Термометр сопротивления - это прибор, который используется для измерения температуры. Его работа основана на свойстве металлов изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Чувствительным элементом в термометре сопротивления является резистор, выполненный из специального сплава с высоким температурным коэффициентом сопротивления. При изменении температуры сопротивление этого резистора меняется, что и позволяет определить температуру.
Рассмотрим подробнее принцип действия и особенности подключения термометров сопротивления.
Принцип действия термометра сопротивления
Как уже было сказано, термометр сопротивления использует зависимость электрического сопротивления проводников от температуры. С ростом температуры сопротивление металлов увеличивается. Это свойство и используется при измерении температуры.
В качестве чувствительного элемента в термометре сопротивления используется резистор из специального сплава с высоким температурным коэффициентом. Чаще всего это платина, медь или никель. При нагревании такого резистора его сопротивление увеличивается пропорционально росту температуры.
Измерив сопротивление резистора, можно определить температуру. Для этого используют специальную градуировочную характеристику, устанавливающую соответствие между сопротивлением и температурой.
Типы термометров сопротивления
Существует несколько разновидностей термометров сопротивления, отличающихся типом чувствительного элемента:
- Платиновые термометры сопротивления. Используют чувствительный элемент из платины. Обеспечивают высокую точность измерения в широком диапазоне температур.
- Медные термометры сопротивления. Чувствительный элемент выполнен из меди. Менее точные, чем платиновые, но более дешевые.
- Никелевые термометры сопротивления. Используют никелевые резисторы. Применяются для измерения низких температур.
Кроме того, бывают эталонные платиновые термометры сопротивления, обеспечивающие сверхвысокую точность измерений и используемые в качестве образцовых приборов.
Подключение термометров сопротивления
Для измерения сопротивления чувствительного элемента и определения температуры термометр сопротивления должен быть подключен по специальной схеме. Рассмотрим основные варианты подключения.
Подключение по двухпроводной схеме
Простейший вариант - двухпроводная схема. Термометр подключается к источнику постоянного тока, напряжение на резисторе измеряется вольтметром. По измеренному напряжению и известному току рассчитывают сопротивление и определяют температуру.
Однако такая схема не компенсирует сопротивления соединительных проводов, что вносит значительную погрешность в измерения. Поэтому на практике она применяется редко.
Подключение по трехпроводной схеме
Более точное измерение обеспечивает трехпроводная схема подключения. В ней используется дополнительный третий провод для компенсации сопротивления соединительных проводов.
При этом ток пропускается только через резистор, а напряжение измеряется непосредственно на нем, без учета падения напряжения на соединительных проводах. Это повышает точность.
Подключение по четырехпроводной схеме
Еще более точные измерения дает четырехпроводное подключение. Здесь используются две пары проводов - одна для подачи тока, вторая для измерения напряжения. Это полностью устраняет влияние сопротивления соединительных проводов.
Четырехпроводная схема является предпочтительной и позволяет достичь наибольшей точности измерений.
Применение термометров сопротивления
Термометры сопротивления широко используются как в промышленности, так и в научных исследованиях для точного измерения температуры. Их применяют в таких областях, как:
- Метеорология и климатические исследования.
- Энергетика и теплотехника.
- Контроль технологических процессов в промышленности.
- Измерение температуры металлов и сплавов.
- Медицинские исследования.
Преимуществами термометров сопротивления являются высокая точность, широкий диапазон измеряемых температур, удобство автоматизации измерений. Поэтому они широко используются в ситуациях, когда нужно производить прецизионные измерения температуры.
Требования к точности термометров сопротивления
Выбор типа термометра сопротивления зависит от требуемой точности измерений. Для научных исследований и высокоточных измерений применяют платиновые термометры сопротивления. Они обеспечивают погрешность в диапазоне 0,001-0,01°C.
В промышленности чаще используют менее точные медные и никелевые термометры сопротивления с погрешностью 0,1-1°C. Они дешевле и проще в эксплуатации. В метеорологии требуется точность около 0,1°C, поэтому там применяются платиновые датчики.
Устройства измерения сопротивления
Для измерения сопротивления чувствительного элемента термометра и расчета температуры используются специальные устройства - омметры или мосты постоянного и переменного тока. Они позволяют с высокой точностью определить величину электрического сопротивления.
Современные цифровые омметры могут измерять сопротивление с точностью до 0,01 Ом. Мосты переменного тока обеспечивают измерение сопротивления с погрешностью до 0,001% и используются с высокоточными платиновыми термометрами.
Комплекты термометров сопротивления
Термометры сопротивления часто поставляются в комплекте с устройствами измерения сопротивления, например с цифровыми омметрами или мостами. Такие комплекты позволяют сразу после покупки начать измерять температуру.
В комплект, как правило, входит сам термометр сопротивления, соединительные провода, измеритель прибор и инструкция по применению. Бывают также комплекты для одновременного подключения нескольких термометров к одному измерителю.
Калибровка термометров сопротивления
Для обеспечения высокой точности измерений термометры сопротивления периодически калибруют. Калибровка заключается в сопоставлении показаний термометра с эталонными значениями температуры.
Процедура калибровки выполняется при нескольких контрольных значениях температуры. По результатам строят градуировочную кривую зависимости сопротивления от температуры. Это позволяет вносить поправки в показания прибора и повышать точность.
Автоматизация измерений термометрами сопротивления
В системах автоматического контроля температуры часто используют термометры сопротивления. Их подключают к автоматическим устройствам сбора данных, которые периодически измеряют сопротивление и пересчитывают его в значение температуры.
Полученные данные обрабатываются компьютером, что позволяет в автоматическом режиме контролировать температурные режимы технологических процессов, проводить длительные климатические наблюдения и решать другие задачи.
Защита термометров сопротивления от внешних воздействий
Для измерения температуры в агрессивных средах термометры сопротивления помещают в защитные гильзы. Гильзы изготавливаются из коррозионно-стойких материалов, инертных по отношению к окружающей среде. Например, для химически активных жидкостей применяют золотые, платиновые или танталовые гильзы.
Кроме того, для работы при высоких давлениях используют бронированные и усиленные гильзы. Они выдерживают давление до сотен атмосфер и защищают чувствительный элемент от механических воздействий.
Поверка термометров сопротивления
В процессе эксплуатации метрологические характеристики термометров сопротивления могут измениться. Для подтверждения пригодности к применению проводят поверку.
Поверка выполняется аккредитованными лабораториями с использованием эталонных средств измерения температуры. По результатам поверки выдается свидетельство с указанием действительных метрологических характеристик прибора.
Межповерочный интервал для термометров сопротивления обычно составляет 1-2 года. Регулярная поверка обязательна для приборов, используемых в сферах государственного регулирования обеспечения единства измерений.
Выбор типа термометров сопротивления
При выборе термометра сопротивления для конкретного применения учитывают такие факторы, как требуемый диапазон измеряемых температур, необходимая точность, условия эксплуатации, совместимость с измерительными приборами.
Для работы в широком интервале температур подходят платиновые термометры. В узком диапазоне можно использовать более дешевые медные или никелевые. Если нужна высокая точность - выбирают платиновые эталоны.
Преимущества термометров сопротивления
По сравнению с другими типами термометров, термометры сопротивления обладают рядом преимуществ. К ним относятся высокая точность и стабильность показаний, широкий диапазон измеряемых температур, удобство автоматизации, малые габариты чувствительного элемента.
Кроме того, они не требуют подвода вспомогательной энергии к месту измерения и отличаются долговечностью при правильной эксплуатации. Эти качества обуславливают широкое применение термометров сопротивления.
Недостатки термометров сопротивления
Наряду с достоинствами, термометрам сопротивления присущи и некоторые недостатки. К ним относятся относительно высокая стоимость, особенно платиновых датчиков, а также необходимость использования дополнительных измерительных приборов.
Кроме того, показания термометров зависят от точности измерения сопротивления. При этом сами по себе термометры не дают информации о температуре без подключения к измерителю.
Тенденции развития термометров сопротивления
Современные тенденции в разработке термометров сопротивления связаны с созданием миниатюрных чувствительных элементов, расширением диапазонов измеряемых температур, повышением быстродействия.
Актуальны исследования новых материалов с высоким температурным коэффициентом, разработка технологий automated in-situ calibration, применение цифровой обработки сигналов для повышения точности.
Перспективы применения термометров сопротивления
Благодаря своим преимуществам термометры сопротивления будут и дальше находить применение в самых различных областях - от метрологии до медицины. Ожидается расширение использования в бытовой технике, системах "умного дома".
Перспективно применение для контроля температурных режимов микроэлектронных устройств, в нанотехнологиях, экстремальных условиях. Развитие технологий позволит сделать термометры еще более компактными и точными.
