3.3. Датчики температуры. Термочувствительные преобразователи сопротивления (терморезисторы)

Принцип действия терморезисторов основан на зависимости электрического сопротивления R проводников или полупроводников от температуры. Для измерения температуры наиболее распространены термопреобразователи сопротивления (терморезисторы), выполненные из платиновой или медной проволоки.

Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры в диапазоне от -200 ºС до +1100 ºС, медные терморезисторы – в диапазоне от -200 ^оС до +200 ºС.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления платиновых (ТСП) и термопреобразователей сопротивления медных (ТСМ) одинаков и основан на свойстве платины или меди, по которым протекает электрический ток, изменять электрическое сопротивление при изменении контролируемой температуры. Изменение сопротивления термопреобразователя регистрируется измерительным прибором, шкала которого градуирована в градусах Цельсия. Измерительные приборы, с которыми работают терморезисторы (ТСП и ТСМ), имеют мостовую измерительную схему с автоматическим уравновешиванием. Для измерения температуры используют так называемые терморезисторы с малой плотностью тока (без преднамеренного перегревания), в которых величина сопротивления определяется температурой окружающей среды. Они бывают металлические и полупроводниковые. Довольно широко распространены металлические проволочные терморезисторы в виде бифилярной обмотки на каркасе из пластмассы, слюды или другого изоляционного материала, расположенного в защитной арматуре из нержавеющей стали.

Для примера на рис. 4 показано устройство платинового терморезистора. В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно. К концам спирали припаивают выводы 4, используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамической трубки производят глазурью 1. Каналы керамической трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, исполняющего роль изолятора и фиксатора платиновой спирали. Порошок безводного оксида алюминия, имеющий высокую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инерционность терморезистора. Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру из нержавеющей стали.

в 3 2 1

t1

Рис. 4. Устройство терморезистора: а – конструкция; б - внешний вид;

в - электрическая схема соединений

Начальные сопротивления (при 0 ºС) платиновых стандартных терморезисторов равны 1, 5, 10, 46, 50, 100 и 500 Ом, медных - 10, 50, 53 и 100 Ом.

Для изготовления терморезисторов используют платиновую, медную проволоку диаметром 0,05 – 0,1 мм. Наилучшим материалом является платина, поскольку она химически инертна и обеспечивает широкий диапазон измеряемых температур. Ток в цепи терморезистора не превышает 4 - 5 мА. Допустимое значение тока, протекающего по терморезистору при включении его в измерительную цепь, должно быть таким, чтобы изменение сопротивления терморезистора при нагреве не превышало 0,1 % начального сопротивления.

Аналитически зависимость сопротивления от температуры для платиновых терморезисторов выражают следующими уравнениями:

R_t = R₀ [1 + At + Bt² + Ct³(t-100)] при -200 ºС ≤ t ≤ 0 ºС;

R_t = R₀ (1 + At + Bt²) при 0 ºС ≤ t ≤ +650 ºС;

где R₀ – сопротивление при t = 0 ºС, А = 3,968 · 10^-3 К^-1;

В = 5,847·10^-7; С = - 4,22·10^-12 К ^-4.

Для медного терморезистора

R_t = R₀ (1 + αt) при -50 ºС ≤ t ≤ +180 ºС;

где α = 4,26·10^-3 · К^-1 – температурный коэффициент электрического сопротивления меди.

Помимо платины и меди для изготовления терморезисторов иногда используют никель (для диапазона измеряемых температур от -50 до +200 ºС).

Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы) различных типов, которые характеризуются большей чувствительностью (температурный коэффициент сопротивления (ТКС) термисторов отрицательный и при 20 ºС в 10 - 15 раз превышает ТКС меди и платины) и имеют более высокие сопротивления (до 1 Мом) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов – плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования:

R_T = R₀exp[B(1/T – 1/T₀)],

где R_T и R₀ – сопротивления термистора при температурах Т и Т₀;

Т₀ – начальная температура рабочего диапазона; В – коэффициент.

Термисторы изготовляют из сплавов различных металлов (теллура, урана, серебра, марганца, никеля и др.). Конструктивно термисторы выполнены в виде шарика, трубки или диска из полупроводника с металлическими выводами. Для защиты от влияния влаги термисторы покрывают лаком или стеклом, а также размещают в герметичных стеклянных баллонах.

Статическая характеристика термисторов нелинейна:

R_t1 = R₀е^-β(t1-t0) = R₀[1 – β(t₁ – t₀) + β²/2(t₁ – t₀)² - …],

где R_t1, R₀ – сопротивления термистора при температурах t₁ и t₀;

β = -2,5 + 4,0%/ºС – температурный коэффициент.

Преимуществами термисторов являются высокая чувствительность и малая постоянная времени, а недостатками – нелинейная статическая характеристика и большой разброс параметров. Для измерения сопротивления R применяют обычно также как в случае с терморезисторами мостовые измерительные схемы.

Таблица 4

Статические характеристики промышленных термопреобразователей

Продолжение таблицы 4

Окончание табл. 4

Динамическая характеристика терморезистора определяется тепловой инерцией при его резком нагревании или охлаждении. Реакция терморезистора на единичный импульс температуры может быть выражена экспонентой вида

t = t_уст(1 – е^-t/T),

где Т = [C_p · G] / [k · S] - постоянная времени терморезистора, определяемая его параметрами и условиями теплоотдачи, с;

С_р – удельная теплоемкость терморезистора, Дж/(кг·К);

G – масса терморезистора, кг;

k – коэффициент теплообмена (теплоотдачи), Вт/(м²·К);

S – площадь поверхности терморезистора.

Отметим, что кроме измерения температуры терморезисторы применяются, для измерения состава газовых смесей, степени разряжения, а также для измерения скорости газового потока (следовательно, и его расхода). Это так называемые терморезисторы с нагревом или большой плотностью тока.