостью при температурах 750 – 1000°С. Кроме того, эта керамика обладает высокими электрическими изоляционными свойствами.

Выводные проводники, соединяющие ЧЭ платинового термометра с его зажимами, в зависимости от назначения термометра и диапазона измеряемой температуры выполняют из меди (до 150°С), серебра (до 400°С), золота (до 700°С), платины или специального сплава. При выборе того или иного материала для выводных проводников необходимо учитывать свойство платины реагировать при высоких температурах со многими веществами, находящимися вблизи и особенно в непосредственном контакте с ней. Указанное обстоятельство необходимо также учитывать при пайке выводных проводников к концам платиновой обмотки ЧЭ.

Для термометров сопротивления эталонных, образцовых и повышенной точности выводные проводники применяют только из платиновой проволоки. При этом к каждому концу платиновой обмотки чувствительного элемента припаивают по два платиновых выводных проводника, из которых два называют токовыми, а два других потенциальными. Наличие четырех выводных проводников дает возможность использовать компенсационный метод измерения сопротивления термометра, который позволяет полностью исключить влияние выводных и соединительных проводников на результаты измерения.