Электрические контактные термометры

В промышленной практике температуру измеряют в основном термометрами, действие которых основано на изменении электрических свойств различных веществ с изменением температуры. Важнейшими методами, позволяющими решить практически все проблемы измерения температуры (за исключением областей очень низких и очень высоких температур), является определение положительного или отрицательного изменения сопротивления металлов или полупроводников (термометров сопротивления), а также термоэлектродвижущей силы, возникающей при контакте пары, составленной из двух различных металлов или из металла и сплава (термоэлектрических термометров, термопар). Электрические термометры имеют высокую точность, хорошие динамические свойства и широкий диапазон измерения.

Термометры сопротивления

Электрическое сопротивление большинства материалов существенно изменяется с температурой. Температурная зависимость электрического сопротивления металлических проводников обусловлена наличием свободных электронов связи в кристаллической решетке металлов: при повышении температуры электрическое сопротивление увеличивается. В полупроводниках обычно наблюдается недостаток электронов проводимости; они высвобождаются только при подводе тепловой энергии (повышении температуры). В этом случае с повышением температуры электрическое сопротивление уменьшается.

В отличие от термопар, с помощью которых можно измерять только разность температур по отношению к некоторой известной температуре, термометр сопротивления позволяет измерять и абсолютные значения температуры. Для них необходим вспомогательный источник напряжения, тогда как для термопар он не требуется. Диапазон измерений термометрами сопротивления ограничен высокими температурами; нелинейность температурной характеристики в зависимости от материала чувствительного элемента иногда может быть довольно значительной.

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры может быть с весьма высокой точностью описана уравнениями третьей степени. Однако при обычных требованиях к точности ограничиваются линейной функцией:

R_t = R₀(1 + t), (1)

где R_t и R₀ - величина сопротивления (Ом) проводника при температуре t и 0 ⁰С,  - линейный температурный коэффициент сопротивления, К^-1.

Регламентируют среднее относительное изменение сопротивления в расчете на один градус в диапазоне от 0 до 100 ⁰С:

 =(R/t)/R₀ = (R₁₀₀–R₀)/100R₀ [K^-1], (2)

где R₁₀₀ и R₀ – значения сопротивления, определяемые в точке кипения и в точке замерзания воды; обычно используют R₀ = 100 Ом.

В качестве материала для термометров сопротивления используют металлы с хорошей электрической проводимостью, например платину ( = 3,8510^-3 К^-1 ), никель ( = 6,1710^-3 К^-1 ) и медь ( = 4,2710^-3 К^-1 ).

Чувствительные элементы термометров сопротивления имеют линейные размеры порядка нескольких миллиметров.

Полупроводниковые термометры сопротивления

Их называют также терморезисторами или термисторами. Имеются два различных типа терморезисторов: с отрицательным (терморезисторы NTC) и с положительным (терморезисторы РТС, позисторы) температурным коэффициентом сопротивления. При очень низких температурах все полупроводники являются идеальными изоляторами. Увеличение их электрической проводимости с повышением температуры приблизительно выражается экспоненциальной функцией

R₂ = R₁exp b(1/T₂ – 1/T₁), (3)

где R₂ и R₁ – значения сопротивления (Ом) чувствительного элемента при абсолютной температуре Т₂ [K] и при эталонной температуре Т₁, например при Т₁ = 273,15 К; b – некоторая постоянная величина, зависящая от материала; ее численное значение может составлять 3000 – 4000 К.

Экспоненциальная характеристика, описываемая этой формулой, имеет большой и сильно изменяющийся температурный коэффициент , благодаря которому терморезисторы получили распространение в лабораторной и производственной практике. У терморезисторов NTC он изменяется в диапазоне от –1 до – 6 К^-1. Сопротивления самих терморезисторов колеблется от 1 кОм до 1 МОм; в сравнении с ним изменения сопротивления на клеммах и в соединительных проводах незначительны и ими можно пренебречь. Это является одним из существенных преимуществ терморезисторов перед обычными термометрами сопротивления и термопарами.

Терморезисторы NTC изготавливают из смесей оксидов металлов, которые спекаются при высоких температурах, образуя маленькие шарики, пластинки или стерженьки размерами менее 1 мм. Однако в зависимости от места установки каждый чувствительный элемент должен быть защищен – обычно тонкой стеклянной, керамической или стальной оболочкой.

Для измерения сопротивления используют преимущественно электрические схемы в виде мостов. Линеаризация нелинейной зависимости между температурой Т и сопротивлением R для всех чувствительных элементов термометров сопротивления обеспечивается операционными усилителями либо при помощи микропропроцессоров или ПЭВМ.