< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Термометри опору

Термометри опору – прилади, принцип дії яких ґрунтується на властивості матеріалів змінювати електричний опір під впливом температури. Провідники в таких вимірюваннях називаються терморезисторами, а напівпровідники – термісторами.

Для провідників залежність опору від температури має вигляд:

(10.3)

де R – опір провідника при температурі Т; – опір при температурі ; а – температурний коефіцієнт опору провідника; (де = 273,16 К = 0°С).

Для терморезисторів використовують такі метали як платина, нікель, мідь. Основні параметри цих металів наведено в табл. 10.1

10.1. Основні параметри металів, що використовуються як терморезистори

Параметр

Платина

Мідь

Нікель

Коефіцієнт теплового розширення β,

(°С)-1

0,00385-0,003927

0,0042

0,0067

Питомий опір, Ом•м

9,81•10-6

1,529•10-6

5,91•10-6

Лінійність залежності опору від температури

Відмінна

Відмінна

Слабка

Діапазон

температур

-260-+800 °С

-100-+150°С

–100–+500°С

Опір платини та інших чистих металів збільшується на 0,4-0,5 % від свої величини при зміні температури на один градус Цельсія. Платина характеризується стабільністю параметрів в умовах корозії, дії хімічних сполук. Вона не окислюється, піддається механічній обробці, має високу температуру плавлення й відзначається високим рівнем чистоти. Всі ці фактори впливають на стабільність залежності опору платинового провідника від температури. Платинові терморезистори характеризуються малими габаритами та компактністю (рис. 10.5). Діапазон температур, що вимірюються платиновим терморезистором, становить від -50 °С до 550°С.

Перевагою мідних терморезисторів є широкі зміни опору при зміні температури та практично лінійний відгук на температуру. Нікель має нелінійний характер залежності опору від температури. Нікель і мідь характеризуються меншою вартістю порівняно з платиною.

Платиновий терморезистор

Рис. 10.5. Платиновий терморезистор

Приклад

Провідник терморезистора має опір 50 Ом при температурі 0 °С і 71,5 Ом при температурі 231,97 °С. Знайти і а провідника.

Розв'язання

Використовуємо рівнянні ( 10.2), в яке підставляємо числові дані, що відповідають температурі 0 °С:

Звідси Ом.

Підставляємо числові дані, що відповідають температурі 231,97 °С:

Звідси

Контрольне завдання

При якій температурі провідник за умовами попереднього завдання матиме опір 89 Ом?

Відповідь: 421 °С.

Для напівпровідників опір спадає з підвищенням температури за формулою:

(10.4)

де а, Ом і b, К – сталі, що залежать від напівпровідника; Т – температура, К.

Типовими напівпровідниками, які використовуються як термістори, є кремній та германій. Розміри термісторів можуть

досягати 0,2 мм. Термістори є більш чутливими до зміни температури порівняно з терморезисторами: вони здані реагувати на зміни температури близько 10-3 °С. Інтервал температур, які вимірюють термістори, становить -50 °С-+100 °С.

Термоелектричний термометр

Термоелектричні термометри використовують термоелектричні явища, що виявляються у взаємозв'язку теплових та електричних процесів у твердих тілах. Одним із таких термоелектричних явищ є ефект Зеєбека – виникнення електрорушійної сили (е.р.с.) в електричному ланцюзі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти яких мають різну температуру (рис. 10.6).

Термоелектронний термометр

Рис. 10.6. Термоелектронний термометр

Для однорідних провідників А і Д що складають термопару, електрорушійна сила визначається за виразом:

(10.5)

де і – коефіцієнти Зеєбека для провідників А і В відповідно.

На практиці не використовують абсолютні значення коефіцієнтів Зеєбека; замість цього визначають ці коефіцієнти щодо певного опорного матеріалу (наприклад, платини):

(10.6) та

(10.7)

Звідси

(10.8)

де- відносний коефіцієнт Зеєбека термопари A, B.

Електрорушійна сила в цьому разі визначається так:

(10.9)

Звідси

(10.10)

Залежність електрорушійної сили Зеєбека від температури визначається за виразом:

(10.11)

Звідки

(10.12)

Значення коефіцієнтів а і β для типових металів знаходять з табл. 10.2.

10.2. Значення коефіцієнтів α і β для типових металів

Метал

Залізо

+16,7

-0,0297

Мідь

+2,7

+0,0079

Константан

-34,6

-0,0558

Типові термопари складаються з металів або сплавів, таких як мідь-константан, залізо-константан, платина-платина/родій.

Температурні інтервали таких термоелектричних термометрів визначаються вибором певної термопари: хромель-алюмель – від -200 °С до +1200 °С; залізо-мідь – від -40 °С до +750 °С; мідь-константан – від -200 °С до +350 °С.

До переваг термопар належать швидкий відгук до зміни температури, широкий діапазон температур, що вимірюються, невисока вартість.

Недоліком таких термометрів є невисока точність (яка перевищує 1 °С), а також невеликі значення електрорушійної сили, що виникає в електричному ланцюзі. Виправити цей недолік можна за рахунок послідовного з'єднання кількох термопар, що утворюють у цьому разі термобатарею.

Приклад

Визначити електрорушійну силу Зеєбека для термопари “залізо-мідь”, користуючись табл. 10.2, якщо температура термопари 200 °С, а опорна температура 0 °С.

Розв'язання

Визначимо відносний коефіцієнт Зеєбека за виразом:

Підставимо числові дані в формулу (10.10):

Контрольне завдання

Визначити електрорушійну силу Зеєбека за умовами попереднього завдання для термопари "залізо-константан”.

Відповідь: 10,782 мкВ.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >