2.3.3. Терморезисторы

Для измерения температуры применяют металлические и полупроводниковые резисторы [10, 11]. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), колеблющимся (в интервале 0  100° С) от 0,35 до 0,68 %/K.

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 + А + В²),

где R₀ – сопротивление при 0° С;

 – температура в градусах Цельсия.

Для платиновой проволоки, применяемой в промышленных термометрах сопротивления, А = 3,96847·10^-3 1/K; В = – 5,847·10^‑71/Κ². В интервале от 0 до – 200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид

R_т = R₀[1+ А + В² + С(Θ – 100)³],

где С = – 4,2210^–12 1/Κ³.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне от – 50 до + 180° С можно пользоваться формулой

R_т = R₀ (1 + α),

где α = 4,2610^–3 1/Κ.

Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление R_т2 (при температуре ₂) по известному сопротивлению R_т1 (при температуре ₁), то следует пользоваться формулой

.

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 корродирующих 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.

Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Так, например, платиновые терморезисторы 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: α = Β/Θ². При 20° С величина ТКС составляет 2 – 8 %/K.

Температурная зависимость сопротивления ПТР (рис. 2.17, кривая 2) достаточно хорошо описывается формулой

R_т = Ае^B/,

где Θ – абсолютная температура; А – коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В – коэффициент, имеющий размерность температуры. На рис. 2.17 для сравнения приведена температурная зависимость для медного терморезистора (кривая 1). Для каждого конкретного ПТР коэффициенты А и В, как правило, постоянны.

Недостатками полупроводниковых терморезисторов являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры (см. рис. 2.17) и значительный разброс от образца к образцу как номинального значения сопротивления, так и постоянной В, что существенно снижает их эксплуатационные качества.

Нелинейность характеристики и технологический разброс параметров терморезисторов затрудняет получение линейной шкалы преобразователя, построение многоканальных приборов, обеспечение взаимозаменяемости терморезисторов, необходимой при массовом производстве термометров с терморезисторами.

Конструктивно промышленные термометры сопротивления выполняются в виде чувствительных элементов, помещаемых в защитные корпуса. Чувствительный элемент для платиновых термометров ТСП представляет собой бифилярную платиновую спираль, укрепленную на слюдяном каркасе или в капиллярных керамических трубках, заполненных дополнительно керамическим порошком. Выводы для такого элемента обычно выполняются из серебряной проволоки или ленты. Для медных термометров ТСМ чувствительный элемент изготавливается в виде бифилярной или однопроводной катушки [10], намотанной бескаркасно или на пластмассовом каркасе.

Рис. 2.17. Зависимость относительного изменения сопротивления ТСМ (1) и ПТР (2) от изменения температуры 

Чувствительные элементы термометров, как правило, помещаются в тонкостенные металлические гильзы и герметизируются. Защитные корпуса термометров сопротивления обычно выполняются в виде защитной трубы с резьбовым штуцером и головкой, к зажимам которой терморезистор может быть присоединен двумя, тремя или четырьмя выводами для того, чтобы можно было осуществить его включение в цепь двух-, трех- или четырехпроводной линией.

Инерционность термопар и термометров характеризуется их постоянной времени Т, определяемой как время, необходимое для того, чтобы изменение выходной величины преобразователя, перенесенного из среды с температурой 30–35° С в сосуд с интенсивно перемешиваемой водой с температурой 15–20° С, достигло 63 % от установившегося значения перепада. Различают термопары и термометры сопротивления малоинерционные (T_тп  40 с для термопары и T_тп  9 с для термометра), средней инерционности (T_тп  60 с, T_тп  80 с), большой инерционности (T_тп  3,5 мин, T_тп  4 мин) и ненормированной инерционности.