Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов.
Функция преобразования медного терморезистора линейна:

где R₀ — сопротивление при 0°С; a = 4,28•10^-3 K^-1 - температурный коэффициент.

Функция преобразования платинового тepморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен a = 3,91•10^-3 K^-1

Простые схемные решения позволяют получить широко растянутый малый диапазон измерения на любом уровне. Благодаря высоким метрологическим качествам платиновые ТС используются для воспроизведения МПТШ-68 (международная практическая температурная шкала) в диапазоне температур от 13,81 до 903,89 К. Полупроводниковые и электролитные ТС обладают экстремальными характеристиками, поддающимися конструктивной вариации в широких пределах. Поэтому они, наряду с металлическими термометрами, эффективно используются в системах измерения, контроля и автоматизации в промышленных технологических комплексах.

Чувствительный элемент медного терморезистора (рис.2.2,а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0-1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовый шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис.2.2,б), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.
При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы.
Основные параметры наиболее распространенных терморезисторов и обозначения их градуировок по ГОС16651-84 приведены в табл.2.5.
Номинальные функции преобразования (статические характеристики) медных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСТ 6651 -84.
 
 

Платиновые ТС.
Основные требования, которым должен удовлетворять материал чувствительного элемента ТС, следующие: 1) нечувствительность к малым примесям, которые могут появиться в процессе изготовления или эксплуатации; 2) простота технологии получения и изготовления. В настоящее время обсуждается возможность и целесообразность применения платиновых ТС для воспроизведения Международной практической температурной шкалы до температуры 1064,43°С. В промышленных условиях применение платиновых ТС нормировано для измерений до 1100°С.
Зависимость относительного сопротивления от температуры для платины описывается уравнениями, регламентированными МПТШ-68.

Конструкции чувствительных элементов.
Для измерения температур до 630,74°С применяются ТС, чувствительные элементы которых изготовляются из платиновой проволоки диаметром от 0,05 до 0,2 мм, свободной от натяжений, бифилярно намотанной на каркас для устранения влияния магнитных помех. 

ТС для исследовательских работ характеризуются повышенной чувствительностью к изменению температуры, воспроизводимостью, стабильностью и удобством при эксплуатации. Эти свойства в известной степени зависят от сопротивления чувствительного элемента, определяющей величиной которого является сопротивление при 0°С. По этому признаку ТС делятся на низкоомные и высокоомные. Увеличение сопротивления чувствительного элемента при 0°С приводит к увеличению его размеров и инерционности, упрощая, однако, работу с ТС, так как появляется возможность применения более простых измерительных схем. Эталонные и образцовые платиновые ТС, работающие в диапазоне температур от —182,97 до 630°С, изготовляются с R0 = 10 Ом.
 
 

Рис. 2.3. Платиновый ТС конструкции Стрелкова: 1—алюминиевый колпачок; 2—клеммы; 3 — токовые провода; 4 — кварцевая оболочка; 5 — измерительная спираль; 6 — каркас; 7 — потенциальные выводы; 8 — подводящие провода.

Для точных измерений температуры применяется конструкция с чувствительным элементом в виде спирали Стрелкова (рис.2.3). Для измерения средних температур (от 0 до 6300С) применяется платиновый ТС (ПТС-10) с R0 ~ 10 Ом; для измерения низких температур (от —182,97 до 0°С) — с R0 ~ 100 Ом; для измерения сверхнизких температур (от 13,81 до 273,15 К)—с 250м ? R0 ? 1000 0м при температуре тройной точки (ТСПН-1 и ТСПН-2, ГОСТ 12377-67) [2].

Медные ТС. Обычная медь, поставляемая системой снабжения в виде проволоки и проводов всех требуемых размеров, не дефицитна, дешева, чиста и гомогенна — вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалу чувствительных элементов ТС для измерения умеренных температур. Существенный практический недостаток меди — при температуре выше 300°С она начинает активно окисляться. Поэтому медь применяется в чувствительных элементах ТС для измерения температур не выше 200°С. Изоляционные покрытия медных проводов — лак или шелк — также не выдерживают влияния высоких температур. К числу недостатков меди следует отнести и ее малое удельное сопротивление (r = 1,7*10^-8 Ом•м).
ТКС определяется по сопротивлениям R0 и Rt чувствительного элемента медного ТС, измеренных соответственно при точке таяния льда и кипения воды. В диапазоне температур от —50 до 200°С зависимость сопротивления меди от температуры носит линейный характер: Rt = R0  (1 + ?t).
Согласно ГОСТ 6651—78, медные ТС применяются для длительного измерения температуры в диапазоне от —200 до 200°С. 
 
 

Рис.2.4. Зависимость ТКС платины, олова, индия от температуры.

ТС из других чистых металлов. Кроме платины и меди в качестве материала для чувствительного элемента ТС применяют никель, железо, вольфрам, свинец, индий, олово, кадмий, ртуть, галлий.

Никелевые ТС. Преимущества никеля перед медью— высокие ТКС (a = 6,4•10^-3) и удельное сопротивление (r = 12,8•10⁸ Ом•м), недостаток — большое влияние загрязнений на ТКС. Сопротивление никелевых ТС, предназначенных для измерения температур в диапазоне от 0 до 200°С, описывается таким же уравнением, как и для платиновых ТС (А = 5.43•10^-3 К^-1, В == 7,85•10^-6 К^-2). Нелинейные члены в уравнениях сопротивления имеют разные знаки (для никеля — положительный, для платины — отрицательный). Это открывает возможность создания ТС с линейной характеристикой до 350°С путем последовательного включения платиновой и никелевой обмоток с отношением сопротивлений, равным 12:1, при 0°С. Никель претерпевает структурное превращение при 350°С.

Железные ТС применяются для измерения температур в диапазоне от 0 до 100°С (А = 6,5•10 -3 К-1).

Вольфрамовые ТС обеспечивают удовлетворительную точность при измерениях температур до 1000°С. При измерении высоких температур чувствительный элемент необходимо помещать в герметичную арматуру.

Свинцовые и индиевые ТС хорошо зарекомендовали себя при измерении низких температур. При температуре ниже 50 К их ТКС (рис.2.4) заметно больше, чем у платины, и они эффективно работают вплоть до перехода в состояние сверхпроводимости (Pb — 7,2 К, In — 3,4 К).

Механические напряжения затрудняют использование при измерениях температур ТС. Поэтому неоднократно предпринимались попытки применения в ТС жидких металлов, заполняющих кварцевые капилляры. Использование для изготовления капилляров плавленого кварца, имеющего малый коэффициент термического расширения, практически решает вопрос о влиянии вариации температуры на размеры чувствительного элемента. Для жидкометаллических ТС применялись также сплавы ртути с галлием и таллием. Ртуть хорошо зарекомендовала себя и в твердом состоянии для измерений вплоть до наступления сверхпроводимости.
По ряду характеристик сплавы имеют преимущества перед чистыми металлами для применения в качестве материала чувствительных элементов ТС: они более прочны, стойки при высоких температурах и в агрессивных средах, их удельное сопротивление в несколько раз больше. Однако ТКС при средних и высоких температурах у них ниже, чем у чистых металлов,— за исключением сплава никеля с железом, для которого ? = 4,8•10^-3 К^-1.
По сравнению с никелем удельное сопротивление сплава никеля с железом в три раза больше, что позволяет упростить конструкцию чувствительного элемента и повысить ее надежность. Характеристики этого сплава не одинаковы от партии к партии, в связи с чем необходимо применять индивидуальную градуировку. Рабочий диапазон таких ТС — от 0 до 600°С. При наличии магнитных полей их не рекомендуется применять.
Константан и манганин широко используются как материалы, сопротивление которых в области нормальных температур пренебрежимо мало зависит от температуры. Однако при температуре ниже 80 К эта зависимость настолько возрастает, что оба сплава используются для измерения температур вплоть до температуры кипения гелия. ТКС манганина изменяется от 6•10^-4 К^-1 при 80 К до 8•10^-4 К^-1 при 10 К.
В ТС с чувствительным элементом из манганина не наблюдается однозначная связь между сопротивлением при комнатной температуре и тех температурах, при которых производится измерение. Поэтому они требуют индивидуальной градуировки. Как большинство ТС из сплавов, они также чувствительны к влиянию магнитных полей [2].

Схемы включения металлических терморезисторов. Термометр сопротивления и провода, соединяющие его со вторичным прибором, включены последовательно. Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры [2].
Чувствительные элементы с соединительными проводами называются измерительными пакетами. Соединительные провода измерительного пакета должны быть электрически изолированы друг от друга. При измерении температуры до 300°С с целью обеспечения надежной изоляции пакетов ТС применяются изоляционные лакоткани, эмали, оплетки и др.; при измерении температуры выше 300°С — бусы из электроизоляционной керамики.
 
 

Рис.2.5. Схема измерительного пакета: а — двухпроводного; б—трехпроводного; в — четырехпроводного; г - с компенсационными выводами.

Для устранения влияния температуры на сопротивление соединительных проводов их собственное сопротивление выбирают малым по сравнению с сопротивлением чувствительного элемента. При 0°С не должно превышать 0,1 % для платиновых ТС и 0,2 % — для медных. С этой же целью ТС подключают по трех- и четырехпроводной схеме (рис.2.5). Для компенсации изменения сопротивления соединительных проводов промышленностью выпускаются также ТС с дополнительными соединительными проводами (рис.2.5). Соединительные провода измерительного пакета подключаются к клеммам контактной колодки или контактам корпуса пластмассовой головки ТС.
Подключение соединительных проводов измерительных пакетов к чувствительному элементу осуществляется посредством сварки. При измерении температуры измерительные пакеты вставляются в защитный чехол ТС, предохраняющий их от повреждений и загрязнений. Внутреннее пространство чехла засыпается ингибиторным порошком.

Несущая и защитная арматура ТС. В зависимости от условий эксплуатации для изготовления несущей и защитной арматуры применяются стекло, кварц, огнеупорные, газоплотные, керамические материалы. Внешний кожух для образцовых ТС выполняется из платины, а для технических — из нержавеющих сталей. Почти все образцовые ТС имеют газонепроницаемую защитную арматуру, внутренняя полость которой предварительно вакуумируется с нагреванием до 4500С, затем заполняется сухим газом и герметизируется. Для заполнения арматуры применяется гелий, аргон, азот или сухой воздух. Для защиты платины от возможного загрязнения другими металлами в газовое заполнение ТС добавляется 5—10 % кислорода.
Внутреннее пространство защитной арматуры из нержавеющих сталей технических платиновых ТС заполняется отожженным порошком окиси алюминия с примесью ингибиторов. В верхней части внутреннее пространство защитной арматуры отделяется от окружающей среды пробкой из огнеупорной массы. Материал защитной арматуры выбирается в зависимости от диапазона измеряемых температур и агрессивности измеряемой среды объекта.