Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (ТПС) основан на изменении электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при изменении их температуры. В ТПС используются материалы, обладающие большим и стабильным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств.

Приборы для измерения температуры, в которых в качестве чувствительных элементов используются ТПС, называются термометрами сопротивления. В промышленных термометрах сопротивления широко применяются проводниковые ТС, которые изготавливаются из чистых металлов: платины, меди, никеля и железа. Наиболее широко применяются платина и медь.

Характеристики наиболее распространенных материалов для ТПС:

Металл	ТКС, 1/°С	Диапазон температур, °С (рекомендован)	Особенности
Платина	0,0039	–196 … 600	Высокая точность и стабильность. Высокое удельное сопротивление. Высокая линейность.
Никель	0,0067	–60 … 180	Наиболее высокий ТКС
Медь	0,00428	–50 … 150	Наиболее линейная характеристика, низкое удельное сопротивление

 

Для металлов зависимость сопротивления от температуры имеет нелинейный характер:

                                (2.12)

где R₀ – сопротивление проводника при начальной температуре; Θ – перегрев проводника относительно начальной температуры; α, β, γ, … – коэффициенты, зависящие от свойств проводника. Наибольшее значение имеет α: это и есть ТКС.

Номинальное сопротивление ТПС представляет собой нормированное изготовителем сопротивление при 0 °С, округленное до целых единиц, выбираемое из ряда: 10; 50; 100; 500; 1000 Ом. Существуют ТПС и с другими значениями номинального сопротивления, однако в настоящее время наибольшее распространение получили ТС с номинальным сопротивлением 100 Ом при 0 °C (Pt100). Вместе с тем имеет место тенденция к использованию ТПС с величиной номинального сопротивления до 1 кОм и даже 10 кОм. Измерительные системы, в которых используются ТПС с высоким значением номинального сопротивления, обладают дополнительными преимуществами, важным из которых является снижение влияния длины соединительных проводов ТПС на точность измерений.

Конструктивное исполнение.

Внешний вид типичного термометра сопротивления показан на рис. 2.5. Самая распространенная конструкция – так называемая «свободная от напряжения спираль» (Strain-free). Эта конструкция выпускается многими российскими и зарубежными предприятиями и считается самой надежной. чувствительный элемент представляет собой платиновую спираль, которая укладываются в каналы трубки из оксида алюминия и засыпаются мелкодисперсным порошком из оксида алюминия высокой чистоты. Таким образом, обеспечивается изоляция витков спирали друг от друга, амортизация спирали при термическом расширении и вибропрочность.

Рис. 2.5. Термометр сопротивления

Применяются также пленочные чувствительные элементы. Они изготавливаются нанесением тонкого слоя платины на керамическую подложку. Слой платины сверху покрывается эпоксидным или стеклянным изоляционным слоем. Технология изготовления освоена многими зарубежными фирмами, в настоящее время пленочный платиновый ЧЭ – это самый дешевый и самый широко продаваемый сенсор. Большим преимуществом является малый размер и масса ЧЭ, это позволяет устанавливать такие ЧЭ в миниатюрные корпуса и получать быструю скорость реагирования на изменение температуры объекта. Благодаря малым размерам, пленочные ЧЭ могут изготавливаться с повышенным номинальным сопротивлением. Уже разработаны и производятся ЧЭ с сопротивлением 1000 Ом. Это позволяет значительно снизить влияние сопротивления выводов при подключении по 2-х проводной схеме. По стабильности пленочные ЧЭ все еще уступают проволочным, но их технология постоянно совершенствуется, и в последнее время отчетливо наблюдается прогресс в повышении стабильности сопротивления ЧЭ и расширении температурного диапазона.

Из-за тепловой инерции температура чувствительного элемента отличается от температуры контролируемой среды, которая меняется во времени. Тепловая инерция зависит от условий теплообмена между средой и чувствительным элементом. Термометр сопротивления можно считать апериодическим звеном первого порядка, постоянная времени которого зависит от удельной теплоемкости термометра, его массы и коэффициента теплопередачи. Постоянная времени термометра сопротивления зависит от условий охлаждения и будет различной для одного и того же преобразователя, находящегося в воздухе и в жидкости. В зависимости от конструкции постоянная времени термометров сопротивления колеблется от 10 с до 7 мин.

Перспективными являются ТПС, изготовленные из полупроводниковых материалов с большим отрицательным температурным коэффициентом. Их называют термисторами или терморезисторами. Термисторы с положительным ТКС называются позисторами.

Термисторы изготавливаются на основе полупроводниковых оксидов металлов, спрессованных для получения заданной формы.

Механическая прочность и защита от воздействий окружающей среды обеспечивается с помощью металлического корпуса или защитного изолирующего слоя. Термисторы имеют очень высокую температурную чувствительность по сравнению с другими типами датчиков температуры. Типовое значение ТКС для термисторов составляет – 5% на градус, в то время как для платинового ТПС он составляет 0,4% на градус.

Типовой диапазон температур термисторов достаточно узок (–60...+150 С), для некоторых образцов он расширен до (–60...+300 С).

Важным преимуществом термисторов является их большое сопротивление, что устраняет проблему, связанную с падением напряжения на подводящих проводах, как при использовании платиновых ТПС, или проблему, связанную с необходимостью большого усиления сигнала (до 2000), как для термопар.

Термисторы имеют существенно нелинейную вольт-амперную характеристику. Пример зависимости R (T) показан на рис. 2.6.

Вообще сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой:

R (T) = A exp(b / T),     (1.13)

где A, b – постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров. Однако, сложный состав и неидеальное распределение зарядов в полупроводнике искажает эту теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Поэтому для термисторов используется аппроксимационная зависимость

                                      (2.14)

где T – температура в К; R – сопротивление в Ом; a ₀, a ₁, a ₂ – константы термистора, определяемые при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С. Эти константы зависят от физических свойств полупроводника, размеров и формы термистора.

Типичный термистор с номинальным сопротивлением 10 кОм имеет коэффициенты в диапазоне 0–100 °С, близкие к следующим значениям:

a ₀ = 1,03 10^-3;      a ₁ = 2,93 10^-4;      a ₂ = 1,57 10^-7.

Недостатками термисторов являются нелинейность зависимости их сопротивлений от температуры и значительное отклонение от образца к образцу как номинального значения сопротивления, нормируемого обычно при 20 °С (более ±30%), так и характера зависимости сопротивления от температуры.

J0

..А

Широкое применение на судах нашли позисторы. Одним из основных отличий от термисторов являются знак и значение температурного сопротивления. В отличие от терм и ст ор ов температурная зависимость сопротивления позистора имеет сложный характер.

На рис. 2.7 показана температурная зависимость позистора. При низких температурах позистор имеет небольшой отрицательный ТКС (примерно до 60–80 °С). Дальнейшее повышение температуры вызывает резкий рост сопротивления, достигающего максимального значения при 190–200 °С. Именно этот участок характеристики используется на практике. С ростом температуры свыше 190–200 °С сопротивление снова уменьшается.

На судах позисторы используют для защиты асинхронных электродвигателей от перегрузки.