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 ТКr, который в общем случае определяется как ТКr = a_r = ¶r/¶T, [1/K].

Материалы терморезистивных ИП (в дальнейшем терморезисторов) должны обладать: большим значением ТКr; стабильностью ТКr 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, SiO₂ и 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.

ТКr (a_r) большинства химически чистых металлов в интервале температур 0-100 ⁰С составляет величину a_r = (3 - 6,8) 10^-3 К^-1. ТКr 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 + a₁ DТ + a₂DТ² + a₃DТ³ + a₄DТ⁴ +...), (21)

где R₀ - сопротивление образца при Т = Т₀, например, 0 ⁰C; a₁, a₂, a₃... - степенные температурные коэффициенты сопротивления материала.

Наиболее широкое распространение получили медные и платиновые термометры сопротивления.

Уравнение преобразования медных терморезистивных ИП в интервале температур от -50 до +180 ⁰С может выражаться линейной зависимостью

R_Т = R₀ (1 + a_RТ), (22)

где a_R = 4,26 10^-3 К^-1 - температурный коэффициент сопротивления меди; R₀ - сопротивление при 0 ⁰С.

Чувствительность медного РИП находится как S = a_RR_0.

Медные термометры сопротивления (ТС) применяются в диапазоне температур от -200 до +200 ⁰С. При индивидуальной градуировке их можно использовать до температуры -260 ⁰С.

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

Уравнение преобразования платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до 650 ⁰С определяется выражением:

R _Т= R₀ (1 + a₁Т + a₂Т²), (23)

где R₀ - cопротивление при 0 ⁰С; a₁ = 3,90784 10^-3 К^-1; a₂ = 5,7841^.10^-7 К^-2, Т - температура в ⁰С.

Чувствительность в этом диапазоне находится как S = R₀(a₁ + a₂Т).

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

R_Т = R₀ [1 + a₁Т + a₂Т² + a₃(Т- 100)Т³], (24)

где a₃ = -4,482^.10^-12 К^-4.

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

Никелевые терморезисторы характеризуются высоким значением ТКС = 6,28^.10^-3 К^-1, практически линейной зависимостью сопротивления от температуры в диапазоне от -200 до +300 ⁰С.

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. 2.

Таблица 2

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

В табл. 3 приведены допускаемые отклонения сопротивления термометров сопротивления при температуре, равной 0 ⁰С (R₀) от номинального значения.

Таблица 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 +600 ⁰С.

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, (25)

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

Для измерения высоких температур вплоть до +2000 ⁰С могут применяться терморезисторы на основе сплавов 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. 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, цилиндр помещается в защитный чехол 4. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис. 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. 7

Полупроводниковые терморезисторы

Температурная зависимость полупроводниковых терморезисторов достаточно хорошо описывается выражением

R = R_oexp(a_ТDT) = R_o (1- a_ТDT + a_Т²DT/2 +...), (26)

где R_o- сопротивление при начальной температуре Т_o; DT = Т - Т_o; a_Т - постоянный коэффициент, имеющий размерность [1/К].

Сопротивление полупроводникового терморезистора также может быть найдено по формуле

R = Аe^В/T, (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), (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 a_R = - B/T².

Как правило, полупроводниковые терморезисторы имеют отрицательный ТКС, a_R» -(0,02 - 0,08) К^-1[10]. Исключения составляют так называемые "позисторы", имеющие положительный ТКС (a_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, постоянная В имеет значение от 2000 до 22000 К, диапазон преобразования от минус 196 до плюс 1000 ⁰С. Тепловая постоянная времени составляет значение от десятых долей до десятков секунд.

Основные характеристики некоторых полупроводниковых терморезисторов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Тип	Номинальное сопротивление при 20 0С, кОм	Постоянная В, 102 К	Диапазон рабочих температур, 0С	t, с
КМТ-8	0,1-10	36-72	-45 … + 70
ММТ-1	1-220	20,6-43	-60 … +125
КМТ-14	0,51-7500	41-70	-10 … +300
СТ3-17	0,033-0,33	25,8-38,6	-60 … +100
СТ1-18	1,5-2200	40,5-90	-60 … +300
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, постоянная В име-ет значение от 2000 до 22000 К, диапазон преобразования от -196 до +1000 ⁰С. 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 100 ⁰С (R₁₀₀) к сопротивлению при 0 ⁰С (R₀), W₁₀₀ = R₁₀₀/R₀. В соответствии с ГОСТ 6651-94 для платиновых ТС W₁₀₀ = 1,3850 - 1,3910, для медных W₁₀₀ = 1,4260 - 1,4280 и для никелевых W₁₀₀ = 1,6170.

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

t = С/(xF), (29)

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

Постоянная времени t определяется при перенесении ИП из среды с температурой Т₀ в среду с температурой Т и для различных конструкций составляет от десятых долей до десятков секунд (металлические термометры сопротивления имеют t = (10 - 60) с, постоянная времени t полупроводниковых может составлять десятые доли секунды, например, у терморезисторов СТ3-25 - t = 0,4 с).

Номинальное сопротивление - это сопротивление терморезистора при температуре Т₀. Для проводниковых металлических терморезисторов за номинальное сопротивление обычно выбирается сопротивление при температуре 0 ⁰С, а для большинства полупроводниковых - при 20 ⁰С.

Значения номинального сопротивления для некоторых типов терморезистивных ИП приведены табл. 2 и табл. 4.

Погрешности терморезистивных ИП

Погрешности терморезистивных ИП обусловлены:

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 a_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

DТ = - С₁/x[(T_ИП /100)⁴ - (T_СТ /100)⁴], (30)

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

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

DТ = - (Т_С - Т_Г) / ch [ l Öx П/(l S)], (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 инерционности имеет место при динамических измерениях. Инерционность РИП характеризуется постоянной времени t.

Погрешность от протекания измерительного тока связана с нагревом терморезистивного ИП проходящим током

DТ = I² R/(xF). (32)

Области применения терморезистивных ИП

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

4. Список рекомендуемой литературы

1. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации и метрологии. – М.: Аудит, изд.объед. ЮНИТИ, 1998.- 479с.

2. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения.—М.: Радио и связь, 1985.- 368с.

3. Мирский Г.Я. Электронные измерения. - М.: Радио и связь, 1986-440с.

4. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения.—Л.:Энергоатомиздат,1983.-320с.

4. Практика измерений в телевизионной технике. Серия "Ремонт". - М.: Солон,1995-226с.

5. Ремонт комбинированных приборов: Справочник по измерительным приборам ¤ Под ред.

В.Кузина. - М.: Радио и связь,1997.-222с.

6. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. - М.: Радио и связь, 1984.-

160с.

7. Измерения в электронике: Справочник/ В.А. Кузнецов и др.; Под ред. В.А. Кузнецова. –

М.: Энергоатомиздат, 1987 - 512 с., ил.

8. Тетенькин Ю.Г., Иванова Т.М. Методические указания по выполнению лабораторных работ.

Ч.1,2 - Тольятти, ПТИС, 2000