Платиновые термометры сопротивления — наиболее точный прибор для измерения температур

Чистая платина — наилучший и наиболее распространенный материал для изготовления чувствительных элементов термометров (термопреобразователей сопротивления). Неокисляющаяся платина длительное время чрезвычайно устойчиво сохраняет величину удельного электрического сопротивления.

В настоящее время разработаны и широко применяются промышленные методы получения платиновой проволоки предельно высокой чистоты, что обеспечивает весьма хорошую воспроизводимость термометрических свойств термоприемников, изготовленных из нее. Наконец, высокая температура плавления платины (1769° С) способствует использованию ее термометрических свойств в широком температурном интервале.

Первый платиновый термометр сопротивления был разработан в 1888 году.

Достоинства термометров сопротивления:

• Широкий диапазон температур;

• Простота изготовления;

• Надежность, прочность;

• Быстродействие;

• Высокая точность.

Для изготовления технических платиновых термометров сопротивления применяют платиновую проволоку с температурным коэффициентом сопротивления α > 3,90·10^-3 град^-1.

Для чувствительных элементов эталонных и образцовых термометров сопротивления используют платиновую проволоку с температурным коэффициентом α > 3,92·10^-3 град^-1. Предельно высокое значение температурного коэффициента сопротивления чистейшей платины, по-видимому, следует считать равным α > 3,927·10^-3 град^-1

Платиновый термопреобразователь сопротивления FLUKE

В пирометрической практике довольно широко применяют пленочные термометры сопротивления.

Чувствительный элемент такого термометра представляет собой слой металла (например, платины) толщиной в несколько микрон, нанесенный на стеклянную или кварцевую подложку. Металлический слой обычно наносят либо катодным напылением, либо химическим способом.

На краях этого слоя создается надежный контакт с выводами, используемыми для измерения сопротивления.

Температурный коэффициент, характеризующий сопротивление пленочного платинового термометра, гораздо ниже, чем для термометра, изготовленного из платиновой проволоки. Так, для платиновой пленки толщиной в несколько микрон температурный коэффициент сопротивления α > 3,3·10^-3 град^-1.

По мере уменьшения толщины металлической пленки положительная величина температурного коэффициента снижается, переходит через нуль и для металлических пленок толщиной в несколько десятков ангстрем температурный коэффициент сопротивления становится отрицательным.

Платиновый термометр сопротивления — наиболее точный прибор для измерения температур. Тщательно изготовленный платиновый термометр сопротивления характеризуется настолько высокой воспроизводимостью показаний, что погрешность измерения температур с его помощью зависит прежде всего от способа градуировки термометра.

Серийно изготавливаемые технические платиновые термометры сопротивления могут служить для длительного измерения температур до 650° С. 

В отличии от платины сильная окисляемость меди при высоких температурах ограничивает температурный предел применения медных термометров сопротивления (ТСМ).

Применение бакелитового лака для покрытий чувствительных элементов технических медных термометров в ряде современных конструкций существенно не улучшает положения. Поэтому медные термометры сопротивления применяют только для измерения температур, не превышающих 200° С.

Производство платиновых термометров сопротивления стандартизировано. В зарубежном варианте маркироваки используются платиновые термометры (Platinum Resistance Thermometer, Platinum rtd sensor) Pt25, Pt100 и Pt1000.

Датчики температуры PT100 (3 разные модели)

Зависимость сопротивления от температуры термометра сопротивления PT100

Подключение платиновых термопреобразователей сопротивления к программируемому реле: ОВЕН ПР102:

У нас в стране для платиновых термометров сопротивления используется маркировка ТСП. Термопреобразователи сопротивления (ТСП) выпускают двух классов с номинальными значениями сопротивлений R₀ (при 0°С), равными 10; 46 и 100 ом.

С целью обеспечения наилучшей взаимозаменяемости технических термометров установлены жесткие допуски на точность подгонки начального сопротивления R₀ и подбора проволоки с близкими значениями температурного коэффициента сопротивления для намотки элемента термометра.

В термопреобразователях сопротивления (ТСП) класса I допустимые отклонения значений R₀ от номинальных составляют ±0,05%, а в термометрах класса II это допустимое отклонение составляет ±0,1% от R₀.

Аналогично значение температурного коэффициента сопротивления для технических термометров ТСП установлено равным 3,91·10^-3 град^-1, причем допустимое отклонение от установленного значения составляет ±7·10^-6 град^-1 для термометров I класса и ±1·10^-5 град^-1 для термометров II класса.

Такие жесткие допуски отклонений от установленных значений основных характеристик технических платиновых термометров сопротивления позволили нормировать значения их сопротивлений при различных температурах.

Термопреобразователь сопротивления ТСП

Выбор начального сопротивления R₀ термометра определяется рациональным сочетанием двух противоречивых требований: малогабаритности и в ряде случаев необходимости получать больший сигнал от чувствительного элемента.

Образцовые платиновые термометры при нагреве до этой температуры успешно применяют в метрологической практике.

Зависимость удельного сопротивления платины от температуры в интервале от 0 до 1100° С хорошо описывается выражением

R_t=R₀·(1+At + Bt²),

в котором R₀, A и В для данного термометра сопротивления определяются градуировкой его при трех значениях температур; t1, t2 и t3, по возможности равномерно распределенных по интервалу температур применения термометра.

Присутствие в окружающей атмосфере при высоких температурах продуктов сгорания углерода (СO и СO₂) губительно для платины. Происходящее в этих условиях науглероживание приводит к снижению температурного коэффициента платины, уменьшению механической прочности и, часто, к разрушению чувствительного элемента. Загрязнение платины при высоких температурах наблюдается в парах металлов и при соприкосновении с деталями из угля или графита.

Использование платиновых термометров сопротивления для измерения высоких температур ограничено распылением платины, прогрессивно возрастающим по мере повышения температуры. В результате этого длительное воздействие на платиновый термометр высоких температур приводит к постепенному повышению его сопротивления, а следовательно, к нарушению его градуировочных данных.

Распыление платины при высоких температурах (при прочих равных условиях) тем больше, чем больше площадь поверхности образца. Поэтому относительное изменение сопротивления платиновой проволоки, обусловленное распылением платины, будет тем сильнее, чем больше отношение площади поверхности используемого образца к его объему.

По мере увеличения диаметра проволоки ее объем возрастает быстрее, чем площадь поверхности, и, следовательно, влияние распыления платины на относительное измерение сопротивления меньше площади поверхности используемого образца к его объему.

По мере увеличения диаметра проволоки ее объем возрастает быстрее, чем площадь поверхности, и, следовательно, влияние распыления платины на относительное измерение сопротивления меньше проявляется у проволок большего диаметра.

При использовании открытых чувствительных элементов из платиновой проволоки для измерения температур газов необходимо иметь в виду, что всем металлам платиновой группы свойственна способность быть катализаторами в контакте с горячими смесями, причем это взаимодействие сопровождается выделением тепла на поверхности катализатора.

Этим в некоторой степени ограничено применение открытых чувствительных элементов платиновых термометров для измерения температур газовых смесей, в которых могут присутствовать непрореагировавшие продукты сгорания.

С другой стороны, так как каталитический эффект наблюдается на поверхности проволочки чувствительного элемента термометра, то можно ожидать, что по мере увеличения диаметра используемой платиновой проволоки, т. е. по мере уменьшения отношения площади проволочки к ее объему, влияние каталитического эффекта на изменение ее температуры будет снижаться.

Исходя из этого, целесообразно в сомнительных случаях проверять отсутствие влияния каталитического эффекта одновременным применением двух чувствительных элементов платиновых термометров, изготовленных из платиновых проволочек различного диаметра.

Сходимость (в пределах погрешностей измерений) показаний обоих термометров сопротивления будет служить косвенным доказательством отсутствия влияния каталитического эффекта. Иногда для исключения каталитического эффекта платиновую проволоку покрывают тонким слоем позолоты или остекловывают.

У остеклованных термометров значение температурного коэффициента сопротивления намного ниже, чем у свободной платиновой проволоки и составляет ~ 3,85·10^-3 град^-1. Такое снижение температурного коэффициента сопротивления происходит из-за возникновения механических напряжений в платине при ее заплавлении в стекло.

Не путайте этот термопреобразователь с термопарой платина/платина-родий, которая представляет собой еще одно устройство для измерения температуры из платины, но использует другое физическое явление (смотрите - Что такое термопара и как она работает)

Смотрите дополнительно по этой теме: Какой датчик температуры лучше, критерии выбора датчика