5.6. Термопреобразователи сопротивления.

Э лектрическое сопротивление материалов в общем случае зависит от температуры. Поскольку это свойство у стабильных материалов воспроизводится с высокой точностью, то целесообразно использовать такие стабильные вещества в качестве чувствительных элементов датчиков температуры. Зависимость сопротивления от температуры R = f(T) носит сложный характер и определяется природой вещества, т.е. температурный коэффициент dR/dT не постоянный и в зависимости от материала датчика может быть положительным или отрицательным. Зависимость относительного сопротивления от температуры для различных веществ представлена на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Отношение сопротивлений R_t/R₂₀ в зависимости от температуры металлических термометров сопротивления и термисторов с температурным коэффициентом ₂₀ от 2010^-3 до 6010^-3 (₂₀ электролитов составляет примерно 2010^-3)

У чистых металлов сопротивление возрастает с увеличением температуры, т.е. dR/dT  0. Природа этого явления обусловлена свободными электронами связи в кристаллической решетке. При повышении температуры увеличивается интенсивность колебаний ионов около положений равновесия. Это приводит к увеличению рассеяния электронов на неоднородностях кристаллической решетки, и как следствие, к увеличению электрического сопротивления. Зависимость сопротивления от температуры для чистых металлов может быть достаточно точно описана полиномом третьей степени.

, (5.9)

где R₀ – сопротивление при t = 0С. В измерительной практике обычно ограничиваются полиномом второй степени или линейной зависимостью сопротивления от температуры.

У полупроводников сопротивление может, как возрастать с ростом температуры (полупроводники PTC типа, позисторы), так и уменьшаться при повышении температуры (полупроводники NTC типа, термисторы). Более широкое применение получили термисторы.

В полупроводниках обычно имеет место недостаток электронов проводимости. При повышении температуры их количество резко возрастает за счет подвода тепловой энергии. Вследствие чего с увеличением температуры электрическое сопротивление полупроводников уменьшается. Зависимость сопротивления от температуры определяется сложной функцией. В области низких температур полупроводники обладают высоким сопротивлением и являются идеальными изоляторами. В области высоких температур зависимость сопротивления от температуры может быть представлена уравнением вида:

, (5.10)

где b – постоянная величина, зависящая от материала (b  3000  4000 К).

Металлические термометры сопротивления изготавливают из материалов с высокой удельной проводимостью. В качестве таковых согласно ГОСТ 6651-94 [16] используют платину (обозначение датчика ТСП), медь (ТСМ), никель (ТСН). Чувствительные элементы датчиков изготавливаются из тонкой проволоки или ленты. В лабораторной практике используются термометры сопротивления, чувствительные элементы которых изготовлены путем напыления металла на диэлектрическую подложку. Как правило, проволочные ЧЭ в виде спирали размещают на кварцевых, керамических, слюдяных и пластмассовых каркасах или в трубках. При размещении спирали в каналах керамических трубок внутренние полости датчика, где расположена спираль, заполняются термостойким диэлектриком (керамическим порошком) и выводы проводников герметизируются. Для предохранения ТС от разнообразных внешних воздействий его могут помещать в защитную металлическую арматуру.

Полупроводниковые термометры сопротивления с отрицательным температурным коэффициентом, термисторы, изготавливают из легко спекаемых оксидов, например, закись-окись железа Fe₃O₄(FeOFe₂O₃) c добавками MgOCr₂O₃ bkb 2ZnOTiO₂. Для изготовления термисторов используются также твердые растворы на основе окиси железа, Fe₂O₃ или окислы никеля, кобальта, меди (NiO, CoO, CuO) c небольшими добавками окислов щелочных металлов. Полупроводниковые термометры сопротивления с положительным температурным коэффициентом изготавливают из поликристаллических керамик, например, титанат бария BaTiO₃. Полупроводниковые диоды и транзисторы также могут быть использованы в качестве чувствительных элементов датчиков температуры. Основными достоинствами полупроводниковых терморезисторных датчиков температуры являются их высокая чувствительность и сравнительно малые размеры. ЧУ полупроводниковых ТС могут быть изготовлены в виде шариков или пластинок размером l  0,2 мм. Недостатком полупроводниковых ТС является то, что они уступают металлическим датчикам по стабильности и повторяемости свойств.

Термометры сопротивления (ТС) характеризуются величиной сопротивления при стандартной температуре (R₀ при t = 0C), температурным коэффициентом электрического сопротивления (W_t = R_t/R₀) и классом. Поскольку значение W_t зависит от температуры, то в качестве характеристики терморезистора используется величина W₁₀₀, равная отношению сопротивлений при 100С и 0С (W₁₀₀ = R_t=100/R_t=0). Класс термометра сопротивления определяет допускаемое отклонение R₀ и k₁₀₀ от номинальных значений. В зависимости от допускаемой погрешности термометры сопротивления подразделяют на три класса (А, В, С). Допускаемое отклонение сопротивления (ТС) от номинального значения согласно [16] не должно превышать значений, указанных в таблице 5.8.

Таблица 5.8

Тип ТС	Допускаемое отклонение сопротивления от номинального значения при 0С, %, для класса допуска
	A	B	C
Платиновый (ТСП) Медный (ТСМ) Никелевый (ТСН)	0,05 0,05 -	0,1 0,1 -	0,2 0,2 0,24

Номинальные статические характеристики преобразования (НСХ) термометров сопротивления представляются в виде R_t=W_tR₀, где R_t – сопротивление терморезистора при температуре t. Значения W_t определяются по таблицам (ГОСТ 6651-94). Условное обозначение (НСХ) представляется в виде кода: цифры, определяющей значение R₀ и буквы, определяющей материал (П-платина, М-медь, Н-никель). В международном обозначении эта информация размещается в обратном порядке, сначала латинское обозначение материала (Pt, Cu, Ni), а после него значение R₀. Значение R₀ для платиновых термометров сопротивления выбирается из ряда 1; 10; 50; 100; 500 Ом, для медных из ряда 10; 50; 100 Ом, для никелевых R₀=100 Ом. Условное обозначение НСХ для различных ТС приводится в таблице 5.9.

Основные характеристики металлических ТС (диапазон измеряемых температур, класс допуска, предел допускаемого отклонения сопротивления от НСХ) ТС, изготавливаемых в соответствии с требованиями с [13], представлены в таблице 5.10.

Таблица 5.9

Тип ТС	Номинальное значение со-противления при 0С, R , Ом	Условное обозначение номинальной статической характеристики преобразования (НСХ)
		в народном хозяйстве СНГ	международное
Платиновый (ТСП)	1 10 50 100 500	1П 10П 50П 100П 500П	W100 = 1,3850 Pt 1 Pt 10 Pt 50 Pt 100 Pt 500	W100 = 1,3910 Pt 1 Pt 10 Pt 50 Pt 100 Pt 500
Медный (ТСМ)	10 50 100	10М 50М 100М	W100 = 1,4260 Cu 10 Cu 50 Cu 100	W100 = 1,4280 Cu 10 Cu 50 Cu 100
Никелевые (ТСН)	100	100Н	Ni 100

Таблица 5.10

Тип ТС	Наименование характеристик, размерность	Значение характеристик
1	2	3
Платиновые (ТСП)	Диапазон измеряемых температур, С Класс допуска Предел допускаемого отклонения сопро-тивления от НСХ для классов допуска, С А В С	Минус 260 – плюс 850 (1100 – для единичного производства) А, В, С (0,15 + 0,002 |t|) от –220 до +850С (0,3 + 0,005 |t|) от –220 до +1100С (0,6 + 0,008 |t|) от –100 до +300С от 850 до 1100С
Медные (ТСМ)	Диапазон измеряемых температур, С Класс допуска Предел допускаемого отклонения сопро-тивления от НСХ для классов допуска, С А В С	Минус 200 – плюс 200 А, В, С (0,15 + 0,002 |t|) от –50 до +120С (0,25 + 0,005 |t|) от –200 до +200С (0,5 + 0,0065 |t|) от –200 до +200С
1	2	3
Никелевые (ТСН)	Диапазон измеряемых температур, С Класс допуска Предел допускаемого отклонения сопро-тивления от НСХ, С	Минус 60 – плюс 180 С (0,3 + 0,0165 |t|) от –60 до 0С (0,3 + 0,008 |t|) от –200 до +200С от 0 до +180С
Примечания: t – значение измеряемой температуры, С. Допустимые отклонения сопротивления от НСХ ТС для измерения температуры ниже минус 220С и поверхностных ТС устанавливаются в технических условиях на ТС конкретного типа. Рабочий диапазон конкретного типа ТС может включать часть диапазона измеряемых температур, а также может быть дифференцирован по классам допуска ТС. Кроме рабочего диапазона в технических условиях (далее – ТУ) на ТС конкретного типа может устанавливаться номинальное значение температуры применения. ТС, имеющие только два внутренних соединительных провода (см. 5.7) и предназначенные для использования только с двумя внешними соединительными проводами, не относятся к классу допуска А.

Для измерения сопротивления терморезистора могут быть использованы логометры, мосты и потенциометры (по методу компенсации). Подключение терморезистора к измерительному прибору может быть осуществлено по различным схемам, представленным на рис. 5.8. Поскольку на показания приборов в общем случае, будет оказывать влияние как собственное сопротивление датчика R_t, так и сопротивление монтажных проводов и клемных контактов R_l, то последнее следует либо учитывать, либо исключать (компенсировать).

а) б) в) г)

Рис. 5.8. Подключение терморезистора к измерительным приборам:

а – двухпроводная схема; б – трехпроводная схема; в - четырехпроводная

схема; г – четырехпроводная схема с компенсацией изменения

сопротивления выводов

Двухпроводная схема включения, рис 5.8,а, используется в приборах с непосредственным отсчетом температуры (логометрах). Для исключения влияния сопротивления соединительных проводов на показания логометра, которые градуируются в соответствии с НСХ конкретного типа термометра, сопротивление соединительных проводов R_l доводят до требуемого номинала путем использования подгоночных катушек (сопротивлений). Такая операция позволяет исключить влияние сопротивления линии на показания прибора, но не учитывает влияние колебания температуры окружающей среды на сопротивление линии и показания прибора.

Трехпроводная схема включения, рис. 5.8,б, позволяет производить подвод тока и съем напряжения в точке подключения ТС. Такое подключение в значительной мере снижает влияние температуры окружающей среды на показания приборов. Такая схема включения применяется при использовании в качестве измерительных приборов уравновешенных автоматических мостов. Два питающих провода ТС включаются в разные плечи моста, а третий в измерительную диагональ.

Более точные результаты, по сравнению с трехпроводной схемой, позволяет получить двухпроводная схема со свободной петлей, рис. 5.8,в. Она используется в симметричных уравновешенных мостах. Петля изготавливается из таких же проводников, что и соединительные проводники ТС и включается в плечо моста, смежное с плечом термометра. Поскольку все соединительные провода при равных сечениях и длине будут иметь одинаковое сопротивление (возможно даже изменяющееся при изменении температуры окружающей среды), и включены попарно в смежные плечи моста, то их влияние исключается.

Четырехпроводная схема включения, рис. 5.8,г, используется для измерения сопротивления терморезистора по методу компенсации и является наиболее точной. Два провода используют для подвода тока и два для измерения падения напряжения на ТС. Поскольку подвод тока и съем напряжения осуществляется в одной точке, то даже при большой длине соединительных проводов их сопротивление не оказывает практического влияния на результаты измерений.

Полупроводниковые ТС как правило имеют большое сопротивление, которое во много раз превышает сопротивление соединительных проводов. По этой причине при их подключении к измерительным приборам используют двухпроводную схему включения, т.е. пренебрегают влиянием сопротивления соединительных проводов на показания датчика.