3.2. Термопреобразователи сопротивления на основе металлов

Для металлов обычно принимают, что сопротивление является линейной функцией температуры, т.е.

, (20)

где R и R₀ – сопротивления, соответствующие температурам θ и θ₀; α– тем­пературный коэффициент сопротивления.

Уравнение (20) справедливо при малых отклонениях температуры.

На рис.7. приведены функции R/R₂₀ =f() для меди, никеля, платины и полу­проводников.

Материалы, предназначенные для теплочустви­тельного элемента, должны удовлетворять ряду требований: иметь стабильную и хорошо воспроизводимую монотонную зави­симость сопротивления от температуры и доста­точно высокое значение ТКС, определяемого вы­ражением:

; (21)

их физические и химические свойства должны ос­таваться стабильными во времени в рабочем диа­пазоне температур. Не должны быть чувствитель­ными к изменениям других внешних параметров, таких как давление, влажность, напряжённость магнитного поля, загрязнение и др.

Рис.7. Характеристики сопротивлений

Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, никель. Полупроводниковые в настоящее время представляют широкий класс материалов также пригодных для изготовления чувствительного элемента термосопротивления.

Платиновые термопреобразователи сопротивления. Чистая платина - наилучший и наиболее распространенный материал для изготовления теплочувствительного элемента. К достоинствам платины следует отнести её сравнительно высокую химическую инертность вплоть до высоких температур, высокую температуру плавления, высокое удельное сопротивление (10 мкОм/см при комнатной температуре). Платиновые термосопротивления (ТСП) используют для измерения температуры в диапазоне от – 260 до 1100°С.

Зависимость сопротивления ТСП от температуры в диапазоне 0 – 630 °С хорошо аппроксимируется полиномом второй степени:

, (22)

где R и R₀ – сопротивления ТСП при температуре θ и 0 °С соответственно; А и В – коэффициенты (В<0).

Для температур ниже 0 С справедливо соотношение:

. (23)

Для чистой платины: А=3,940×10^-3; В=-5.8×10^-7; С=-4×10^-12.

Медные термопреобразователи сопротивления. Медная проволока, выпускаемая промышленностью, отличается достаточной степенью чистоты, и поэтому изготовленные из неё термометры обладают весьма хорошей взаимозаменяемостью. К достоинствам меди следует от­нести линейную или близкую к линейной зависимость сопротивления от температуры, достаточно высокий ТКС, а также дешевизну проволоки. Недостатком меди является её сильная окисляемость при повышенных температурах, что ограничивает температурный предел применения медных термосопротивлений (ТСМ). Серийно выпускаемые технические ТСМ применяются для температуры в диапазоне от – 200 до +200 °С.

Никелевые термопреобразователи сопротивления. Основными достоинствами никеля являются высокие значения ТКС (α=6,410^-3 К^-1) и удельного сопротивления. К числу недостатков никеля следует отнести значительную окисляемость при высоких температурах. Поэтому никелевые термосопротивления (ТСН) могут быть использованы для длительных измерений только до 150 °С, а для кратковременных - до 180 °С. Зависимость сопротивления ТСН от температуры описывается полиномом второй степени (20) с положительным коэффициентом при квадратичном члене. Наиболее существенным недостатком никелевой проволоки является зависимость её ТКС от наличия примесей. Поэтому для обеспечения взаимозаменяемости термопреобразователей обычно последовательно с резистором из никеля включается резистор из материала с малым ТКС (манганит).

­3.3. Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления

Перечень полупроводниковых материалов, в той или иной степени удовлетворяющих резистивной термометрии, в настоящее время чрезвычайно велик. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность сопротивления к температуре, на порядок и более превышающая чувствительность металлов. Промышленность серийно выпускает множество типов полупроводниковых термопреобразователей в различном конструктивном оформлении, называемых термисторами.

Термисторы широко используются для измерения температур в диапазоне (–100 +300) °С. Исходными материалами для изготовления термисторов служат смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со специальным веществом в нужном соотношении; прессованием им придают необходимую форму, их спекают при температуре, близкой к температуре плавления используемых оксидов.

Так, например, термисторы типа КМТ, СТ1, ПТ изготавливают на основе кобальто-марганцевых, ММТ и СТ2 – на основе медно-марганцевых, СТ3 и МКМТ – медно-кобальто-марганцевых и СТ4 – никель-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников.

Термисторы имеют большое номинальное сопротивление (от единиц до сотен кОм), большой ТКС и малую инерционность. К числу их недостатков следует отнести нелинейность температурной зависимости сопротивления, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, нестабильность СХ.

Зависимость сопротивления термисторов от температуры описывается выражением:

(24)

где R₀ – сопротивление термистора при Т=273, T=273° + θ – абсолютная температура; B – постоянная материала.

Сопротивление полупроводникового термопреобразователя измеряется неуравновешенным четырёхплечим мостом постоянного тока (рис.8). Индикатором состояния моста является магнитоэлектрический логометр с подвижным магнитом и двумя неподвижными катушками, имеющими активные сопротивления R₈ и R₉. При изменении температуры величина сопротивления R₁₅ изменяется, происходит перераспределение токов в рамках логометра и откло­нение его подвижной системы.

Сопротивления R₅ и R₆, включенные по последовательно-па­раллельной схеме, являются корректирующими. Они выравнивают характеристики приемника.

Рис.8 Схема неуравновешенного четырёхплечего моста постоянного тока