Что такое термометр сопротивления и как он работает
Термометр сопротивления — это датчик температуры, действие которого основано на фундаментальном физическом свойстве материалов: изменении их электрического сопротивления при изменении температуры. Чувствительные элементы таких приборов изготавливаются либо из чистых металлов (например, платины или меди), либо из полупроводниковых материалов. Ключевое различие между этими двумя типами заключается в характере зависимости сопротивления от температуры.
Физические основы: металлы против полупроводников
При нагреве сопротивление металлов увеличивается. Это происходит из-за положительного температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Рост температуры усиливает тепловые колебания ионов в кристаллической решётке металла, что создаёт больше препятствий (рассеивает) для движения электронов — носителей тока. При этом само количество свободных электронов практически не меняется.
У полупроводников ситуация противоположная: их сопротивление с нагревом резко падает, так как ТКС у них отрицательный. Это связано с тем, что повышение температуры высвобождает огромное количество новых носителей заряда (электронов и дырок), что значительно улучшает проводимость материала.
Устройство и типы металлических термометров
Измерительная цепь термометра сопротивления состоит из трёх основных компонентов: самого датчика (термометра), электроизмерительного прибора (например, моста или логометра) для определения тока или сопротивления и источника питания.
Чувствительный элемент металлического термометра — это тонкая проволока (диаметром около 0.05 мм) из высокочистой платины или меди. Её наматывают на каркас из слюды, керамики или пластмассы и помещают в защитную оболочку. Соответственно, термометры делятся на платиновые (обозначаются, например, ТСП) и медные (ТСМ).
Преимущества металлических датчиков: высокая точность и стабильность показаний, отличная воспроизводимость характеристик, что обеспечивает взаимозаменяемость приборов. Для стандартных платиновых и медных термометров существуют готовые градуировочные таблицы, по которым значение измеренного сопротивления однозначно пересчитывается в температуру. Это позволяет легко интегрировать их в системы централизованного контроля и управления, подключая несколько датчиков к одному измерительному комплексу.
Особенности полупроводниковых термометров (термисторов)
Чувствительные элементы таких термометров изготавливают из смесей оксидов различных металлов (меди, марганца, кобальта, титана, магния). Для измерения сверхнизких температур часто используют германиевые термисторы.
Сильные стороны термисторов:
- Очень высокая чувствительность (изменение сопротивления на градус температуры у них в десятки раз больше, чем у металлических).
- Малая инерционность, что критически важно для исследования быстропротекающих процессов.
- Высокое номинальное сопротивление, позволяющее нивелировать влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерения.
Недостатки полупроводниковых датчиков:
- Значительный разброс параметров даже в пределах одной партии, что затрудняет взаимозаменяемость.
- Отсутствие единой стандартной градуировочной таблицы для типа; каждый датчик часто требует индивидуальной калибровки.
- Нелинейная зависимость сопротивления от температуры.
- Ограниченный диапазон рабочих температур и малая допустимая мощность рассеивания.
Применение и измерительные схемы
Термометры сопротивления применяются в широком диапазоне температур: от криогенных -60 °C до высоких +750 °C, а специальные исполнения могут работать и при 1000 °C.
В промышленности они обычно работают в паре со вторичными приборами: логометрами, автоматическими уравновешенными мостами или компенсаторами. Эти приборы имеют шкалу, сразу отградуированную в градусах Цельсия для конкретного типа датчика. Автоматические мосты могут быть показывающими или самопишущими (с ленточной или дисковой диаграммой), а также оснащаться устройствами для сигнализации и автоматического регулирования температуры. Класс точности таких систем обычно составляет ±0.25% или ±0.5%.