Терморезисторы

Известно, что большинство металлов и полупроводников меняют при нагреве электрическое сопротивление. Химически чистые 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 платиновътх терморезисторов от температуры выражается соотношениями: в диапазоне 0...650 °С

Дешевые медные терморезисторы можно применять до темпера­тур порядка 200 °С в атмосфере, свободной от влажности и корроди­рующих 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. 3.4.

Таблица 3.4

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.

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

Платиновые термометры ТСП изготавливаются с сопротивле­нием при 0°С R_o = 10 Ом (так называемая градуировка 20) для измерения температур 0...650 °С, и с R_o = 46 Ом и R_o = 100 Ом для температур от 200... 500 °С.

Медньre термометры ТСМ изготавливаются с R_o = 53 Ом или R_o = 100 Ом для измерения температур в диапазоне -50...+ 180 °С. На рис. 3.27 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 б помещены в металлический защитный чехол 7.

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 (а < 0), причем зависимость сопротивле­ния от температуры существен­но нелинейна.

На рис. 3.28 для сравнения приведена температурная зависи­мость для меди и полупровод­ника, хорошо аппроксимируемая формулой

где А- коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В­ коэффициент, имеющий размерность температуры; 6- абсолют­ная температура в К.

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

Если А и В неизвестны, но известны R, и R_z при температурах 6, yt 0, , то для температуры 0

Полупроводниковые терморезисторы имеют номинальное со­противление в диапазоне 0,33 ...1000 кОм, предельная рабочая тем­пература медно-марганцевых термисторов (ММТ) - 120 °С, ко­бальтово-марганцевых термисторов (КМТ) - 180 °С.

Основным недостатком полупроводниковых терморезисторов (помимо нелинейной характеристики) является значительный разброс от образца к образцу как номинального сопротивления (± 20 %), так и постоянной В(± 17 %). Это требует индивидуаль­ной 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 1, контактных колпач­ков 2 с токоотводами 3. Стержень 1 часто защищается фольгой 4 и стеклянным изолятором 6 и помещается в корпусе 5.

В качестве измерительной 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 чувствительного элемента, что требует учета сопротивления со­единительных проводов и изменения при их нагреве. Например, если используется медный терморезистор с сопротивлением R~ _ = 53 Ом совместно с медной соединительной линией сопротивле­нием R„ = 5 Ом, то изменение общего сопротивления цепи