3.4. Терморезисторные измерительные преобразователи.
3.4.1. Принцип действия.
В терморезисторных ИП используется зависимость сопротивления R проводника или полупроводника от измеряемой температуры θ среды, в которой он находится. Материал терморезисторных ИП должен обеспечивать:
– высокую чувствительность S = dR/dθ;
– хорошую линейность функции преобразования R(θ);
– широкий температурный диапазон θmin ÷ θmax;
– химическую инертность в агрессивных средах.
Найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям, не удаётся, поэтому приходится идти на компромиссы. Практически используются металлические и полупроводниковые ИП, сильно различающиеся по своим свойствам. Из металлов применяется, в основном, медь и платина.
3.4.2. Разновидности терморезисторных ип.
Медные ИП.
В диапазоне от – 50 до 200 0С медные ИП имеют линейную функцию преобразования
R = R0(1 + αθ), (3.1)
где R0 – сопротивление при θ = 0оС;
α – температурный коэффициент; α = 4,26 × 10–3 1/ оС;
θ – температура в диапазоне от минус 50 до плюс 200 оС.
Из (3.1) следует, что чувствительность медных ИП
а относительная чувствительность
= 0,426 %/ oC,
т.е. приблизительно 4% на 10 оС. {3К9}
Главными достоинствами медных ИП является линейность функции преобразования и низкая стоимость.
Главные недостатки:
– узкий диапазон преобразуемых температур: при θ > 200оС происходит окисление;
– эти ИП не допускают влажности и коррозирующих газов.
Платиновые ИП.
Температурный диапазон θmin ÷ θmax у платиновых ИП значительно шире, чем у медных: от – 260 до 850 оС (до 1100 оС для единичного производства).
В диапазоне от 0 до 850 оС функция преобразования описывается выражением
R = R0(1 + αθ + βθ2), (3.2)
где α
= 3,96847 × 10–3
;
β
= – 5,847 × 10–7
.
Как видно из (3.2), функция преобразования R(θ) платиновых ИП, в отличие от медных, не линейна. Максимальное относительное отклонение от прямой линии, проведённой через крайние точки диапазона 0 и 650 оС, составляет около 5%. Функция преобразования R(θ) платиновых ИП табулирована с шагом в 1 оС, и, в соответствии со стандартом, допускаемые отклонения от табличных значений очень малы. {3К10} Поэтому не нужно думать, что нелинейность R(θ) создаёт погрешность преобразования температуры в сопротивление, но эта нелинейность так или иначе должна быть учтена в средствах измерения.
Относительная чувствительность платиновых ИП примерно такая же, как медных, т.е. около 4% на 10 оС.
Платина, в отличие от меди, – благородный металл, обладающий химической инертностью в агрессивных средах.
Само собой разумеется, что платиновые ИП дороже медных.
Полупроводниковые ИП.
Полупроводниковые ИП изготавливают из германия, а также из смеси окислов различных металлов (меди, кобальта, марганца), обжигаемой при высокой температуре и спекающейся в прочную массу. Последние получили название термисторов. {3К11}
Функция преобразования полупроводниковых ИП сильно отличается от металлических:
R = Ae B / θ, (3.3)
где θ – температура в градусах Кельвина (К);
А и В – постоянные, А – в омах, В – в градусах Кельвина.
Значения А и В зависят от свойств полупроводника, а значение А ещё и от размеров и формы терморезистора.
Из (3.3) сразу видны отличия полупроводниковых ИП от металлических:
С ростом температуры θ сопротивление R не увеличивается, а уменьшается. При очень низкой температуре чистые полупроводники становятся хорошими диэлектриками. Это отличие для измерения θ не имеет значения: не важно, увеличивается R или уменьшается – лишь бы изменялось.
Преимущество полупроводниковых ИП в сравнении с металлическими в том, что у них зависимость R(θ) более крутая (экспонента), т.е. они обладают большей чувствительностью к изменениям θ.
Вместе с тем у полупроводниковых ИП зависимость R(θ) существенно нелинейна, т.е. их чувствительность не постоянна, она сильно зависит от значения θ. Из (3.3) легко получить выражение относительной чувствительности
Нелинейность функции преобразования ограничивает применение полупроводниковых ИП сравнительно узким диапазоном θmin ÷ θmax, например, диапазоном температур человеческого тела.
Существенный недостаток полупроводниковых ИП состоит в том, что значения постоянных А и В имеют большой разброс по экземплярам. Для каждого данного экземпляра их можно найти экспериментально:
R1 = Ae B / θ1;
R2 = Ae B / θ2,
где R1 и R2 – значения R, измеренные при θ = θ1 и θ = θ2.
Решение этой системы уравнений относительно А и Б даёт:
Конструкции терморезисторных ИП весьма разнообразны. {3К12}