2. Устройство термометров сопротивления

Рис. 3. Чувствительный элемент германиевого термометра сопротивления
Германиевые термометры сопротивления для низкотемпературных измерений представляют собой медную луженую гильзу 1 (рис. 3), которая заполнена газообразным гелием и закрыта герметичной пробкой 2. Внутри гильзы находится монокристалл германия 3, легированного сурьмой. К кристаллу приварены четыре золотых проводника 4, к которым припаяны платиновые выводы 5. Кристалл изолирован пленкой. Такие термометры применяются для измерения температур от 1,5 до 50 К.
В лабораторной практике иногда встречаются платиновые термометры зарубежного производства, которые представляют собой платиновую проволоку или ленту, запаянную в стекло. Такие термометры могут надежно работать до 500—600 °С. При более высоких температурах стекло становится электропроводящим и, кроме того, температурные напряжения могут существенно исказить результаты измерения.

3. 
   Особенности измерения сопротивления термометров и способы их подключения
   

При измерении температуры термометрами сопротивления возникает необходимость измерения сопротивления термометра, который подсоединяется к измерительному прибору соединительными проводами. Поэтому сопротивление, подключенное к измерительному прибору, больше, чем сопротивление термометра. Чтобы исключить или уменьшить влияние этого дополнительного сопротивления на результаты измерения, используют различные способы, которые зависят от схемы подключения термометра и метода измерения или схемы измерительного прибора. Сопротивление соединительных проводов должно с помощью подгоночного сопротивления быть подогнано до значения, при котором проводилась градуировка прибора. Градуировочное значение сопротивления соединительных проводов указывается на шкале прибора либо в его паспорте.

Рис. 4. Схемы подсоединения термометров сопротивления

Pис. 5. Схема подгонки сопротивления соединительных проводов двухпроводной линии
Различают двух-, трех- и четырехпроводные схемы подсоединения термометров сопротивления к измерительному прибору. (рис. 4). При двухпроводной схеме включения термометр сопротивления и сопротивление соединительных проводов последовательно включены в одну из ветвей измерительной схемы (рис. 4,а). Подгонка сопротивления соединительных проводов до градуировочного значения чаще всего осуществляется следующим образом. После того как собрана схема и проложены (смонтированы) соединительные провода, последовательно с термометром и соединительными проводами включаются подгоночная катушка (рис. 5) и эквивалентное сопротивление . Значение эквивалентного сопротивления соответствует сопротивлению термометра при определенной температуре, например 100, 50 или 250 °С. Зажимы термометра закорачивают, и ветвь измерительной схемы состоит из сопротивления реальных соединительных проводов , эквивалентного сопротивления, имитирующего сопротивление термометра при определенной температуре, и подгоночного сопротивления (рис. 5,6). Затем включают измерительную схему и изменяют до тех пор, пока измерительный прибор не встанет на отметку шкалы, соответствующую температуре, на которую рассчитано эквивалентное сопротивление. После этого эквивалентное сопротивление либо отключается, либо закорачивается, а закоротка с зажимов термометра снимается. Таким образом подгоняют сопротивление соединительных проводов термометра до расчетного (градуировочного) значения. Однако если в процессе эксплуатации температура соединительных проводов (как правило, медных) будет отличаться от их температуры при подгонке сопротивления, то и само сопротивление этих .проводов будет отличаться от градуировочного значения. Погрешность, вызванная неправильностью подгонки или изменением сопротивления с температурой, независимо от диапазона измерения измерительного прибора для двухпроводной схемы подключения термометра может быть определена из выражения
(7)
где — погрешность измерения, °С; — значение сопротивления линии (соединительных проводов) в условиях эксплуатации, Ом; —градуировочное (расчетное) значение сопротивления линии, Ом; S — коэффициент преобразования термометра в области измеряемой температуры, Ом/К.
Для уменьшения погрешности, вызываемой несоответствием сопротивления соединительных проводов градуировочному значению, применяют термометры с тремя выводами от термометра сопротивления в измерительную схему. При трехпроводной схеме подключения термометра (рис. 4,б) соединительные провода от головки термометра идут к измерительной ветви, сравнительной ветви и источнику питания. В симметричных уравновешенных схемах, когда сопротивления измерительной и сравнительной ветвей одинаковы, изменение температуры соединительных проводов не вызывает погрешности, так как сопротивление проводов изменяется на одну и ту же величину. Подгонка сопротивления соединительных проводов осуществляется последовательным измерением попарно соединенных проводов.
Четырехпроводная схема подключения термометра (рис. 4, в) применяется, как правило, при компенсационном методе измерения сопротивления, который позволяет полностью исключить влияние изменения сопротивления соединительных проводов на показания прибора.
Еще одна особенность, которая имеет место при измерении сопротивления термометра, заключается в том, что для измерения сопротивления по термометру должен идти ток. При этом согласно закону Джоуля — Ленца выделяется теплота, которая нагревает термометр до более высокой температуры, чем температура измеряемой среды, что вызывает соответствующее изменение его сопротивления.
В промышленных условиях рассчитывают измерительный ток таким образом, чтобы погрешность за счет самонагрева не превышала 0,1 % — сопротивления термометра при 0°С.

4. 
   Мостовые схемы измерения сопротивления
   

Для измерения сопротивлений термометров и других преобразователей сопротивления используются следующие методы и измерительные схемы: одно- и двух мостовые схемы (уравновешенные и неуравновешенные), логометры и компенсационный метод.
Мостовые схемы. Измерительный мост представляет собой (рис. 6) четыре резистора , , и , которые питаются от источника питания, включенного в питающую диагональ . Напряжение источника питания составляет U. В измерительной диагонали моста с—d включен измерительный прибор с сопротивлением . Чтобы установить зависимость между значениями элементов схемы и измерительным током, воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе, согласно которой ток равен напряжению холостого хода , деленному на сумму сопротивлений участка cd и сопротивления между концами участка cd при коротком замыкании всех ЭДС цепи. Таким образом, ток, протекающий через измерительный прибор в диагонали с— , определяется формулой
(8)