4.2.10. Терморезистори

Терморезистором називається вимірювальний перетворювач, активний опір якого змінюється при зміні температури. У якості терморезистора може використовуватися металевий або напівпровідниковий резистор.

Датчики температури з терморезисторами називаються термометрами опору. Є два види терморезисторів: металеві й напіпровідникові.

Принцип дії й конструкція металевих терморезисторів. Як відомо, опір металів збільшується зі збільшенням температури. Для виготовлення металевих терморезисторів в основному застосовуються мідь або платина.

Функція перетворення мідного терморезистора лінійна:

де R₀— опір при 0°С; α = 4,2810^-3К^-1— температурний коефіцієнт.

Функція перетворення платинового терморезистора нелінійна і звичайно апроксимується квадратичним тричленом. Температурний коефіцієнт платини приблизно дорівнює α=3,9110^-3К^-1Чутливий елемент мідного терморезистора (мал. 4.41,а) являє собою пластмасовий циліндр 1, на який біфілярно в кілька шарів намотаний мідний дріт 2 діаметром 0,1 мм. Зверху котушка покрита гліфталевим лаком. До кінців обмотки припаюються мідні вивідні дроти 3 діаметром 1,0—1,5 мм. Дроти ізольовані між собою азбестовим шнуром або порцеляновими трубочками. Чутливий елемент вставляється в тонкостінну металеву гільзу 4. Гільза з вивідними проводами міститься в захисний чохол (мал. 4.41,6), що являє собою закриту з одного кінця трубку 1. На відкритому її кінці міститься клемна головка 2. Для зручності монтажу захисний чохол може мати фланець 3.

При виготовленні платинових терморезисторів використаються більше теплостійкі матеріали.

Основні параметри найпоширеніших терморезисторів і позначення їх градуювання вказані у ГОСТ 6651-84

Схеми включення металевих терморезисторов. Термометр опору і дроти, які з'єднують його із вторинним приладом,

включені послідовно. Звичайно використаються мідні дроти, опір яких залежить від їхньої температури. Температурні зміни опору проводів приводять до погрішності вимірювання температури.

Вторинні перетворювачі термометрів опору виконуються такими, щоб максимально зменшити цю погрішність. Якщо потрібна найбільша точність вимірювання температури, наприклад при метрологічних роботах, використовується компенсаційна схема, наведена на мал. 4.42. За цією схемою застосовують чотирьохзажимні платинові терморезистори. Дроти 1-1 використаються для підведення струму, а два інших 2-2 служать для вимірювання спадання напруги Ut на термочутливій обмотці. Спадання напруги Ut виміряється за допомогою потенціометра. Виміряється також спадання напруги U₀на зразковій котушці R₀. Опір терморезистора при цьому дорівнює

Завдяки компенсаційному методу вимірювання відсутнє падіння напруги на проводах, що з'єднують термометр із потенціометром, і їхній опір не впливає на результат виміру.

У менш відповідальних випадках для виміру опорів терморезисторів використовуються мости: у лабораторній практиці — з ручним зрівноважуванням, у виробничих умовах — автоматичні. Спрощена схема автоматичного мосту показана на мал. 4.43. Вимірювальний ланцюг являє собою міст, що складається з манганінових резисторів R1-R3 і терморезистора Rt. Напруга живлення мосту Е. Переміщенням движка реохорда Rp домагаються зрівноважування мосту. Якщо міст не врівноважений, напруга вимірювальної діагоналі підсилюється й подається на реверсивний двигун РД. Вал двигуна через редуктор з'єднаний із движком реохорда й переміщає його так, щоб напруга розбалансу зменшувалася. Переміщення триває доти, поки міст не буде врівноважений. В автоматичних мостах движок реохорда пов'язаний з відліковим пристроєм, із записуючим пристроєм, що реєструє поточні значення температури на діаграмному папері, із пристроєм регулювання температури, а також із пристроєм дистанційної передачі показань. Погрішність автоматичних мостів аналогічна погрішності автоматичних потенціометрів.

Термометр опору може підключитися до мосту за допомогою двох- або трьохпровідного кабелю. Двухдротовий кабель дешевше, однак при його використанні опори обох проводів включаються послідовно з термометром в одне плече. Струмоведучі жили кабелю виконані з мідного дроту: при зміні температури їх опір змінюється, що вносить погрішність у вимірювання. Двухдротовий кабель використається в тих випадках, коли його температура постійна й погрішність, обумовлена її зміною, незначна.

При включенні термометра по трьохдротовій схемі (мал. 4.43) по одній жилі кабелю до термометра підводиться напруга живлення. До плечей мосту термометр приєднується з допомогою двох інших жил, включених у суміжні плечі мосту. Однакові зміни їхніх опорів практично на розбалансують міст. Таким чином, виключається похибка, що могла б бути при зміні температури кабелю.

Як вторинні прилади для термометрів опору в промисловості застосовуються також логометричні прилади.

Опір терморезистора визначається його температурою. Остання залежить не тільки від температури навколишнього середовища, але й від протікаючого по ньому струму. Перегрів мідного термометра струмом не повинен перевищувати 0,4°С, а платинового — 0,2 °С. Для цього струм не повинен перевершувати 10-15 ма.

Напівпровідникові терморезистори. Чутливий елемент напівпровідникового терморезистора - термістора - виготовляється з окислів різних металів: міді, кобальту, магнію, марганцю і ін. Розмелені в дрібний порошок компоненти пресуються й спікаються у вигляді стовпчика, кульки або шайби. У належних місцях напилюють електроди й підпаюють виводи з мідного дроту. Для запобігання від атмосферних впливів чутливий елемент термістора покривають захисною фарбою, поміщають у герметичний металевий корпус або запаюють у скло.

Зі збільшенням температури опір термісторів зменшується. Їхню функцію перетворення (мал. 4.44) звичайно апроксимують виразом

де R_t— опір термістора при температурі Т у Кельвінах; А и В — постійні, залежні від матеріалу й технології, причому А залежить, крім того, від розмірів термістора і його форми.

Термістори виготовляються з номінальним опором (при 20 °С) від 1 до 200 кОм. Залежно від типу вони можуть застосовуватися для виміру температур від -100 до 120-600°C. Їx чутливість в 6-10 разів більше, ніж чутливість металевого терморезистора. Крім того, термістори мають значно менші розміри і масу. Є термістори, виконані у вигляді кульок діаметром від 0,006 до 2,5 мм. Теплоємність таких термісторів на кілька порядків менше, ніж у металевих терморезисторів. Мала теплоємність обумовлює малу інерційність термісторів.

Є термістори з постійною тепловою інерцією декілька мілісекунд.

Недоліком термісторів є нелінійність функції перетворення, великий розкид їхніх параметрів, а також старіння й деяка нестабільність характеристик. Протягом першого тижня їхн опір може змінитися на 1-1,5%, а за кілька місяців ще на 1%. Надалі зміна опору термістора відбувається повільніше, не перевищуючи 0,2% у рік.

Термістори звичайно включаються в схему нерівновагого або автоматичного мосту. Прилади мають індивідуальне градуювання що обумовлено великим розкидом параметрів і характеристик перетворювачів. До вторинного приладу термістори приєднуються за допомогою двухдротового кабелю. Погрішність, викликана зміною параметрів кабелю, незначна, оскільки опір і чутливість термістора багато більше опору лінії зв'язку і її чутливості до зміни температури.

Термістори застосовуються для вимірювання температури в тих випадках, коли не потрібна висока точність, але потрібно виміряти температуру малих об'єктів, що володіють малою теплоємністю. Вони широко використаються, наприклад, у біології. За допомогою термістора, змонтованого на вістря голки, можна виміряти температуру внутрішніх органів живого організму. Широке застосування термістори знаходять у різних приладах для температурної корекції характеристик приладів.