Термочувствительные резистивные преобразователи

Принцип действия термочувствительных резистивных преобразователей, называемых часто терморезисторами (ТР), основан на зависимости электрического сопротивления проводника (или полупроводника) от температуры. Для получения информации о сопротивлении ИП через терморезистор необходимо пропустить электрический ток, который выделяет в ТР тепло. Происходит теплообмен между преобразователем и средой, и сопротивление ТР определяется тепловым равновесием между ИП и средой.

Тепловое равновесие можно записать в виде уравнения [14]

,

где Q – количество тепла, получаемое ИП за счет протекающего по нему электрического тока;  – количество тепла, отдаваемое через конвекцию, т. е. переносом тепла – естественно или принудительно – перемещающихся слоев среды под влиянием их различных температур;  – количество тепла, отдаваемое через теплопроводность среды;  – количество тепла, отдаваемое через теплопроводность самого ТР;  – количество тепла, отдаваемое через излучение.

Интенсивность теплообмена определяется геометрическими размерами и формой ТР, состоянием его поверхности, а также физическими свойствами окружающей среды (вязкостью, плотностью, теплопроводностью), скоростью движения среды и ее температурой. Зависимости интенсивности теплообмена от свойств и характеристик среды положены в основу построения средств измерений различных параметров среды. При создании ИП той или иной величины следует стремиться к тому, чтобы все факторы, за исключением преобразуемой величины, как можно меньше влияли на температуру ТР при тепловом равновесии. Во всех случаях стремятся уменьшить потери тепла через теплопроводность самого ТР () и на излучение ().

Термочувствительные преобразователи делятся на преобразователи без преднамеренного перегрева и перегревные, т. е. с относительно малым и большим токами, пропускаемыми через ТР. В преобразователях с малым током через ТР количество тепла, пропорциональное квадрату тока,близко к нулю и температура ТР в основном определяется температурой окружающей среды. Такие ИП используются для создания термометров сопротивления, т. е. приборов, измеряющих температуру окружающей среды.

В преобразователях с преднамеренным перегревом плотность тока в ТР такова, что температура ТР значительно превосходит окружающую и практически не зависит от нее. При тепловом равновесии температура ТР определяется параметрами среды (скоростью, плотностью и т. д.), поэтому такие ТР нашли применение в различных средствах измерений для анализа физико-химических свойств среды.

В качестве термочувствительных преобразователей в настоящее время используются металлические и полупроводниковые ТР. К металлическим ТР предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики и ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготавливаемых ТР. Помимо основных требований желателен высокий температурный коэффициент электрического сопротивления при одновременно высоком удельном сопротивлении материала ТР.

Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным требованиям (особенно основным). Металлы  имеют    положительный    температурный    коэффициент   в     пределах .

Для изготовления стандартных ТР применяют в настоящее время платину и медь (в редких случаях – никель). Платина является наилучшим материалом для ТР, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах и имеет достаточно высокое удельное сопротивление (  Ом∙м). Следует, правда, иметь в виду, что в восстановительной среде платину применять нельзя (пары кремния, натрия, калия и т. п.). Недостатком платины является ее высокая стоимость.

Стандартные платиновые ТР используются для измерения температуры от –260 до 1100 ºC, причём в диапазоне температур от –260 до 750 ºC используют платиновую проволоку диаметром 0,05…0,1 мм, а для измерения температур до 1100 ºC в силу распыления платины при таких температурах диаметр проволоки составляет около 0,5 мм [4].

Недостатком платиновых ТР, применяемых для измерения температуры в указанном диапазоне, кроме высокой стоимости является нелинейность функции преобразования. Существует градуировочная таблица, в которой приведена статическая характеристика преобразования. Аналитически функция преобразования для диапазона отрицательных температур (от  ºC) имеет вид

,

а для диапазона положительных температур (до 650 ºC)

,

где – сопротивление ТР при 0º C; ; ; .^­

На рис. 2.1 приведено устройство платинового термопреобразователя. Платиновая неизолированная проволока 1, к концам которой припаяны выводы из серебряной проволоки 3, намотана бифилярным способом (для исключения индуктивности) на каркас 2, выполненный из термостойкого изоляционного материала (фарфор, слюда, кварц). Обмотка с каркасом помещается между слюдяными прокладками 4, и всё вместе размещается в тонкостенной алюминиевой трубке. Для защиты чувствительного элемента от внешних воздействий его помещают в защитную арматуру из нержавеющей стали. Выводы изолируются от корпуса фарфоровыми бусинками и подключаются к зажимам специальной платы, установленной в защитном чехле.

Стандартные ТР из меди применяются для измерения температуры от –200 до 200 ºC, т. е. в более узком температурном диапазоне. Объясняется это тем, что при более высоких температурах медь легко окисляется, и ТР меняет свои свойства. В диапазоне температур от –50 до 180 ºC зависимость сопротивления ТР от температуры считается линейной, а именно

,

где  – температурный коэффициент меди. Медная проволока, используемая в ИП, диаметром до 0,1 мм имеет эмалевую или шелковую изоляцию и наматывается на пластмассовый каркас. В остальном конструкция медного термопреобразователя такая же, как и на рис. 2.1.

Помимо платины и меди иногда для изготовления металлических терморезисторов используют никель.

Кроме металлических ТР получили распространение полупроводниковые ТР, которые применяются для измерения температуры от –100 до 300 ºC. В качестве материалов для них используются различные полупроводники – оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия. Основным преимуществом полупроводниковых ТР, так называемых термисторов, является их большой температурный коэффициент сопротивления (в отличие от металлических ТР в основном отрицательный).

Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому могут выполняться очень малых размеров при заданном номинальном сопротивлении.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в интервалах, не превышающих 100 ºC, определяется выражением

.

В узких интервалах температур (не более 25 ºC) используется более простое выражение

.

В этих выражениях  – сопротивление при температуре T, K; A, b, B – постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала полупроводника.

Недостатком полупроводниковых ТР является значительная нелинейность характеристики преобразования и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. В связи с этим полупроводниковые ТР даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.

Исключением являются германиевые термопреобразователи сопротивления,   которые  при технических измерениях в диапазоне температур 30…90 K имеют погрешность ±(0,05…0,1) K, а также специальный германиевый преобразователь, служащий в качестве эталонного термометра для воспроизведения температурной шкалы в интервале 4,2…13,81 K с погрешностью не более ±0,001 K [4].

Чувствительные элементы из полупроводников выполняют в виде цилиндров, шайб, бусинок малого размера.

В силу указанных недостатков термисторы редко используются для измерения температуры. Они находят широкое применение в системах температурной сигнализации вследствие присущего им релейного эффекта – скачкообразного изменения сопротивления при достижении определенной температуры. Также термисторы используют в качестве чувствительных элементов в различных газоаналитических приборах.

По динамическим свойствам металлические ТР значительно уступают термисторам из-за своей инерционности. Для металлических ТР инерционность может составлять от нескольких десятков секунд до нескольких минут, в то время как у термисторов из-за их малых габаритов этот параметр может быть меньше по крайней мере на порядок.