2.5 Терморезистивные измерительные преобразователи

Терморезистором (ТМР) называется проводник или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления. Температура ТМР зависит от режима теплообмена с окружающей средой. Все виды передачи тепла подчиняются одному основному правилу: тепло передается от горячего тела к холодному. Теплообмен осуществляется конвекцией (перенос тепла потоком), теплопроводностью среды и ТМР и излучением. Интенсивность теплообмена зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются: температура среды и самого ТМР, скорости движения среды и самого ТМР, физические свойства газовой или жидкой среды, геометрических размеров ТМР и состояния его поверхности.

Из приведенного выше следует, что ТМР могут быть использованы для измерения многих неэлектрических величин, основными из которых являются: температура, скорость, вакуум, концентрация растворов, состав газов и многих других. При решении подобных задач следует, либо исключать, либо стабилизировать, либо компенсировать влияние на ТМР всех факторов, кроме измеряемой величины.

В общем виде ТМР представляет собой тонкую проволоку диаметром (0.02 – 0.06) мм и длиной (5 – 20) мм, концы которой укреплены на массивных подставках корпусного типа. Конструктивные варианты ТМР весьма разнообразны и определяются своим назначением. Например, для измерения температуры ТМР выполняют ввиде круглых и плоских катушек открытого типа или в защитных чехлах.

Свойства ТМР полностью описываются системой его статических и динамических характеристик. Статические характеристики устанавливают связь, либо между параметрами ТМР, либо между параметрами ТМР и свойствами окружающей среды в установившемся режиме, вызванного нарушением теплового баланса между ТМР и окружающей средой. На основании этих характеристик определяют основные параметры ТМР: номинальное сопротивление, номинальную мощность рассеяния, температурный коэффициент сопротивления (ТКС), минимальное сопротивление, тепловую постоянную времени, коэффициент тепловой связи.

Важнейшей характеристикой ТМР является его температурная зависимость (при малом токе самонагрева). В общем случае эта зависимость как для металлических, так и п/п материалов имеет вид экспоненты (рисунок 2.6)

,

где А - коэффициент, зависящий от конструктивных размеров терморезистора;

 - коэффициент, зависящий от концентрации примесей в полупроводнике;

T - абсолютная температура.

Рисунок 2.6. Температурные характеристики терморезисторов:

1- терморезистора; 2 - позистора

Для практических целей используют аппроксимацию экспоненты рядом Тейлора.

Сопротивление ТМР из платины в диапазоне температур от 0 до+650 ^оС выражается соотношением

R_T =R_o(1+T+T²),

где R_o – сопротивление при 0 ^оС. Для платиновой проволоки с отношением R₁₀₀/R₀=1,385 значение  = 3,90784 10^-3 К^-1;  = 5,7841 10^-7 К^-2 . В интервале температур от 0 до -200 ^оС зависимость сопротивления платины имеет вид

R_T =R_o[1+T + T ²+C(T -200) T ³],

где С=-4,482 10^-12 К^-1. При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне температур от -50 до +180 ^оС можно пользоваться формулой

R_T =R_o(1+ T),

где =4,26 10^-3 К^-1. Если начальное сопротивление определено при T₁, то R _T2=R _T1(1+ T ₂)/(1+ T ₁).

Для полупроводниковых терморезисторов с отрицательным ТКС (термисторы ТМ) температурная зависимость достаточно хорошо описывается формулой

,

где А – коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В – коэффициент, имеющий размерность температуры. Если для применяемого ТМ неизвестны коэффициенты А и В, но известны сопротивления R₁ и R₂ при T₁ и T₂, то:

R_=R₁expB(1/T₂-1/T₁) и .

В настоящее время достаточно распространенными являются полупроводниковые ТМ. Можно выделить следующие типы ТМ: монокристаллические на основе GeSi, GaAs с электронно-дырочными переходами (диодные, транзисторные, тиристорные, стабилитронные, фотодиодные, на основе варикапа и др.) Все эти типы существенно отличаются по своим температурным и вольтамперным характеристикам, а также чувствительностью к температуре (от 1 до 50 %) на ^оС. Другими наиболее распространенными термисторами являются поликристаллические ТМ, которые изготавливаются из смеси окислов некоторых металлов, (Mn₂O; Cu₂O; Fe₂O₃; NiO; VO₂ и т.д.) спрессованных и спеченных при высокой температуре. Это термисторы типов ММТ, КМТ, ТОС, СТ3. Номинальные значения сопротивления для различных типов ТМ колеблются в пределах от единиц до миллиона Ом; ТКС, в среднем, -(0,02 – 0,08) К^-1; диапазон рабочих температур –258…+300 ^оС.

В качестве измерительных схем используют делители напряжения или мостовые измерительные схемы (рисунок 2.7.). На схеме термопреобреобразователь R_ включен последовательно с сопротивлением R₁ и источником стабильного напряжения, образуя делитель напряжения U₀. Напряжение с делителя R₁, R_ подаётся на неинвертирующий вход усилителя ОУ, с выхода которого снимается выходное напряжение U_вых, пропорциональное измеряемой температуре Т.

Рисунок 2.7. Схема делителя напряжения, образованного из резистора R₁ и сопротивления терморезистора R_, включенного в схему операционного усилителя ОУ

, .

Схемы включения терморезисторов в мостовые измерительные схемы (вместо тензорезисторов R_х) приведены на рисунке 2.5. При выборе схемы включения следует учитывать, что сопротивления ТМ в десятки и сотни тысяч больше, чем проволочные ТМР.

Применение терморезисторов:

а) В температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с температурными режимами, электронике. В противопожарной технике существуют стандартные температурные датчики. Подобный датчик содержит два терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, которые установлены на печатной плате в белом поликарбонатном корпусе. Один выведен наружу — открытый терморезистор, он быстро реагирует на изменение температуры воздуха. Другой терморезистор находится в корпусе и реагирует на изменение температуры медленнее. При стабильных условиях оба терморезистора находятся в термическом равновесии с температурой воздуха и имеют некоторое сопротивление. Если температура воздуха быстро повышается, то сопротивление открытого терморезистора становится меньше, чем сопротивление закрытого терморезистора. Отношение сопротивлений терморезисторов контролирует электронная схема, и если это отношение превышает пороговый уровень, установленный на заводе, она выдает сигнал тревоги.

б) Термоанемометры применяются для измерения скорости газовых потоков, движения жидких сред в трубопроводах. Принцип работы заключается в следующем. Если нагреваемое термосопротивление погружено в жидкую или газообразную среду, то его температура определяется режимом теплового равновесия между подводимым к нему количеством тепла и количеством тепла, уходящим в окружающую среду. Естественной входной величиной такого преобразователя является величина сноса тепла потоком, а выходной – измеряемое сопротивление. В практических расчетах передачи тепла Q конвекцией пользуются формулой Ньютона:

,

где – коэффициент теплоотдачи; F – поверхность проволоки, омываемой жидкой или газообразной средой; t_п и t_с – температура проволоки и среды.

Уравнения теплового равновесия для преобразователя термоанемометра имеет вид (I – ток через термосопротивление, R – сопротивление):

.

Расчёт значения представляет значительные трудности, однако решение вопроса о зависимости от скорости возможно с помощью теории подобия. Основой практического использования теории подобия является так называемые критерии подобия. Критерии подобия Рейнольдса (Re) связывает скорости движения среды с её вязкостью и плотностью, а также с определяющими геометрическими параметрами, характеризующими движение среды.

Критерий Нуссельта (Nu) связывает коэффициент теплоотдачи с геометрическими параметрами и теплопроводностью среды [10].

Анализатор состава газов основан на использовании следующих констант газа – теплопроводность и температурный коэффициент теплопроводности А газа. Теплопроводности некоторых газов значительно отличаются от теплопроводности воздуха, поэтому можно определить с другим газом, имеющим теплопроводность :

.

Измерив смеси и зная табличные значения и газов, образующих смесь, можно определить содержание одного газа в смеси.