При заключении соглашения о Международной практической температурной шкале МПТШ в качестве основных приборов для измерения температур между реперными точками были утверждены платиновые термометры сопротивления, платино-родиевые термопары и спектральные (яркостные) пирометры. Установленные диапазоны применения этих устройств показаны в нижней части рисунка 32.
Во многих технических измерениях, не требующих высокой точности, считается допустимым использовать более простые и дешевые термометры – стеклянные жидкостные термометры, полупроводниковые термисторы, радиационные пирометры, термопары из неблагородных металлов и т.п. Рекомендуемые области применения таких термометров показаны в верхней части рисунка 32.
В бытовых устройствах для измерения температур используют и другие разнообразные индикаторы температуры, такие как биметаллические пластины, светочувствительные краски.
В отдельных областях промышленности разработаны нестандартные методы измерения температуры, приспособленные к требованиям конкретных производственных процессов. Так, для измерения поля температур в нефтегазовых «умных» скважинах все более широко используют термометрию, основанную на закономерностях комбинационного рассеяния света в стеклянных оптоволоконных кабелях.
.files/image1037.jpg)
Рисунок 32. Рекомендуемые области применения термометрических приборов.
Удельная электропроводность металлов s значительно превышает электропроводность других веществ из-за присутствия больших концентраций носителей заряда (свободных электронов). Удельное электрическое сопротивление r=1/s металлов определяется процессами рассеяния электронов проводимости, длиной их свободного пробега l. В классической теории электропроводности металлов рассматривают совокупность свободных электронов как идеальный газ, длина свободного пробега в котором определяется лишь рассеянием на неподвижных ионах кристаллической решетки. Исходя из этих предположений, для удельного сопротивления получают выражение:
r = 2mv/ne2l (53)
где m, e – масса и заряд электронов, v- средняя скорость их теплового движения :
.files/image1039.gif)
(54)
Таким образом, в этой простейшей теории r пропорционально Т1/2 .
В реальных металлах дополнительными механизмами рассеяния, определяющими длину свободного пробега, являются взаимодействие электронов с фононами, электронов друг с другом, электронов с химическими и физическими неоднородностями кристаллической решетки. В простейших моделях реальных металлов принято считать, что различные механизмы рассеяния дают аддитивный вклад в удельное сопротивление металла (правило Матиссена) :
.files/image1041.gif)
(55)
где n – концентрация электронов проводимости, pF – граничный фермиевский импульс.
Конкуренция различных механизмов рассеяния приводит к линейной зависимости r от температуры при достаточно высоких температурах (выше температуры Дебая) и к пропорциональности .files/image1043.gif)
при очень низких температурах. Экспериментальные зависимости сопротивления металлов от температуры с хорошей точностью описываются полиномами третьей степени. Однако при обычных требованиях к точности ограничиваются квадратичной или даже линейной функцией:
R(t0C) = R(0C)×(1+at) (56)
где a – линейный температурный коэффициент сопротивления.
В качестве материала для металлических термометров сопротивления используют платину и никель, характеризуемые линейной зависимостью R(Т) в достаточно широких диапазонах температур (рисунок 36), от – 60С до 180С для никеля и от –220С до 750С для платины.
.files/image1045.jpg)
Рисунок 36. Температурные характеристики сопротивления платиновых и никелевых термометров.
Средние температурные коэффициенты сопротивления этих металлов имеют следующие значения : a = 3,85×10-3 К-1 для платины и a=6,17×10-3 К-1 для никеля. Чувствительные элементы металлических термометров сопротивления представляют собой очень тонкую платиновую или никелевую проволоку, намотанную на каркас (рисунок 37). В зависимости от диапазона измерения, несущие каркасы могут быть изготовлены из термостойкой пластмассы, керамики, стекла или слюды.
.files/image1047.jpg)
Рисунок 37. Конструктивные исполнения чувствительных элементов металлических термометров сопротивления.
В чистых (беспримесных) полупроводниках (Ge, Si) электрическая проводимость определяется равноправным участием носителей заряда двух типов: электронов и дырок. В отличие от металлов, в температурной зависимости удельного сопротивления доминирующим фактором является не усиление рассеяния носителей заряда, а возрастание их концентрации. Поэтому с увеличением температуры удельное сопротивление полупроводников быстро уменьшается:
.files/image1049.gif)
(57)
где А – постоянная, DЕ – ширина запрещенной зоны.
Для изготовления термисторов используют примесные полупроводники и сплавы, которые могут обладать несколькими механизмами проводимости:
.files/image1051.gif)
(58)
При доминирующей роли одного механизма проводимости это уравнение может быть записано в более удобной форме в виде соотношения, определяющего удельное сопротивление:
.files/image1053.gif)
(59)
где величину DЕ называют энергией активации. Экспоненциальная характеристика, описываемая этой формулой (рисунок 38), имеет большой и сильно изменяющийся температурный коэффициент a (определяемый формулой 56). У распространенных промышленных термисторов он изменяется в диапазоне от -1 К-1 до -6 К-1 . С точки зрения градуировки и отсчета результатов, большая нелинейность нежелательна, однако термисторы получили широкое распространение в производственной практике именно благодаря своему большому температурному коэффициенту сопротивления.
С использованием термисторов могут быть созданы простые и дешевые приборы, без использования дополнительных усилителей. Полное сопротивление термисторов обычно составляет от 1 кОм до 1 МОм, в сравнении с ним изменения сопротивления на клеммах и в соединительных проводах незначительны и ими можно пренебречь. Это обусловливает существенное преимущество термисторов перед металлическими термометрами сопротивления и термопарами.
.files/image1055.jpg)
Рисунок 38. Типичный вид зависимости сопротивления от температуры для термисторов из германия.
В отличие от металлических термометров сопротивления, чувствительные элементы термисторов (рисунок 39) могут быть изготовлены весьма малых размеров, например, в виде спеченных шариков диаметром 0,2 – 0,5 мм.
.files/image1057.jpg)
Рисунок 39. Конструкции чувствительных элементов термисторов. 1 – стекло; 2 – сталь; 3 – серебро.
В зависимости от места установки, чувствительные элементы термисторов защищают тонкой стеклянной, керамической или стальной оболочкой.
Термоэлектрическими называют группу физических явлений, в которых проявляется взаимосвязь термодинамических и электрических процессов в проводниках. К таким явлениям относятся эффекты Зеебека, Томсона и Пельтье.
Материалы для термоэлектрических термометров (термопар) выбирают исходя из следующих требований: высокой чувствительности к изменениям температуры (большой величины коэффициента a); линейности характеристики (зависимости E (Т)); малой инерционности; достаточной механической прочности при высоких и низких температурах; стойкости по отношению к коррозии. Все материалы для термопар принято делить на две группы: пары благородных металлов и пары неблагородных металлов.
В первой группе наиболее распространенной является термопара платина – платиновородиевый сплав, содержащий 10 % родия (Pt-Pt10RH). Во второй группе наиболее распространены термопары медь-копель и хромель-алюмель. Копель – сплав, содержащий 55 % Cu + 45 % Ni; хромель – 90,5 % Ni +9,5 % Cr; алюмель – 94,5 % Ni + 5,5 % Al,Si,Mn,Co.
Температурные характеристики ряда распространенных термопар показаны на рисунке 42.
.files/image1059.jpg)
Рисунок 42. Зависимости термо-э.д.с. от температуры для некоторых промышленных термопар.
Конструктивное исполнение чувствительных элементов термопар с защитной оболочкой показано на рисунке 43. Благодаря компактной конструкции их размеры могут быть очень малыми (наружный диаметр 0, 25 – 6мм). Термоэлектроды изолированы друг от друга термостойким керамическим порошком. Оболочку обычно изготавливают из коррозионно-стойкой высоколегированной стали.
.files/image1061.jpg)
Рисунок 43. Конструктивное исполнение термопар с защитной оболочкой.
При измерениях с помощью термопар необходимо определять величины очень малых термо-ЭДС, не превышающий 100 мВ.. При этом (из-за малых величин коэффициентов термо-ЭДС) для обеспечения точности определения температуры 0,1 0С необходима измерять термо-ЭДС с точностью не хуже 0,1 мкВ. В настоящее время для подобных измерений выпускают специализированные цифровые приборы, оснащенные усилителями и микропроцессорами.
