5.3.5. Теплорезистивные ип

Теплорезистивные (терморезистивные) ИП по приведенной ранее классификации могут быть отнесены к группе тепловых преобразователей.

Принцип действия и материалы терморезистивных ИП

Принцип действия терморезистивных ИП основан на изменении удельного сопротивления проводников, полупроводников и диэлектриков под действием температуры.

Чувствительность материалов к температуре Т характеризуется величиной температурного коэффициента удельного электрического сопротивления материала ТК, который в общем случае определяется как ТК =_ =/T, [1/K].

Материалы терморезистивных ИП (в дальнейшем терморезисторов) должны обладать: большим значением ТК; стабильностью ТКво времени и в диапазоне рабочих температур; большим значением удельного сопротивления; инертностью к воздействию различных сред.

В качестве материалов для терморезисторов используют:

1. Проводники: платину, медь, никель, вольфрам и др.

2. Полупроводниковые соединения: медно-марганцевые и др.

3. Мононокристаллические полупроводники: Ge и др.

4. Диэлектрики - тугоплавкие окислы: BeO, MgO, ZrO₂, SiO₂и др.

В прововодниковых металлических терморезисторах (их называют термометрами сопротивления) эффект изменения удельного сопротивления под действием температуры обусловлен рассеянием электронов тепловыми колебаниями кристаллической решетки. Рассеяние пропорционально амплитуде колебаний решетки, которая в свою очередь пропорциональна температуре.

ТК(_) большинства химически чистых металлов в интервале температур 0-100⁰С составляет величину_= (3 - 6,8) 10^-3К^-1. ТКповышается с уменьшением величины внутренних напряжений в материале и с увеличением степени чистоты.

Изменение удельного сопротивления полупроводниковых материалов под действием температуры обусловлено, главным образом, изменением концентрации носителей заряда.

Рассмотрим наиболее широко распространенные терморезистивные измерительные преобразователи.

Проводниковые терморезистивные ИП

В широком интервале температур сопротивление металлического проводника определяется выражением

R_Т = R₀(1 +₁Т +₂Т² +₃Т³ +₄Т⁴ + ...), (5.21)

где R₀- сопротивление образца при Т = Т₀, например, 0⁰C;₁,₂,₃... - степенные температурные коэффициенты сопротивления материала.

Наиболее широкое распространение получили медные и платиновые термометры сопротивления.

Уравнение преобразования медных терморезистивных ИПв интервале температур от -50 до +180⁰С может выражаться линейной зависимостью

R_Т = R₀(1 +_RТ), (5.22)

где _R= 4,26 10^-3К^-1- температурный коэффициент сопротивления меди; R₀ - сопротивление при 0⁰С.

Чувствительность медного РИП находится как S = _RR_0.

Медные термометры сопротивления (ТС) применяются в диапазоне температур от -200 до +200 ⁰С. При индивидуальной градуировке их можно использовать до температуры -260⁰С.

Недостатком медных терморезисторов является их сильная окисляемость при температурах Т > 180 ⁰С, что ограничивает их температурный диапазон.

Уравнение преобразования платиновых терморезисторовв диапазоне температур от 0 до 650⁰С определяется выражением:

R _Т= R₀(1 +₁Т +₂Т²), (5.23)

где R₀- cопротивление при 0⁰С;₁= 3,90784 10^-3К^-1;₂= 5,7841^.10^-7К^-2, Т - температура в⁰С.

Чувствительность в этом диапазоне находится как S = R₀(₁+₂Т).

В диапазоне температур от 0 до -200 ⁰С зависимость сопротивления платинового терморезистора от температуры имеет вид

R_Т = R₀[1 +₁Т +₂Т² +₃(Т- 100)Т³], (5.24)

где ₃= -4,482^.10^-12К^-4.

Платиновые термометры сопротивления применяются в диапазоне температур от - 263 до +1100 ⁰С.

Никелевые терморезисторыхарактеризуются высоким значением ТКС = 6,28^.10^-3К^-1, практически линейной зависимостью сопротивления от температуры в диапазоне от -200 до +300⁰С.

Недостатком является сильная окисляемость никеля при высоких температурах, что ограничивает диапазон рабочих температур до +250 ⁰С.

В соответствии с ГОСТ 6651-94 выпускаются термометры сопротивления трех классов точности с номинальными статическими характеристиками преобразования: платиновые - 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П; медные - 10М, 50М, 100М. Число в обозначении показывает сопротивление при 0 ⁰С.

Основные параметры наиболее распространенных термометров сопротивления приведены в табл.5.2.

Таблица 5.2

Тип термометра	Градуировка	Сопротивление при 0 0С, Ом	Диапазон Температур, 0C	Класс допуска
Медный (ТСМ)	10М	10	-50 … +200	В; С
	50М	50	-50 … +200	В; С
	100М	100	-200 … +200	В; С
Платиновый (ТСП)	10П	10	0 … +1100	А; В
	50П	50	-263 … +1000	А; В
	100П	100	-263 … +1000	А; В
	500П	500	-263 … +300	А; В
Никелевый (ТСН)	-	-	-	С

В табл. 5.3 приведены допускаемые отклонения сопротивления термометров сопротивления при температуре, равной 0 ⁰С (R₀ ) от номинального значения.

Таблица 5.3

Тип ТС	Допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 0 0С (R0 ) для классов допуска, %
	А	В	С
Медный (ТСМ)	0,05	0,1	0,2
Платиновый (ТСП)	-	0,1	0,2
Никелевый (ТСН)	-	-	0,24

Недостатками промышленных термометров сопротивления являются: большое значение тепловой постоянной времени и большие размеры.

Для измерения температуры в высокоскоростных газовых потоках используются терморезисторы из вольфрама,характеризующиеся близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры. Диапазон измерения ограничивается температурой до +600⁰С.

Достоинством вольфрамовых терморезисторов является бескаркасная намотка чувствительного элемента.

В области низких температур до 3,5 К применяются индиевые терморезисторы, сопротивление которых зависит от температуры как

R = A + BT⁵, (5.25)

где А и В - постоянные, получаемые эталонированием терморезистора в реперных точках.

Для измерения высоких температур вплоть до +2000 ⁰С могут применяться терморезисторы на основесплавов золото-серебро и платина-палладий.

К достоинствам металлических терморезисторов можно отнести высокую стабильность и воспроизводимость характеристик.

Устройство проводниковых термометров сопротивления

В чувствительных элементах большинства проводниковых терморезисторов используется металлическая проволока диаметром (0,05-0,1) мм с длиной, определяемой значением начального сопротивления.

Промышленностью выпускаются платиновые и медные термометры сопротивления, которые в общем случае состоят из чувствительного элемента, защитной арматуры и головки преобразователя с зажимами.

Существуют различные варианты конструктивного исполнения чувствительного элемента металлических термометров сопротивления. Например, чувствительный элемент медного терморезистора (рис. 5.7 а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода[9], цилиндр помеща-ется в защитный чехол 4.Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис. 5.7 б) может быть выполнен из нескольких (например, двух или четырех) соединенных последовательно платиновых спиралей 1, к которым припаиваются выводы 3. Спирали размещаются в каналы двух- или четырех канального керамического каркаса 2, помещенного в защитный корпус 4.

а) б)

Рис. 5.7

Полупроводниковые терморезисторы

Температурная зависимость полупроводниковых терморезисторов достаточно хорошо описывается выражением

R = R_oexp(_ТT)= R_o(1-_ТT +_Т²T/2 + ...), (5.26)

где R_o- сопротивление при начальной температуре Т_o;T = Т -Т_o;_Т -постоянный коэффициент, имеющий размерность [1/К].

Сопротивление полупроводникового терморезистора также может быть найдено по формуле

R = Аe^В/T, (5.27)

где А - коэффициент, характеризующий материал и конструкцию терморезистора; В - коэффициент, характеризующий материал.

Коэффициенты А и В также зависят от температуры, поэтому более точное выражение выглядит так:

R = R(T₀)e^В(1/T-1/To), (5.28)

где R(T₀) - сопротивление при абсолютной температуре T_0.

При температуре 300 К чувствительность полупроводникового терморезистора на порядок выше, чем металлического. Полупроводниковый терморезистор часто называют термистором.

Температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезисторов зависит от температуры и определяется по формуле _R = - B/T².

Как правило, полупроводниковые терморезисторы имеют отрицательный ТКС, _R -(0,02 - 0,08) К^-1[10]. Исключения составляют так называемые"позисторы",имеющие положительный ТКС (_R 0,3 - 0,5 К^-1). Позисторы изготавливаются из сегнетоэлектрических полупроводников, характеризующихся аномальным ростом удельного сопротивления вблизи области сегнетопароэлектрического фазового перехода.

Наибольшее применение для изготовления полупроводниковых терморезисторов получили поликристаллические материалы на основе смесей окислов металлов переходной группы периодической системы (смеси окислов марганца, никеля, кобальта и т. д.).

Значение номинального сопротивления при Т = 20 ⁰С термисторов этой группы лежит в пределах от сотен Ом до единиц МОм, постояннаяВимеет значение от 2000 до 22000 К, диапазон преобразования от минус 196 до плюс 1000⁰С. Тепловая постоянная времени составляет значение от десятых долей до десятков секунд.

Основные характеристики некоторых полупроводниковых терморезисторов приведены в табл. 5.4[10].

Таблица 5.4

Тип	Номинальное сопротивление при 20 0С, кОм	Постоянная В, 102К	Диапазон рабочих температур, 0С	, с
КМТ-8	0,1-10	36-72	-45 … + 70	85
ММТ-1	1-220	20,6-43	-60 … +125	85
КМТ-14	0,51-7500	41-70	-10 … +300	60
СТ3-17	0,033-0,33	25,8-38,6	-60 … +100	30
СТ1-18	1,5-2200	40,5-90	-60 … +300	1
СТ3-25	3,3-4,5	26-32	-100 … +125	0,4

Значение номинального сопротивления термисторов этой группы при тем-пературе 20 ⁰С лежит в пределах от сотен Ом до единиц МОм, постояннаяВиме-ет значение от 2000 до 22000 К, диапазон преобразования от -196 до +1000⁰С. Тепловая постоянная времени составляет значение от десятых долей секунды до десятков секунд.

Терморезисторы из монокристаллических полупроводников(германия, кремния) характеризуются большим значением ТКС, хорошей воспроизводимостью и стабильностью характеристик в широком интервале температур, малой тепловой постоянной времени.

Номинальное сопротивление при 20 ⁰С составляет значение от десятков Ом до десятков кОм, тепловая постоянная времени - от десятых долей до единиц секунд, диапазон температур лежит от десятых долей градуса Кельвина до сотен Кельвин.

Недостатками являются нелинейность характеристики преобразования и большой разброс от образца к образцу номинального значения сопротивления и постоянной В.

Основные характеристики терморезистивных ИП

К характеристикам терморезистивных ИП относятся уравнение преобразования, чувствительность, номинальное сопротивление, тепловая постоянная времени, погрешности.

Уравнения преобразования и чувствительность различных классов ИП рассмотрены ранее.

Одной из характеристик металлических термометров сопротивления является отношение W₁₀₀ сопротивления ТС при 100⁰С (R₁₀₀) к сопротивлению при 0⁰С (R₀), W₁₀₀= R₁₀₀/R₀. В соответствии с ГОСТ 6651-94 для платиновых ТСW₁₀₀ = 1,3850 - 1,3910, для медныхW₁₀₀ = 1,4260 - 1,4280 и для никелевых W₁₀₀ = 1,6170.

Одной из важнейших характеристик терморезисторов является тепловая постоянная времени , характеризующая их тепловую инерцию:

 = С/(F), (5.29)

где С - теплоемкость терморезистивного ИП; - коэффициент теплоотдачи; F - поверхность терморезистивного ИП.

Постоянная времени определяется при перенесении ИП из среды с температурой Т₀в среду с температурой Т и для различных конструкций составляет от десятых долей до десятков секунд (металлические термометры сопротивления имеют= (10 - 60) с, постоянная времениполупроводниковых может составлять десятые доли секунды, например, у терморезисторов СТ3-25 -= 0,4 с)[10].

Номинальное сопротивление - это сопротивление терморезистора при температуре Т₀. Для проводниковых металлических терморезисторов за номинальное сопротивление обычно выбирается сопротивление при температуре 0⁰С, а для большинства полупроводниковых - при 20⁰С.

Значения номинального сопротивления для некоторых типов терморезистивных ИП приведены табл. 5.2 и табл. 5.4.

Погрешности терморезистивных ИП

Погрешности терморезистивных ИП обусловлены [13]:

1) отклонением характеристики от стандартной градуировочной таблицы; 2) нестабильностью характеристики R = f(T); 3) потерями тепла на лучеиспускание; 4) потерями тепла за счет теплопроводности защитной арматуры; 5) тепловой инерцией; 6) нагревом измерительным током.

Погрешности, обусловленные потерями тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры, более характерны для промышленных термометров сопротивления.

Отклонение градуировочной характеристики конкретного ИП от номинальной может происходить из-за неточности подгонки начального сопротивления при 0С и из-за отличий в чистоте металла. Допустимые отклонения R₀ и _Т от номинальных задаются ГОСТ.

Стабильность характеристики R = f(T) определяется условиями эксплуатации, причем изменения происходят, главным образом, при длительной работе ИП за пределами допустимого температурного диапазона.

Погрешность от лучеиспускания возникает из-за наличия разности температур терморезистивного ИП и стенок объекта измерения. Значение погрешности находится по формуле

Т = - С₁/[(T_ИП/100)⁴- (T_СТ/100)⁴], (5.30)

где Т_ИП– температура терморезистивного ИП; Т_СТ– температура стенок объекта; С₁– коэффициент лучеиспускания материала поверхности ИП;– коэффициент теплоотдачи от среды к ИП.

Погрешность, обусловленная потерями тепла за счет теплопроводности защитной арматуры (характерна для промышленных ТС)

Т = - (Т_С- Т_Г) /ch [l П/( S)], (5.31)

где Т_Г– температура головки ИП;l – глубина погружения ИП в объект;– периметр защитной трубы,S – площадь поперечного сечения защитной трубы;– коэффициент теплопроводности материала трубы.

Погрешность из-за инерционностиимеет место при динамических измерениях. Инерционность РИП характеризуется постоянной времени.

Погрешность от протекания измерительного токасвязана с нагревом терморезистивного ИП проходящим током

Т = I² R/(F). (5.32)

Области применения терморезистивных ИП

Терморезистивные ИП используются для измерения: температуры; скорости жидкости или газа (в термоанемометрах); перемещений; для анализа состава и плотности газов.

5.3.6. Оптикоэлектрические РИП (фоторезистивные ИП)

Принцип действия оптикоэлектрических РИП (фоторезистивных ИП) заключается в изменении удельного сопротивления полупроводников и диэлектриков под действием оптического излучения.

Чувствительность материалов к оптическому излучению характеризуется значением оптического коэффициента электрического сопротивления

_Еопт= (d/dE_опт)/₀, (5.33)

где E_опт -интенсивность оптического излучения; ₀- значение удельного сопротивления при E_опт= 0.

Оптикоэлектрические РИП отличаются: 1) чрезвычайно высокой чувствительностью; 2) большим диапазоном измерения; 3) нелинейностью характеристики R = F(Ф); 4) малым быстродействием   (10^-6 10^-2) с; 5) большим значением ТКС (1 - 5)%/⁰С; 6) зависимостью чувствительности от времени хранения и работы; 7) зависимостью чувствительности от спектрального состава излучения; 8) миниатюрностью и возможностью интегрального исполнения; 9) дешевизной.

Основные характеристики фоторезистивных ИП

К характеристикам фоторезистивных ИП относятся: функция преобразования; темновое сопротивление; кратность изменения сопротивления; монохроматическая чувствительность; спектральная характеристика; световая характеристика; вольтамперная характеристика; постоянная времени и др.

Уравнение преобразованияможет быть представлено выражением

R = A E^-n_ОПТ, (5.34)

где А - коэффициент, зависящий от свойств материала и конструкции фоторезистора; n = 0,5 - 1,0 (n = 1 при малых освещенностях, n = 0,5 - при больших освещенностях).

Порог чувствительности- это минимальное значение потока излучения, который вызывает на выходе фоторезистора сигнал, в заданное число раз превышающий уровень шума. Порог чувствительности может составлять значение от 10^-10до 10^-8люмен.

Монохроматическая чувствительностьS_ - это отношение приращения фототокаI к изменению плотности монохроматического потокаP_с длиной волны: S_=I/P_, мкА/Вт.

Спектральная характеристикаS_- зависимость монохроматической чувствительности от длины волны S_= f().

При работе в видимой части спектра оптического излучения используется интегральная световая чувствительность - отношение приращения фототока к изменению светового потока S_Ф=I/Ф, мкА/лм.

Различают чувствительность по току и чувствительность по напряжению, в зависимости от схемы включения фоторезистора.

Вольтамперная характеристикаопределяет зависимость фототока от напряжения питания, приложенного к фоторезистору при постоянном значении светового потока.

Кратность изменения сопротивления- это отношение темнового сопротивления к сопротивлению при определенной освещенности (как правило, 200 или 300 люкс) n = R_ТЕМН/R_Е=200лк. Кратность для разных типов фоторезисторов лежит в пределах от единиц до сотен тысяч.

Темновое сопротивление R_ТЕМН- это сопротивление при Е_ОПТ= 0. Сопротивление R_ТЕМНдостигает десятков мегом.

Световая постоянная времени- это время, в течение которого сопротивление (фототок) фоторезистора изменяется при затемнении или при освещении вераз по отношению к установившемуся значению.

Различают постоянные времени при затемнении _СПи освещении_Нфоторезистора. Значения постоянных времени равны_СП,_Н(10^-8- 10^-2 ) с.

В табл.5.5 представлены основные характеристики некоторых типов фоторезисторов [10].

Таблица 5.5

Параметры фоторезисторов	ФСА-1а	ФСК-5	СФ3-1	СФ4-1
Темновое сопротивление, Ом	104- 106	5 106	3 107	104- 106
Удельная чувствительность, мкА/(лм В)	500	3000	105	6.104
Кратность	1,2	600	105	1,03
Постоянная времени при затемнении, с	4 10-5	-	-	(3-5).10-6
Верхняя граничная Частота, Гц	(1-5) 103	100	-	3.104
Длина волны при S max, мкм	2,1	0,64	3,5	3,5

Материалы и устройство фоторезистивных ИП

Наибольшее применение находят материалы на основе соединений кадмия (CdSe - тип ФС-Д, CdS - тип ФСК), свинца (PbS - тип ФС-А). Применяются также на основе тройных соединений типа HgCdTe, PbSnTe и др.

Фоторезисторы имеют самые разнообразные конструктивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, дифференциальные, позиционно-чувствительные и др. Форма чувствительного элемента также может быть самой разнообразной: прямоугольной, кольцевой и др.

Погрешности фоторезистивных ИП

Погрешности фоторезистивных ИП обусловлены следующими причинами: 1) нестабильностью свойств материала фоторезистора во времени; 2) изменением параметров и характеристик фоторезистора под действием температуры; 3) влиянием фоновой засветки.

При длительной эксплуатации фоторезисторов изменяются характеристики фоточувствительного слоя и необходима периодическая проверка и градуировка фоторезистивного ИП.

При изменении температуры фоторезистора изменяется его сопротивление, порог чувствительности (увеличивается с ростом температуры) и изменяются постоянные времени (с ростом температуры , как правило, уменьшаются). Для уменьшения этой погрешности фоторезисторы подвергают тренировке.

Погрешность, обусловленная фоновой засветкой, уменьшается применением специальных оптических фильтров.