16.1. Терморезистивные датчики

Хамфри Дэви еще в 1821 году заметил, что электрическое сопротивление различных металлов зависит от температуры [1]. Вильям Сименс в 1871 году разработал первый платиновый резистивный термометр. А в 1887 году Хью Каллендар опубликовал статью [2], в которой он описал способы практического применения платиновых термометров. Достоинствами терморезистивных датчиков являются высокая чувствительность, простота создания интерфейсных схем и долговременная стабильность. Такие датчики можно разделить на три группы: РДТ, детекторы на р-n переходах и термисторы.

16.1.1. Резистивные детекторы температуры

Этот термин обычно относится к металлическим детекторам, которые бывают проволочными и тонкопленочными. Поскольку удельное сопротивление всех металлов и большинства сплавов зависит от температуры, на их основе можно разрабатывать чувствительные элементы для измерения температуры (см. Приложение). Хотя для изготовления температурных детекторов подходят практически все металлы, но все же, в основном, для этих целей используется только платина. Это объясняется воспроизводимостью ее характеристик, долговременной стабильностью и прочностью. Для измерения температур выше 600°С применяются вольфрамовые РДТ. Все РДТ обладают положительными температурными коэффициентами. Выпускаются несколько типов РДТ:

1. Тонкопленочные РДТ, изготовленные из тонких слоев платины или ее сплавов, нанесенных на подходящую подложку, например, на кремниевую микромембрану. РДТ часто формируются в виде серпантинной структуры для получения высокого отношения длины к ширине

2. Проволочные РДТ, в которых платиновая проволока намотана внутри керамической трубочки и прикреплена к ней при помощи высокотемпературного клея. Такая конструкция позволяет изготавливать датчики, обладающие очень высокой стабильностью.

В соответствии с Международной практической температурной шкалой (IPTS-68) прецизионные датчики температуры должны калиброваться при температурах, определяемых воспроизводимыми равновесными состояниями некоторых материалов. В этой шкале температуры в Кельвинах обозначаются символом T₆₈, а в градусах Цельсия - t₆₈. Международный Комитет по Весам и Мерам в сентябре 1989 года принял новую Международную температурную шкалу (1TS-90). В ней температура в градусах Цельсия обозначается как t₉₀.

16.1.3. Термисторы

Термин термистор образовался в результате соединения двух слов: тепловой и резистор. Это название дано металлоксидным детекторам, имеющим форму капель, стержней, цилиндров, прямоугольных пластин и толстых пленок. Термисторы относятся к классу датчиков абсолютной температуры, показания которых соответствуют абсолютной температурной шкале. Все термисторы делятся на две категории: с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) и положительным температурным коэффициентом (ПТК) сопротивления. Для проведения прецизионных измерений используются термисторы только с ОТК.

16.1.3. 1 Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления

Обычные металоксидные термисторы обладают ОТК. Это значит, что при увеличении температуры их сопротивление падает. Сопротивление термисторов с ОТК, также как и любых других резисторов, определяется их физическими размерами и удельным сопротивлением материала. Зависимость между величиной сопротивления и температурой является сильно нелинейной (см. рис. 3.18 главы 3).

При проведении прецизионных измерений или при работе в широком температурном диапазоне нельзя напрямую использовать характеристики термисторов, приведенные в документации на них, поскольку типовые допуски на номинальные значения серийно выпускаемых изделий при температуре 25°С составляют порядка ±20%. Поэтому для достижения высокой точности измерений термисторы необходимо индивидуально калибровать в широком температурном диапазоне. Правда, существуют и прецизионные термисторы, характеристики которых в заводских условиях подгоняются методом шлифовки до требуемых размеров. Этот процесс проводится под непрерывным контролем за номинальными значениями сопротивлений при заданной температуре. Однако такая процедура настройки термисторов приводит к значительному повышению их стоимости. Поэтому на практике чаще применяется метод индивидуальной калибровки термисторов. В процессе калибровки измеряется сопротивление термистора при помещении его в среду точно известной температурой (для этих целей часто применяется камера с мешалкой, в которую может быть залита вода, но чаще минеральное масло или специальный состав, например, Flourent®). Если требуется многоточечная калибровка, эта процедура выполняется при разных температурах. Естественно, что качество проведенной калибровки сильно зависит от точности эталонного термометра. Для определения сопротивления термистор включается в измерительную цепь, по изменению тока в которой и судят о величине сопротивления. В зависимости от заданного уровня точности и стоимости калибровка термистора может проводиться на основе одной из известных аппроксимационных моделей.

При использовании термистора в качестве датчика абсолютной температуры предполагается, что при прохождении через него электрического тока, его собственная температура не изменится, что означает, что он не внесет в систему значительных тепловых возмущений, способных повлиять на точность измерений.