5-2. Основные сведения о термометрах сопротивления и металлах, применяемых для их изготовления

Металлы, предназначенные для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, должны отвечать ряду требований. Они должны не окисляться и обладать высокой воспроизводимостью значений электрического сопротивления в интервале рабочих температур. Выбранный металл в диапазоне применяемых температур должен иметь монотонную зависимость сопротивления от температуры и достаточно высокое значение температурного коэффициента сопротивления а. Этот коэффициент в общем виде может быть выражен равенством:

Температурный коэффициент электрического сопротивления принято определять от 0 до Для этого случая выражение (5-2-1) принимает вид:

где сопротивления образца данного металла, измеренные соответственно при

Известно, что сплавы обладают меньшим значением температурного коэффициента сопротивления. Кроме того, воспроизводимость свойств сплавов далеко недостаточна по сравнению с чистыми металлами. Исследования показывают, что чем чище металл (при отсутствии в нем механических напряжений), тем лучше у него воспроизводимость термометрических свойств и больше значения отношения Поэтому чистые металлы, предназначенные для изготовления взаимозаменяемых ЧЭ термометров сопротивления, должны иметь нормированную и при этом высокую чистоту. Следует указать, что значение так же как и а, являются общепринятыми показателями степени чистоты данного металла и наличия в нем механических напряжений. Для снятия механических напряжений в данном металле применяют определенные режимы отжига. При этом значение отношения а следовательно, и температурного коэффициента сопротивления образца возрастают до их предельного значения для данного металла.

Приведенным выше основным требованиям к металлам для изготовления ЧЭ термометров сопротивления в широком интервале

температур удовлетворяет платина. Ьсли верхнии предел температуры применения термометра не высок, то указанным выше требованиям удовлетворяют также медь и никель. В отдельных случаях применяют для изготовления ЧЭ термометров сопротивления, но с ограниченной областью их использования, и другие металлы, например железо, вольфрам и молибден.

Платина и изготовляемые из нее термометры сопротивления. Чистая платина отвечает в наибольшей степени всем основным требованиям, предъявляемым к металлам для изготовления ЧЭ термометров сопротивления. Термометры с ЧЭ из платиновой проволоки диаметром от 0,05 до применяются в лабораторной и промышленной практике для измерения температуры от —260 до

При применении платиновых термометров сопротивления для измерения температуры от —260 до —180°С необходимо иметь в виду, что в этом случае приходится измерять весьма малые сопротивления, особенно в нижней части температурного интервала. Поэтому при измерении низких температур платиновыми термометрами сопротивления необходимо применять в комплекте с ними измерительные приборы, которые позволяют измерять с высокой точностью сотые доли ома.

Платиновые термометры сопротивления в отдельных случаях используются для измерения и более высоких температур, например, в метрологической практике до 1065 °С (ГОСТ 8.083-73). При этом необходимо учитывать, что платина при высокой температуре (близкой к 1000°С) начинает распыляться. Поэтому для уменьшения влияния распыления платины, а следовательно, и увеличения срока службы чувствительный элемент термометра сопротивления, предназначенный для измерения температуры до изготовляют из платиновой проволоки диаметром около

Чистая платина в окислительной (воздушной) среде устойчива и длительное время сохраняет свои градуировочные данные. Однако такие условия применения платины при измерении температуры в практических условиях не всегда могут быть обеспечены. Поэтому чувствительный элемент термометра должен быть надежно защищен от возможного механического повреждения, попадания влаги, загрязнения платины, губительного действия на нее восстановительных и агрессивных газов, содержащихся в среде, температуру которой измеряют термометром. Более подробно вопрос о возможностях загрязнения платины и губительного действия на нее некоторых газов освещен при рассмотрении платинородий—платиновых термоэлектрических термометров.

К недостаткам платины следует отнести отклонение от линейного закона зависимости ее сопротивления от температуры (рис. 5-2-1). Однако все другие достоинства платины в достаточной степени искупают указанный недостаток и позволяют считать платиновый термометр сопротивления наиболее точным из числа первичных преобразователей, предназначенных для измерения температур в той же области.

Платиновые термометры сопротивления в зависимости от их назначения разделяются на следующие три основные группы: эталонные, образцовые (1-го и 2-го разрядов) и рабочие. Термометры рабочие в свою очередь подразделяются на термометры повышенной точности (лабораторные) и технические.

Рис. 5-2-1. Зависимость отношения для некоторых металлов от температуры.

Эталонные платиновые термометры сопротивления, как отмечалось выше служат для воспроизведения международной практической температурной шкалы МПТШ-68 в области температур от до Относительное сопротивление термометра определяется по формуле

где сопротивление термометра при температуре сопротивление термометра при температуре 0°С (273,15 К), Ом.

Относительное сопротивление термометра должно быть не менее 1,39250 при

Для области от 0 до 630,74°С температуру в градусах Цельсия рассчитывают по уравнению

где

здесь и сопротивления термометра при температуре и 0°С соответственно, Ом; — константы, определяемые измерением сопротивления термометра в тройной точке воды, точке кипения воды или затвердевания олова и точке затвердевания цинка.

Уравнение (5-2-5) эквивалентно уравнению

где

Для области от до температуру определяют по формуле

где относительное сопротивление платинового термометра; относительное сопротивление, соответствующее стандартной функции

Поправки при температурах основных реперных точек получают из измеренных значений и соответствующих значений приведенных в Поправка при промежуточных температурах определяют интерполяционными формулами

До введения МПТШ-68 применялась шкала МПТШ-48. Чистота платины, из которой изготовляют эталонный термометр для воспроизведения шкалы МПТШ-48 в области от до должна быть такой, чтобы для него соблюдалось отношение сопротивлений

Для интервала от 0 до 630,5° С МПТШ-48 используется интерполяционная

где сопротивление термометра при температуре сопротивление того же термометра при 0° С, Ом.

Для интервала от —182,97 до 0° С применяется уравнение

Постоянные определяются в точках кипения воды, серы (или в точке затвердевания цинка) и кислорода.

Образцовые платиновые термометры сопротивления разрядов, применяемые до изготовляют из чистой платины, позволяющей получить для них отношения сопротивлений соответственно. Образцовые термометры 1-го разряда, поверяемые по рабочим эталонам, применяют для поверки образцовых термометров 2-го разряда, образцовых ртутных термометров, образцовых медь-константановых термоэлектрических термометров и для контроля температуры кипения или затвердевания веществ, применяемых при поверке термометров. Образцовые термометры сопротивления 2-го разряда служат для поверки рабочих термометров.

Значения сопротивлений образцовых термометров разрядов в свидетельствах указываются с количеством значащих цифр, соответствующим точности градуировки.

Платиновые термометры сопротивления повышенной точности, применяемые для точных измерений температуры, изготовляют из той же платины, что и образцовые термометры. В зависимости от требований, предъявляемых к точности измерения температуры, термометры сопротивления повышенной точности поверяются по методике поверки образцовых термометров 1-го или 2-го разрядов.

Для области температур от 13,8 до 273,15 К применяют образцовые платиновые термометры ТСПН-1 (погрешность ±0,01 К), изготовляемые во ВНИИФТРИ. Во ВНИИФТРИ изготовляют также для указанной области температур платиновые термометры повышенной точности и различающиеся между собой защитными гильзами, в которых находятся ЧЭ [13].

Для измерения низких температур в области от —260 до +250°С НПО «Термоприбор» изготовляет платиновые термометры повышенной точности типа пределы допускаемой погрешности которых а также типа погрешность которых лежит в пределах от —0,05 до

Технические платиновые термометры сопротивления типа выпускаемые в соответствии с предназначаются для длительного измерения температуры от —200 до 650°С. Термометры сопротивления этого типа изготовляются двух классов с номинальными значениями сопротивлений при 0°С равными 10; 46; 100 Ом, которым присвоено обозначение градуировки соответственно

Термометры ТСП с начальным сопротивлением Ом целесообразно применять для измерения температуры выше При этом имеется в виду, что термометр сопротивления присоединяется к измерительному прибору по трехпроводной схеме. В тех случаях, когда термометр используется для измерения низких температур (ниже рекомендуется применять высокоомные термометры с Ом, а в некоторых случаях с Ом. При применении высокоомных термометров при прочих равных условиях изменение показаний измерительного прибора вследствие изменения сопротивления соединительных проводов (при двух- или

трехпроводной схеме включения термометра под влиянием температуры окружающего воздуха, будет значительно меньше, чем при использовании низкоомных термометров сопротивления.

В целях обеспечения взаимозаменяемости технических термометров типа ТСП установлены допуски на отклонения сопротивления чувствительного элемента термометра при 0°С от номинального значения и отношения сопротивлений Для термометров ТСП класса 1 допустимое отклонение сопротивления чувствительного элемента от номинального значения не должно превышать ±0,05%, а для термометров класса Отношения сопротивлений установлены равными для термометров класса 1 и 1,391 ±0,001 для термометров класса 2. Принятые допуски на основные параметры технических платиновых термометров сопротивления позволили стандартизировать их градуировочные таблицы (см. и установить максимально допускаемые отклонения значения электрического сопротивления термометров ТСП от данных этих таблиц. Максимально допускаемые отклонения от градуировочных таблиц могут быть вычислены по формулам, приведенным в табл. 5-2-1. В этой таблице абсолютное значение температуры чувствительного элемента термометра, °С.

Следует отметить, что значение электрического сопротивления платинового термометра при 0°С приведенные в градуировочных таблицах (ГОСТ 6651-59), вычислены соответственно по формулам (5-2-7) и (5-2-8). При вычислении значений по этим формулам постоянные коэффициенты принимались равными: В ближайшее время эти градуировочные таблицы будут уточнены в соответствии с ГОСТ 8.157-75,

Таблица 5-2-1 (см. скан) Максимальные допускаемые отклонения от градуировочных таблиц термометров сопротивления ТСП и ТСМ

Кроме указанных в табл. 5-2-1 термометров ТСП Луцкий приборостроительный завод изготовляет технические платиновые

термометры для температур от —2 до 7 0°С и от —260 до 750° типа ТСП-5071 класса точности 2.

Медь и изготовляемые из нее термометры сопротивления. К достоинствам меди, как материала, применяемого для изготовления чувствительных элементов технических термометров сопротивления типа 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 до

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

где сопротивления данного образца меди (чувствительного элемента медного термометра) соответственно при температуре а — температурный коэффициент электрического сопротивления, характерный для данного образца медной проволоки, из которого изготовлен ЧЭ термометра.

Температурный коэффициент сопротивления а определяют из значений сопротивлений чувствительного элемента медного термометра, измеренных соответственно при точке таяния льда и температуре кипения воды. Медная проволока, применяемая для изготовления чувствительных элементов медных термометров имеет температурный коэффициент сопротивления

Линейный характер зависимости сопротивления меди от температуры является ее достоинством (рис. 5-2-1). К числу недостатков меди следует отнести малое удельное сопротивление 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 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 согласно ГОСТ 6651-59 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 для термометров типа ТСМ установлены равными 53 и 100 Ом, которым присвоено обозначение градуировки соответственно Допускаемое отклонение сопротивления ЧЭ термометра от номинального значения для обоих классов точности составляет Отношение сопротивлений установлено равным 1,426 ±0,001

для термометров класса точности для термометров класса точности 3.

Стандартные градуировочные таблицы для медных термометров сопротивления типа ТСМ приведены в табл. П5-2-2. Максимально допускаемые отклонения электрического сопротивления чувствительного элемента термометра ТСМ от данных градуировочных таблиц подсчитываются по формуле, приведенной в табл. 5-2-1.

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

Никель и изготовляемые из него термометры сопротивления. Основным достоинством никеля является то, что он обладает высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления и большим удельным сопротивлением . 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 (рис. 5-2-1).

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

Никелевые термометры сопротивления применяют за рубежом вместо медных; в СССР они не выпускаются. По данным ВНИИМ для изготовления ЧЭ никелевых термометров сопротивления для температур от —10 до может быть использована проволока из никеля марки . Электрическое сопротивление термометра с ЧЭ из этой марки никеля в интервале температур — С может быть вычислено по формуле

где сопротивление ЧЭ термометра соответственно при температуре

Отношение сопротивлений термометра должно находиться в пределах Максимальное отклонение значения сопротивления ЧЭ термометра при температуре от данных, вычисленных по формуле (5-2-10), не должно превышать, Ом:

При этом отклонение сопротивления ЧЭ термометра при 0°С от его номинального значения (например, Ом) должно быть Ом.

Нагрев термометра сопротивления измерительным током. При измерении температуры термометром сопротивления необходимо иметь в виду возможность его нагрева измерительным током, протекающим по чувствительному элементу. Этот дополнительный нагрев термометра зависит от его конструкции, а также от размера теплового сопротивления, отделяющего ЧЭ термометра от окружающей среды. При этом следует иметь в виду, что размер теплового сопротивления, а вместе с тем и степень дополнительного нагрева термометра зависит от значения коэффициента теплоотдачи на поверхности защитного чехла термометра. Определить расчетным путем оптимальное значение силы измерительного тока, а следовательно, и температуру дополнительного нагрева термометра в

большинстве случаев не представляется возможным. Поэтому размер дополнительного нагрева термометра сопротивления определяют обычно экспериментальным путем в условиях, близких к его применению.

Согласно ГОСТ 6651-59 установившаяся температура нагрева термометра измерительным током, протекающим по ЧЭ, при погружении термометра в тающий лед не должна превышать 0,2°С для термометров типа ТСП и 0,4°С для термометров типа ТСМ при рассеиваемой в термометре мощности, равной 10 мВт. Для термометров с номинальным сопротивлением при 0°С в 10, 46, 53 и 100 Ом такое значение рассеиваемой в термометре мощности соответствует измерительному току 31,6; 14,7; 13,7 и 10 мА соответственно. Обычно ток в измерительных схемах приборов, применяемых в комплекте с термометрами сопротивления, значительно меньше указанных значений,