2.4.4. Теоретическое введение

Для практической работы в производственных и научных целях обычно используют разнообразные вторичные термомет­ры, градуированные в той или иной шкале температур. Суще­ствует большое число разнообразных вторичных термометров. Рассмотрим некоторые из них.

Жидкостные термометры. В них используется зависимость объема жидкости от степени ее нагретости. Жидкость поме­щается в резервуар со стеклянным капилляром (рис. 1). При изменении температуры уровень жидкости в капилляре меняется. Вдоль капил­ляра расположена шкала, проградуированная в единицах температуры. Чем больше размеры резервуара, тем выше чувствительность термо­метра.

Рабочий диапазон жидкостного термометра обычно определяется точкой замерзания и кипе­ния рабочей жидкости. Границы рабочего диа­пазона некоторых термометрических жидкостей приведены в таб.1. Погрешность измерений с помощью жидкостных термометров лежит в об­ласти 0,01 К. Недостатком таких термометров являются их сравнительно большой размер и большая теплоемсть. Поэтому тепловая инер­ция таких термометров велика.

Рис.1. Жидкостной термометр

Измерение температуры с помощью термисторов

Часто для измерения температуры в медицине используют термисторы.

Термистор(англ. thermistor), то же что терморезистор. Исторически термин "Т." происходит от английских слов thermally sensitive resistor — термочувствительный резистор. Термистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году и имеет патент США номер #2,021,491.

ТЕРМИСТОР (терморезистор), ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ резистор, обладающий свойством существенно изменять свое электрическое сопротивление при изменении ТЕМПЕРАТУРЫ. При 20 ^oС сопротивление может быть порядка тысячи ом, тогда как при 100 ^oС - всего около 10 ом. Термисторы используются при измерении температуры и для компенсации температурных колебаний в различных частях схемы.

Для термистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС)который существенно убывает с ростом температуры (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.

Терморезистор изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1—10 мкм до 1—2 см.

Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.

Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы)ТКС. Терморезисторы с отрицательным ТКС изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoO?, NiO, CuO), легированных Ge и Si, полупроводников типа A^III B^V, стеклообразных полупроводников и других материалов.

Различают терморезисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170—510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 900—1300 К. Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от — 2,4 до —8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1—10⁶ Ом.

Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров терморезистора, так и от температуры теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой. Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрической цепей и электронных приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электро-магнитного излучения на СВЧ, стабилизаторов температуры и напряжения. Режим работы терморезистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления терморезистора от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких терморезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с терморезистором при изменении температуры окружающей среды или условий теплообмена терморезистора со средой. Изготовляются также терморезисторы специальной конструкции — с косвенным подогревом. В таких терморезисторах имеется подогревная обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента (если при этом мощность, выделяющаяся в резистивном элементе, мала, то тепловой режим терморезистора определяется температурой подогревателя, то есть током в нём). Таким образом, появляется возможность изменять состояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой терморезистор используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на расстоянии.

Из терморезисторов с положительным температурным коэффициентом наибольший интерес представляют терморезисторы, изготовленные из твёрдых растворов на основе BaTiO₃. Такие терморезисторы обычно называют позисторами. Известны терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом (0,5—0,7 %/К), выполненные на основе кремния с электронной проводимостью; их сопротивление изменяется с температурой примерно по линейному закону. Такие терморезисторы используются, например, для температурной стабилизации электронных устройств на транзисторах.

Термометры сопротивления. В них исполь­зуется зависимость сопротивления вещества от его температуры. Обычно этим веществом является металл. Однако, в качестве чувствительного элемента мостовой схемы можно использовать термистор

У большинства металлов с ростом температуры сопротивление растет.

Термометр R_T (термистор) обычно включают в мостовую схему (рис. 2). Сигнал разбалансировки моста возникает при нагре­вании термометра. Сигнал измеряется прибором V. В табл. 1. приведены некоторые металлы, используемые в качестве термо­метров сопротивления, диапазон их применимости и средний температурный коэффициент сопротивления.

Таб. 1. Измеряемые температуры и некоторые характеристики термометров сопротивления

(1)

Здесь R_o — сопротивление термометра при 0°С, а R ₁₀₀ -при -100° С.

Рис.2. Мостовая схема подключения термистора для измерения температуры, внешний вид термисторного датчика

Термисторные термометры отличаются сравнительно невысокой линейностью

амплитудной характеристики, но лучшим временем реакции чем термопарные термометры.

Термопарные термометры

Термопара (термоэлектрический преобразователь) – это наиболее распространенный датчик температуры, термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01^°С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.

Термопара состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») термопары подключаются ко входу терморегуляторов. Поскольку термо ЭДС зависит от разности температур двух спаев термопары, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру «холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях. В модификациях входов, предназначенных для работы с термопарами, предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. Датчиком температуры «холодного спая» служит полупроводниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником. Подключение термопар к прибору должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопара. При соединении компенсационных проводов с термопарой и прибором необходимо соблюдать полярность. Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора линию связи прибора с датчиком рекомендуется экранировать. В качестве экрана может быть использована заземленная стальная труба. При нарушении указанных условий могут иметь место значительные погрешности при измерении.