1.3. РАЗНОВИДНОСТИ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОСНОВЫ РАСЧЕТА
Для измерения температуры применяют металлические и полупроводниковые резисторы. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), колеблющимся (в интервале 0—100° С) от 0,35 до 0,68 %/К.
Для измерения температур используются материалы, обладающие высокостабильной ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.
Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до + 650° С выражается соотношением RТ = R0 (1 + AΘ + BΘ2), где R0 — сопротивление при 0° С; Θ — температура в градусах Цельсия. Для платиновой проволоки, применяемой в промышленных термометрах сопротивления, A = 3,96847∙10-12 1/К; В = — 5,847∙107 1/К2. В интервале от 0 до — 200° С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид Rт = R0 [1 + AΘ + ВΘ2 + С (Θ — 100)3], где С = — 4,22∙1012 1/К3.
При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне от — 50 до + 180° С можно пользоваться формулой RТ = R0 (1 + aΘ), где a = 4,26∙103 1/К.
Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление RT2 (при температуре Θ2) по известному сопротивлению RT2 (при температуре Θ1), то следует пользоваться формулой
или более удобным соотношением
где Θ = 1/a — постоянная, имеющая размерность температуры и равная Θ0 = 234,7° С (по физическому смыслу Θ0 — это такое значение температуры, при котором сопротивление меди должно было бы стать равным нулю, если бы ее сопротивление уменьшалось все время по линейному закону, чего нет на самом деле).
В значительной степени сопротивление металлов зависит от их химической чистоты и термообработки. ТКС сплавов обычно меньше, чем у чистых металлов, и для некоторых сплавов может быть даже отрицательным в определенном температурном диапазоне.
Выбор металла для терморезистора определяется в основном химической инертностью металла к измеряемой среде в интересующем интервале температур. С этой точки зрения медный преобразователь можно применять только до температур порядка 200° С в атмосфере, свободной от влажности и коррелирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивления равен — 50° С хотя при введении индивидуальной градуировки возможно их применение вплоть до — 260° С.
Промышленные платиновые термометры используются в диапазоне температур от —200 до +650° С, однако есть данные, свидетельствующие о возможности применения платиновых термометров для измерения температур от —264 до +1000° С.
Основным преимуществом никеля является его относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость его сопротивления от температуры линейна только для температур не выше 100° С. При условии хорошей изоляции от воздействия среды никелевые терморезисторы можно применять до 250—300° С. Для более высоких температур его ТКС неоднозначен. Медные и никелевые терморезисторы выпускают из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, вы-сокостабильны, малоинерционны и при малых габаритах могут иметь сопротивления до десятков килоом.
Высокий ТКС имеют вольфрам и тантал, но при температуре свыше 400° С они окисляются и применяться не могут. Для низкотемпературных измерений хорошо зарекомендовали себя некоторые фосфористые бронзы. Кроме того, для измерений низких температур находят применение индиевые, германиевые и угольные терморезисторы.
Некоторые характеристики металлов, используемых в терморезисторах, приведены в табл. 3.
Таблица 3:
Материал
ТКС в диапазоне 0-100°С
Удельное сопротивление при 20 °С, Оm∙mm2/m
Температура плавления, °С
Термо-э.д.с. в паре с медью (0-500 °С), мкВ/К
Платина
0,0039
0,105
1773
7,5
Медь
0,00427
0,017
1083
о
Никель
0,0069
0,08
1455
22,5
Вольфрам
0,0048
0,055
3410
0,5
Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током.
Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Так, например, платиновые теоморезисторы позволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0,001° С.
Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС.
ТКС полупроводниковых терморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры: a = B/Θ2. При 20° С величина ТКС составляет 2—8 проц/К.
Температурная зависимость сопротивления ПТР (рис. 7, кривая 2) достаточно хорошо описывается формулой RT = AeB/Θ, где Θ — абсолютная температура; А — коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В — коэффициент, имеющий размерность температуры. На рис. рис. 7 для сравнения приведена температурная зависимость для медного терморезистора (кривая 1). Для каждого конкретного ПТР коэффициенты А и В, как правило, постоянны, за исключением некоторых типов 1 ПТР (например, СТ 3-14), для последних В может принимать два разных значения в зависимости от диапазона измеряемых температур.
Если для применяемого ПТР не известны коэффициенты А и В, но известны сопротивления R1 и R2 при Θ1 и Θ2, то величину сопротивления и коэффициент В для любой другой температуры можно определить из соотношений
'
Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 8 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эмалевой краской с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.,
Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 заключены в металлические капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы в условиях любой влажности и даже в жидкостях, ие являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.
Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 имеют каплевидную форму. Чувствительный элемент в них герметизирован стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность. В терморезисторе СТЗ-25 чувствительный элемент также помещен в стеклянную оболочку, диаметр которой доведен до 0,5—0,3 мм. Терморезистор с помощью выводов прикреплен к траверсам.
Рис. 8
В табл. 4 представлены основные характеристики некоторых ПТР. В графе «номинальные сопротивления» приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений, нормируемых для большинства ПТР при 20° С. Исключение составляют ПТР типов
Таблица 4
Тип ПТР
Номинальное сопротивление, кОм
Постоянная В,
K∙1012
Диапазон рабочих температур, oС
Коэффициент рассеяния, мВт/К
Постоянная времени (нe более), с
КМТ-1
.22—1000
36—72
От —60 до +180
5
85
ММТ-1
1—220
20,6—43
От —60 до +125
5
85
СТЗ-1
0,68—2,2
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
