Разновидности термосопротивлений, применяемые материалы и основы расчета

Принцип действия и пути использования термосопротивлений.

Термосопротивлением называется проводник или полупровод­ник с большим температурным коэффициентом сопротивления, на­ходящийся в теплообмене с окружающей средой, вследствие чего его сопротивление резко зависит от температуры и поэтому опреде­ляется режимом теплового обмена между проводником и средой. Теплообмен проводника с окружающей средой происходит раз­личными путями: конвекцией, теплопроводностью среды, тепло­проводностью самого проводника и излучением.

К факторам, определяющим интенсивность теплообмена провод­ника со средой, следует отнести:

а) температуру газовой или жидкой среды, самого проводника и арматуры;

б) физические свойства газовой или жидкой среды (например, плотность, теплопроводность, вязкость);

в) скорость газовой или жидкой среды;

г) геометрические размеры проводника и состояние его поверх­ности;

д) геометрические размеры и форму арматуры, к которой кре­пится проводник.

Зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно использовать для измерения различных неэлектрических величин, характеризую­щих газовую или жидкую среду: температуры, скорости, концентра­ции, плотности (вакуума). При конструировании соответствующих преобразователей следует стремиться к тому, чтобы все факторы, за исключением измеряемой величины, возможно меньше влияли на температуру проводника при тепловом равновесии, иначе говоря, чтобы теплообмен проводника и среды определялся в основном только измеряемой величиной (скоростью среды, температурой и т. д.).

Во всех случаях использования термосопротивлений для изме­рения указанных неэлектрических величин следует стремиться к максимальному уменьшению потерь, обусловленных теплопро­водностью самого проводника и лучеиспусканием, ибо эти потери вызывают уменьшение чувствительности прибора и погрешность измерения.

Часто термосопротивлением является тонкая проволока диа­метром 0,02—0,06 мм и длиной 5—20 мм, концы которой укреплены в массивных держателях. Теоретические и экспериментальные ис­следования показали, что при отношении длины l к диаметру d про­волоки порядка 500 и выше потерями тепла через теплопроводность самой проволоки от центра к держателям можно пренебречь. В ряде случаев, когда термосопротивление работает, например, в откры­том газовом потоке или когда температура проволоки отличается от температуры окружающей среды или стенок не очень сильно (не больше чем на 100 град), потери на излучение также можно не учи­тывать.

Когда потерями на лучеиспускание и теплопроводность прово­локи пренебречь нельзя, их можно учесть градуировкой, если, ко­нечно, эти потери сохраняют во время эксплуатации то же значе­ние, что и при градуировке.

Для решения практических вопросов, связанных с расчетом термосопротивлений, весьма часто приходится прибегать к теории по­добия, которая является научной основой постановки эксперимента и обобщения результатов опыта.

Разновидности термосопротивлений, применяемые материалы и основы расчета

Приборы для измерения температуры, в которых в качестве пре­образователя используются термосопротивления, называются тер­мометрами электрического сопротивления или термометрами сопротивления. Термосопротивления, используемые в при­борах для измерения температуры, работают при малой нагрузке током, с тем, чтобы тепло, выделяемое током в термосопротивлении, было минимальным по сравнению с теплом, получаемым от испытуе­мой среды.

Основным требованием к материалам, применяемым для преобра­зователей термометров сопротивления, является возможно больший и стабильный температурный коэффициент электрического сопротивления при достаточно большом удельном сопротивлении. В этом отношении большой интерес представляют объемные полупровод­никовые термосопротивления, имеющие значительно боль­ший температурный коэффициент электрического сопротивления по сравнению с проводниковыми термосопротивлениями.

Проводниковые термосопротивления применяются в преобра­зователях промышленных термометров сопротивления. Такие пре­образователи изготовляются главным образом из чистых металлов. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, колеблющимся (в ин­тервале 0—100°С) от 0,35 до 0,68% на 1 град.

Проволока из сплавов высокого сопротивления не может быть использована для намотки преобразователей термометров сопро­тивления, так как температурный коэффициент ее незначителен.

Наибольшее распространение для изготовления преобразовате­лей термометров сопротивлений имеют платина, медь и никель.

Для градуировки приборов с термометрами сопротивления термосопротивление заменяется магазином сопротивлений. Сопротив­ление преобразователя подсчитывается для каждой градуируемой точки шкалы и устанавливается на магазине, заменяющем преобра­зователь в цепи прибора. Поэтому вопрос о расчете сопротивления преобразователя при различных температурах необходимо рассмот­реть более подробно.

Зависимость сопротивления металлов от температуры не яв­ляется линейной. Для платины зависимость сопротивления от тем­пературы t в пределах от 0 до + 660°С выражается уравнением

R_t=R₀(1+At+Bt²),

где R₀ — сопротивление при 0°С. Для чистой платины A== 3,940*10^-3 1/град² B=-5,8*10^-7 1/град². В интервале от 0 до –190°С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид

R_t= R₀[1+At+Bt²+C(t - 100)³],

где С=-4*10^-12 1/град.

Для меди при расчете сопротивления, соответ­ствующего температу­ре t, пользуются обычно двухчленной формулой

R_t= R₀[1+α ₀(t - t₀)], (2.1)

где R₀ — сопротивление при температуре 0°C;

α₀ – температурный коэффициент для интервала температур, начинающегося от t_0.

Согласно ГОСТ на термометры сопротивления, медная прово­лока для термометров сопротивления должна удовлетворять отно­шению R₁₀₀/R₀= 1,427 ± 0,001.

Формула (2.1) выражает линейную зависимость сопротивления от температуры, мало отличающуюся от действительной зависимо­сти. При этом следует помнить, что сопротивление R₀ должно со­ответствовать начальной температуре того интервала температур, для которого задано значение α₀.

Действительно, положим, что значение α₀ задано для интервала температур от t₀ до t_К (рисунок 2.1). Тогда сопротивление R преобра­зователя в функции температуры t выразится участком прямой AB между абсциссами 1 и 2.

.

Рисунок 2.1 Зависимости сопротивления от температуры

Для температуры t в рассматриваемом интервале температур можно написать