РАЗНОВИДНОСТИ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОСНОВЫ РАСЧЕТА

Для измерения температуры применяют металлические и полу­проводниковые резисторы. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), колеблющимся (в интервале 0—100° С) от 0,35 до 0,68 %/К.

Для измерения температур используются материалы, обладающие высокостабильной ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.

Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до + 650° С выражается соотношением R_Т = R₀ (1 + AΘ + BΘ²), где R₀ — сопротивление при 0° С; Θ — температура в градусах Цельсия. Для платиновой проволоки, применяемой в промышленных термометрах сопротивления, A = 3,96847∙10^-12 1/К; В = — 5,847∙10⁷ 1/К². В интервале от 0 до — 200° С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид Rт = R₀ [1 + AΘ + ВΘ² + С (Θ — 100)³], где С = — 4,22∙10¹² 1/К³.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне от — 50 до + 180° С можно пользоваться формулой R_Т = R₀ (1 + aΘ), где a = 4,26∙10³ 1/К.

Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление R_T2 (при температуре Θ₂) по известному сопротивлению R_T2 (при температуре Θ₁), то следует пользоваться формулой

или более удобным соотношением

где Θ = 1/a — постоянная, имеющая размерность температуры и равная Θ₀ = 234,7° С (по физическому смыслу Θ₀ — это такое значение температуры, при котором сопротивление меди должно было бы стать равным нулю, если бы ее сопротивление уменьшалось все время по линейному закону, чего нет на самом деле).

В значительной степени сопротивление металлов зависит от их химической чистоты и термообработки. ТКС сплавов обычно меньше, чем у чистых металлов, и для некоторых сплавов может быть даже отрицательным в определенном температурном диапазоне.

Выбор металла для терморезистора определяется в основном химической инертностью металла к измеряемой среде в интересующем интервале температур. С этой точки зрения медный преобразователь можно применять только до температур порядка 200° С в атмосфере, свободной от влажности и коррелирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивления равен — 50° С хотя при введении индивидуальной градуировки возможно их применение вплоть до — 260° С.

Промышленные платиновые термометры используются в диапазоне температур от —200 до +650° С, однако есть данные, свидетельствующие о возможности применения платиновых термометров для измерения температур от —264 до +1000° С.

Основным преимуществом никеля является его относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость его сопротивления от температуры линейна только для температур не выше 100° С. При условии хорошей изоляции от воздействия среды никелевые терморезисторы можно применять до 250—300° С. Для более высоких температур его ТКС неоднозначен. Медные и никелевые терморезисторы выпускают из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, вы-сокостабильны, малоинерционны и при малых габаритах могут иметь сопротивления до десятков килоом.

Высокий ТКС имеют вольфрам и тантал, но при температуре свыше 400° С они окисляются и применяться не могут. Для низкотемпературных измерений хорошо зарекомендовали себя некоторые фосфористые бронзы. Кроме того, для измерений низких температур находят применение индиевые, германиевые и угольные терморезисторы.

Некоторые характеристики металлов, используемых в терморезисторах, приведены в табл. 3.

Таблица 3:

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током.

Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Так, например, платиновые теоморезисторы позволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0,001° С.

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС.

ТКС полупроводниковых терморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры: a = B/Θ². При 20° С величина ТКС составляет 2—8 проц/К.

Температурная зависимость сопротивления ПТР (рис. 7, кривая 2) достаточно хорошо описывается формулой R_T = Ae^B/Θ, где Θ — абсолютная температура; А — коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В — коэффициент, имеющий размерность температуры. На рис. рис. 7 для сравнения приведена температурная зависимость для медного терморезистора (кривая 1). Для каждого конкретного ПТР коэффициенты А и В, как правило, постоянны, за исключением некоторых типов 1 ПТР (например, СТ 3-14), для последних В может принимать два разных значения в зависимости от диапазона измеряемых температур.

Если для применяемого ПТР не известны коэффициенты А и В, но известны сопротивления R₁ и R₂ при Θ₁ и Θ₂, то величину сопротивления и коэффициент В для любой другой температуры можно определить из соотношений

'

Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 8 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эма­левой краской с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.,

Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 заключены в металли­ческие капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы в условиях любой влажности и даже в жидкостях, ие являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 имеют каплевидную форму. Чувствительный элемент в них герметизирован стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность. В терморезисторе СТЗ-25 чувствительный элемент также помещен в стеклянную оболочку, диаметр которой доведен до 0,5—0,3 мм. Терморезистор с помощью выводов прикреплен к траверсам.

Рис. 8

В табл. 4 представлены основные характеристики некоторых ПТР. В графе «номинальные сопротивления» приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений, нормируемых для большинства ПТР при 20° С. Исключение составляют ПТР типов

Таблица 4

КМТ-14, СТ1-18, СТ1-19, номинальные сопротивления которых нормируются для температуры 150° С. В графе «постоянная В» для некоторых типов ПТР приводятся два диапазона возможных значений В, первая строчка при этом относится к низким температурам, а вторая — к высоким. Перелом характеристики для ПТР типа СТЗ-6 происходит при — 28° С, для СТ4-2 и СТ4-15 — при 0° С и Для СТЗ-14— при 5° С.

Точность измерения температуры с помощью ПТР может быть весьма высокой. В настоящее время разработаны также ПТР для измерений низких и высоких температур. В частности, ПТР типа СТ7-1 может измерять температуру в диапазоне от — 110 до — 196° С. Высокотемпературный ПТР типа СТ12-1 предназначен для применения при температурах 600-1000° С.

Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры (см. рис. 14-12) и значительный разброс от образца к образцу как номинального значения сопротивления, так и постоянной В. Согласно ГОСТ 10688—63 допуск на величину номинального сопротивления может составлять ±20%. Допуск на величину постоянной В не нормируется. Практически он достигает ± 17% от номинального.

Нелинейность характеристики и технологический разброс параметров терморезисторов затрудняет получение линейных шкал термометров, построение многоканальных приборов, обеспечение взаимозаменяемости терморезисторов, необходимой при массовом производстве термометров с терморезисторами. Чтобы улучшить вид шкалы и обеспечить взаимозаменяемость терморезисторов, приходится применять специальные унифицирующие и линеаризующие цепи, как пассивные, так и активные.

Позисторы изготавливаются также из полупроводниковых материалов, но имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для температурных зависимостей сопротивления позисторов характерно увеличение сопротивления при повышении температуры в определенном интервале температур. Ниже и выше этого интервала сопротивление с ростом температуры уменьшается. Положительные ТКС позисторов могут достигать величины порядка 30—50 проц/К, графики изменения их сопротивления в зависимости от температуры приведены на рис. 9.

Возможно также создание других видов полупроводниковых Датчиков температуры. В частности, для измерения температуры Можно применять датчики из органических полупроводников и Датчики на основе открытых или запертых р — n-переходов. Например, при заданном токе напряжение на открытом р — п-переходе или на стабилитроне линейно изменяется с температурой, чричем ТКС для открытого р — n-перехода отрицателен и составляет 2—3 мВ/К, а для стабилитрона положителен и достигает 8 мВ/К.

Измерительные цепи. Отличия измерительных цепей для терморезисторов от обычных цепей омметров заключаются в более узком диапазоне изменения измеряемого сопротивления и в необходимости учета сопротивлений проводов, соединяющих термометр сопротивления с измерительной цепью. Если используется простейшая двухпроводная соединительная линия, то может возникнуть погрешность от температурного изменения сопротивления этой линии. При применении высокоомных термометров (например, полупроводниковых) эта погрешность может быть пренебрежимо мала, однако в большинстве практических случаев, когда используются стандартные термометры сопротивления, ее приходится принимать во вни­мание.

Если, например, сопротивление медной линии равно 5 Ом и используется термометр с Ro = 53 Ом, то изменение температуры линии на 10° С приведет к изменению показаний прибора примерно на ГС. Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соедини­тельной линии часто применяют трехпроводную линию. При этом термометр подключают к мостовой цепи так, чтобы два провода линии вошли в разные плечи моста, а третий оказался подключен­ным последовательно с источником питания или указателем. На  рис. 10, а показана схема моста, содержащего термометр сопротивления, присоединенный трехпроводной линией.

Исключить влияние сопротивлений соединительной линии можно, используя четырехпроводное включение терморезистора, как это показано на рис. 10 а, б, и вольтметр с большим входным сопротивлением для измерения падения напряжения U_Θ = IR на терморезисторе. Ток через терморезистор должен быть задан, поэтому "и такой схеме включения терморезистор питают от стабилизатора тока. Возможно также построение мостовых цепей с четырехпроводным подключением термометра.