А) ММТ-1, КМТ-1 и б) ММТ-4, КМТ-4

Конструктивно термосопротивления изгото­вляют в виде стержней, шайб, дисков и буси­нок. На рисунке 2.2 показано устройство полупро­водниковых термосопротивлений типов ММТ и КМТ. Термосопротивления типов ММТ-1 и КМТ-1 (рисунок 2.2.а) представляют собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками 2 и выводами 3. Эти типы термосопротивлений могут быть использованы лишь в сухих помещениях. Термосопротивления типов ММТ-4 и КМТ-4 (рисунок 2.2.б) смонтированы в металлических корпусах 2 и герметизированы, благодаря чему они могут быть применены в условиях любой влажности и любой среды, не являющейся агрес­сивной относительно корпуса термосопротивления. Герметизация осуществлена стеклом 3 и оловом 4. Стержень 1 в термосопротивле­нии ММТ-4 обернут металлической фольгой 5. Эти термосопротив­ления выпускаются на номинальные значения сопротивления от 1000 до 200 000 ом (при + 20°С) и пригодны для работы в диапазоне температур от -100 до + 120°С.

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые термосопротивления, применяемые для измерения температуры ма­лых объектов и измерения переменных во времени температур. В качестве примера миниатюрного термосопротивления на рисунке 2.3 изображено термосопротивление МКМТ-16 бусинкового типа.

Рисунок 2.3 Устройство термосопротивления МКМТ-16

Объемное сопротивление выполнено в виде шарика диаметром около 0,8 мм с выводами из платиновой проволоки диаметром 0,05 мм, к концам которых приварены проводники из нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм. Корпус термосопротивления сделан из стекла.

Термосопротивления МКМТ-16 изготовляют на номи­нальные значения сопротивлений 2700 и 5100 ом при 20°С (коэффи­циент B=3400°К). Они предназначены для работы в диапазоне температур от -60 до + 120°С, в диапазоне давлений от 1 мм рт.ст. до 100 ат, в условиях вибрации с ускорениями до 15 g и в условиях ударной тряски при ускорениях до 12 g. Миниатюрные полупроводниковые тер­мосопротивления обладают малой теп­ловой инерцией — порядка нескольких секунд.

Недостатками полупроводниковых термосопротивлений являются нелинейность зависимости их сопротивления от температуры (рисунок 2.4) и значительное отклонение от образца к образцу как номи­нального значения сопротивления (более ±30%), нормируемого обычно при 20°С, так и характера зависимости сопротивления от температуры (отклонения значений температурного коэффи­циента достигают ± 5% и более). Это затрудняет получение линей­ных шкал термометров и обеспечение взаимозаменяемости термосо­противлений, необходимой при массовом производстве термометров с термосопротивлениями. Чтобы улучшить вид шкалы и обеспечить взаимозаменяемость, термосопротивление приходится включать в измерительную цепь в виде комбинации с термонезависимыми сопротивлениями (манганиновыми, МЛТ, БЛП и т. д.). Подобную комбинацию термосопротивления с другими сопротивлениями, включаемыми для исправления его характеристики, будем назы­вать корректированным термоэлементом.

Рисунок 2.4 Зависимости сопротивления от температуры медного (1) и полупроводникового (2) термосопротивлений

Схемы корректированных термоэлементов приведены на рисунке 2.5. Простейшей схемой корректированного термоэлемента является схема рисунок 2.5.а. Здесь параллельно термосопротивлению R_T под­ключено термонезависимое сопротивление R_Ш. Выбирая соответст­вующим образом значение сопротивления R_Ш, можно получить зна­чительное спрямление зависимости сопротивления R_Э корректиро­ванного термоэлемента от температуры. Для сопротивления R_Э если воспользоваться обозначениями рисунка 2.5.а можно написать

(2.6)

Рисунок 2.5 Схемы корректированных термоэлементов

Правая часть этого выражения написана с учетом зависимости (2.5) сопротивления R_T от температуры и с учетом коэффициента шунтирования k, который равен

, (2.7)

где R_Tср — значение термосопротивления R_T при температуре T_ср, соответствующей середине диапазона измеряемых температур.

Зависимость R_Э=f(T) согласно выражению (2.6) показана на рисунке 2.6. Как видно из рисунка, при низких температурах сопротив­ление R_Э практически не зависит от температуры. При повышении температуры оно начинает уменьшаться, при чем степень этого умень­шения вначале мала, затем возрастает и. наконец, опять уменьша­ется. Поэтому кривая R_Э=f(T) имеет точку перегиба. Участок кривой в районе точки перегиба оказывается близким к прямой. Это обстоятельство можно использовать при расчете корректиро­ванного термоэлемента для измерения температуры, изменяющейся в небольшом диапазоне.

Рисунок 2.6 Зависимости сопротивлений R_Т и R_Э от температуры

Температура, которой соответствует точка перегиба, может быть найдена из уравнения

,

получаемого, если дважды продифференцировать выражение (2.6) и приравнять результат нулю. Полагая в этом уравнении Т=Т_ср и сравнивая его с выражением (2.7), имеем

.

Находя отсюда значение k при заданном Т_ср и определяя при этом k значение R_Ш из выражения (2.7), получим корректированный термоэлемент, у которого зависимость сопротивления от темпера­туры будет иметь перегиб при температуре Т_ср.

Для получения более или менее линейной зависимости сопро­тивления R_Э от температуры для большого температурного диапа­зона значение k целесообразно рассчиты­вать из условия нахождения трех точек кривой R_Э=f(T) на одной прямой линии. Это совмещение кривой R_Э прямой можно осуществить, например, при температурах: T_Н — начальной температуре, T_СР — сред­ней температуре и T_К — конечной темпера­туре измеряемого диапазона температур.

Указанное условие будет выполнено, если приращения сопротивлений ΔR_ЭН и ΔR_ЭК корректированного термоэлемента при температурах T_Н и T_К равные

, (2.8)

где R_ЭН R_Э.СР и R_ЭК — сопротивления корректированного термо­элемента при температурах T_Н, T_СР и T_К будут пропорциональны соответствующим отклонениям Θ_Н и Θ_К температуры, т. е. если будет равенство

, (2.9)

где Θ_Н=T_Н-T_СР и Θ_К=T_К-T_СР. Знак минус поставлен потому, что Θ_Н — отрицательное. Отсюда

,

причем

и всегда отрицательно.

Разделив левую и правую части (2.9) на К_Э.СР и учитывая (2.8),

получаем

.

Подставив сюда соответствующие значения R_Э из (2.6) и R_Ш из (2.7), после преобразований будем иметь

, (2.10)

где

.

Из уравнения (2.10) при заданном диапазоне температур и вы­бранном значении термосопротивления однозначно определяется коэффициент k, при котором указанные выше три точки кривой R_Э лежат на одной прямой. При этом точка перегиба кривой R_Э обяза­тельно находится в заданном температурном диапазоне.

К сожалению, корректированный термоэлемент (рисунок 2.5.а), позволяя получить более или менее линейную шкалу тер­мометра, не обеспечивает взаимозаменяемости. Для обеспече­ния взаимозаменяемости, т.е. для получения повторяющихся зна­чений сопротивлений корректированных термоэлементов при при­менении в них отличающихся друг от друга по характеристикам R_T=f(T) , термосопротивлений, необходим не один, как в схеме (рисунок 2.5.а), а несколько регулируемых элементов.

В корректированных термоэлементах (рисунок 2.5.б, 2.5.в) имеется по два термонезависимых сопротивления (R_Ш и R_Д), при помощи которых можно обеспечить соответствующие повторяющиеся значения сопротивления R_Э различных температурах, например R_ЭН при Т_Н R_ЭК при Т_К для термосопротнвлений, отличаю­щихся друг от друга по характеристикам R_Т=f(T).

Для получения соответствующих повторяющихся значений R_Э, отдельных корректированных термоэлементов при трех, температурах необходимы три регулируемых элемента (рисунок 2.5). При по­мощи трех регулируемых элементов можно обеспечить также совмещение в трех точках кривой R_Э=f(T) с прямой.

При совмещении кривой R_Э прямой в двух точках (рисунок 2.5 б и в), т.е. при двух температурах, отклонение R_Э от прямой может достигать значительных величин (20—30%). При совмещении в трех точках (рисунок 2.5.г) отклонение R_Э от прямой незначительно (доли процента), однако температурный коэффициент подобного корректированного термоэлемента по сравнению с температурным коэффициентом термосопротивления резко уменьшается (в 5—6 раз).

Температурный коэффициент корректированного термоэлемента при совмещении в двух точках уменьшается по сравнению с температурным коэффициентом термосопротивления примерно в два раза.