17.1.6. Терморезисторы

Известно, что большинство металлов и полупроводников меняют при нагреве электрическое сопротивление. Химически

Истые металлы, как правило, обладают положительным темпе­ратурным коэффициентом сопротивления (ТКС), т.е. с ростом

температуры их сопротивление растет. В интервале температур 0...100 °С ТКС составляет 0,35...0,68 %/К.

Для измерения температур используются материалы, облада­ющие:

• большим ТКС;

• стабильным по времени ТКС;

• линейной зависимостью сопротивления от температуры (по­стоянным по температуре ТКС);

• большим удельным сопротивлением;

• хорошей воспроизводимостью (малым разбросом свойств тер­мосопротивлений при изготовлении);

• устойчивостью к воздействиям окружающей среды.

В первую очередь таким требованиям удовлетворяет платина. Из-за низкой стоимости получили широкое распространение тер­мосопротивления из меди, вольфрама и никеля.

Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от температуры выражается соотношениями:

в диапазоне 0...650 °С

где —сопротивление терморезистора при (для проволоки, используемой при изготовлении терморезисто­ров); — температура ; в диапазоне -200...0 °С

где и — те же;

Для медного терморезистора в интервале температур -50... + 180°С можно пользоваться зависимостью

или

или

где

Если бы формула была верна для любых температур, то при возникла бы сверхпроводимость , чего в реальности не происходит.

Сопротивление медного терморезистора при температуре и известном сопротивлении вычисляется по формуле

100

Дешевые медные терморезисторы можно применять до темпера­тур порядка 200 °С в атмосфере, свободной от влажности и коррозирующих газов. При введении нелинейной температурной поправки их можно использовать для измерения температур вплоть до 260 °С.

Промышленные платиновые терморезисторы работают в диа­пазоне температур 200...650 °С (известны случаи использования их при температурах 264... 1000 °С).

Никелевые терморезисторы обладают высоким сопротивлени­ем и, как следствие, высокой разрешающей способностью, одна­ко при температурах выше 100 °С их характеристика становится нелинейной, а при 300 °С и выше ТКС становится неоднозначным. Медные и никелевые терморезисторы выпускают в стеклянной герметизирующей изоляции, что повышает стабильность их ха­рактеристик и коррозионную стойкость.

Вольфрамовые терморезисторы применяют до температур по­рядка 400 °С (при более высоких температурах металл окисляется). Некоторые характеристики основных металлов, применяемых при изготовлении терморезисторов, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Термометры сопротивления являются одними из наиболее точных преобразователей температуры. Так, платиновые терморезисторы по­зволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0,001 °С.

Выпускают промышленные проволочные терморезисторы (тер­мометры сопротивления) двух типов: платиновые ТСП и медные ТСМ. Их характеристики приведены в табл. 5.

Таблица 5

Чувствительный элемент термометра сопротивления, выпол­ненный в виде спирали или катушки на слюдяном (ТСП) или пластмассовом (ТСМ) каркасе, помещен в герметический корпус Из металлической гильзы с резьбовым штуцером и головкой с че-

Рисунок 17.22 - Платиновый термометр сопротивления:

1 — проволока; 2 — пластина; 3 — серебряная полоска; 4 — слюдяные накладки;

5 — катушка; 6 — серебряные выводы; 7 — защитный чехол

тырьмя выводами для подключения к измерительной цепи двух-, трех- или четырехпроводной линией.

Платиновые термометры ТСП изготавливаются с сопротивле­нием при Ом (так называемая градуировка 20) для измерения температур , и с и для температур от 200...500 "С.

Медные термометры ТСМ изготавливаются с или

для измерения температур в диапазоне —50... + 180 °С. На рис. 22 приведено устройство платинового термометра сопротивления. Платиновая проволока 1 намотана на слюдя­ную пластину 2 с нарезкой. Снаружи проволока накрыта слю­дяными накладками 4 и закреплена серебряной полоской 3. Ка­тушка 5 и серебряные выводы 6 помещены в металлический

защитный чехол 7.

Рисунок 17.23 - Зависимость сопротивле­ния от температуры для кобальто-во-марганцевого термистора типа КМТ и медного терморезистора

Полупроводниковые терморе­зисторы (термисторы) из герма­ния, индия, смеси меди с мар­ганцем (тип ММТ), смеси ко­бальта с марганцем (тип КМТ) обладают по сравнению с метал­лическими терморезисторами меньшими габаритными размера­ми и большим ТКС. Рабочий тем­пературный диапазон составляет -60... +300 "С. С ростом температу­ры сопротивление падает , причем зависимость сопротивле­ния от температуры существен­но нелинейна.

На рис. 23 для сравнения приведена температурная зависи­мость для меди и полупровод­ника, хорошо аппроксимируемая формулой

где — коэффициент, имеющий размерность сопротивления; — коэффициент, имеющий размерность температуры; — абсолютная температура в .

Коэффициенты и , как правило, не зависят от температуры и определяются экспериментально.

Если и неизвестны, но известны и при температурах и , то для температуры

Полупроводниковые терморезисторы имеют номинальное со­противление в диапазоне , предельная рабочая тем­пература медно-марганцевых термисторов (ММТ) — 120 °С, ко-бальтово-марганцевых термисторов (КМТ) — 180 "С.

Основным недостатком полупроводниковых терморезисторов (помимо нелинейной характеристики) является значительный разброс от образца к образцу как номинального сопротивления , так и постоянной . Это требует индивидуаль-

ной градуировки преобразователей, что затрудняет их массовое использование.

Конструктивное исполнение терморезисторов может быть раз­личным. Металлические терморезисторы часто выполняют подоб­но тензорезисторам (см. рис. 3.17, а) в виде высокотеплопровод­ной подложки 1, чувствительного элемента из медной или плати­новой проволоки 2 и выводных электродов' 3.

Серийно выпускаемые полупроводниковые терморезисторы внешне подобны обычным высокоомным резисторам. Они состо­ят из полупроводникового стержня (или таблетки), покрытого краской или герметичной металлической или стеклянной оболоч­кой диаметром 3... 7 мм и металлических выводных проводников. На рис. 3.29 приведены примеры конструкций термисторов, со­стоящих из полупроводникового стержня 7, контактных колпач­ков 2 с токоотводами 3. Стержень 1 часто защищается фольгой 4 и стеклянным изолятором 6 и помещается в корпусе 5.

В качестве измерительных цепей для термосопротивлений, как правило, используют обычные неравновесные мосты. Во избежа­ние нагрева чувствительного элемента измерительным током напря­жение питания моста выбирается в диапазоне 1,5...5 В, обеспечи­вающее ток через элемент порядка нескольких миллиампер.

Особенностью металлических термосопротивлений является сравнительно узкий диапазон изменения и малое сопротивление

Рисунок 17.24 - Конструкции термисторов: контактный колпачок; 1 — стержень; 2 - 3 — токоотвод; 4 — фольга; 5 — корпус; 6 — стеклянный изолятор

чувствительного элемента, что требует учета сопротивления со­единительных проводов и изменения при их нагреве. Например, если используется медный терморезистор с сопротивлением

совместно с медной соединительной линией сопротивле­нием , то изменение общего сопротивления цепи

Рисунок 17.25 - Схема включения термо­резистора

Относительная погрешность за счет нагрева линии составит , т. е. око­ло 10 %.

Уменьшение погрешности за счет сопротивления линии воз­можно путем включения их по четырехпроводной линии связи, соединяющей чувствительный элемент с измерительным мос­том. На рис. 3.30 приведена схема включения терморезистора , когда сопротивления проводов и одинаково влияют на сопротивление плеч моста и

, компенсируя друг друга (со­противление линии питания вызывает