Металлические терморезистивные преобразователи

Зависимость сопротивления от температуры металлического терморезистора может быть записана в виде:

R_T = R₀(1 + α_T * ∆T), где

R_T – сопротивление нагретого проводника,

R₀ – сопротивление проводника при T = 0^оС,

α_T - температурный коэффициент удельного электрического сопротивления,

∆T – изменение температуры.

Сопротивление металлов возрастает на (при нагревании на 100^оС):

а) платины – 38,5%,

б) никеля – 61,7%,

в) вольфрама – 50%.

Наиболее широкое применение в промышленной термометрии получила платина, благодаря своей исключительной стойкости к окислению. Даже при высоких температурах и стабильности физико-механических характеристик является основным металлом, используемым для изготовления металлических терморезисторов, хотя и достаточно дорогих.

Медь, благодаря своей относительно низкой стоимости широко применяется в терморезисторных преобразователях в диапазоне от -50^оС до 180^оС.

Зависимость сопротивления от температуры линейна во всём диапазоне.

К недостаткам медных терморезисторов относятся: высокая окисляемость меди при повышении температуры и наличие агрессивной среды.

Из-за этого медные терморезисторы применяются в сравнительно узком температурном диапазоне, в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов и жидкостей.

Никель используется в сравнительно узком диапазоне температур от -60^оС до 180^оС. В основном для изготовления металлоплёночных терморезисторов.

Из никеля изготавливают терморезисторы для использования их в бытовых холодильниках.

Вольфрамовые терморезисторы используются для высокотемпературных измерений в средах с высокой химической активностью.

В России промышленные термометры сопротивления выпускаются двух основных типов: с платиновыми (ТСП) и медными (ТСМ) чувствительными элементами на номинальное сопротивление 1, 5, 10, 50, 100 и 500 Ом – платина, 10, 50, 100 Ом – медь.

Полупроводниковые терморезисторы

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большим значением температурного коэффициента сопротивления.

Недостатком полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры и значительный разброс от образца к образцу номинального сопротивления.

Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. Терморезисторы типа ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.

Терморезисторы типа ММТ-4а и КМТ-4а заключены в металлические капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы при любой влажности и даже в жидкостях, не являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.

Конструкция чувствительных элементов зависит от пределов измеряемых температур, условий эксплуатации, требований по быстродействию.

Чувствительный элемент современного платиного терморезистивного преобразователя имеет вид спирали, навитой на стержни диаметром 2мм.

Спираль помещается в канавки 2-х или 4-х канального керамического каркаса.

Для повышения теплопроводимости спираль засыпают порошкообразной двуокисью аллюминия, являющейся изолятором и хорошим теплопроводником.

Керамический каркас помещается внутрь металлической гильзы, выводы герметируют с помощью специальной глазури, а материал каркаса выбирают из условия химической стойкости к рабочей среде.

Для практического использования металлический терморезистор включают в состав мостовой измерительной схемы.

Все резисторы выбирают равными сопротивлению терморезистора (например, 500 Ом).

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током.

Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Так, например, платиновые теоморезисторы позволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0,001° С.

Цепь измерения температуры с использованием терморезистора состоит из источника тока и самого терморезистора.

Терморезисторы находят применение во многих областях. Практически ни одна сложная печатная плата не обходится без терморезисторов. Они используются 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. В дальнейшем такой принцип действия будет называться “реакцией на скорость повышения температуры”. Если температура воздуха повышается медленно, то различие сопротивлений терморезисторов незначительно. Однако, эта разница становится выше, если соединить последовательно с закрытым терморезистором резистор с высокой температурной стабильностью. Когда отношение суммы сопротивлений закрытого терморезистора и стабильного резистора и сопротивления открытого терморезистора превышает порог, возникает режим тревоги. Датчик формирует режим «Тревога» при достижении внешней температуры 60°С вне зависимости от скорости нарастания температуры.

Конечно же, применение терморезисторов в качестве датчиков температуры имеет не только плюсы, но и свои минусы. Так, например, это инерционность, обусловленная постоянной времени τ, плохая стабильность в определенных условиях и т.д.