Терморезисторы

Глава 9

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

§ 9.1. Назначение. Типы терморезисторов

Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от тем-гературы. Терморезисторы называют также термометрами сопро­тивления или термосопротивлениями. Они применяются для !змерения температуры в широком диапазоне от —270 до 1600°С.

Если терморезистор нагревать проходящим через него электри­ческим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Так как интенсивность тепло­обмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой сходится терморезистор, от скорости перемещения терморезисто­ра относительно газовой или жидкой среды, то терморезисторы ис­пользуются и в приборах для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисто­ры. Металлические терморезисторы изготовляют из чистых метал­лов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и воль­фрама. Для большинства чистых металлов температурный ко­эффициент электрического сопротивления составляет примерно (4—6,5)10^-3 1/°С, т. е. при увеличении температуры на 1°С со-противление металлического терморезистора увеличивается на 0,4— 0,65%. Наибольшее распространение получили медные и платино­вые терморезисторы. Хотя железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температурный коэффи­циент сопротивления, чем медные и платиновые, однако применя­ются они реже. Дело в том, что железо и никель сильно окисляют­ся и при этом меняют свои характеристики. Вообще добавление в металл незначительного количества примесей уменьшает темпе­ратурный коэффициент сопротивления. Сплавы металлов и окис­ляющиеся металлы имеют низкую стабильность характеристик. Однако при необходимости измерять высокие температуры прихо

дится применять такие жаропрочные металлы, как вольфрам и
молибден, хотя терморезисторы из них имеют характеристики не­
сколько отличающиеся от образца к образцу.                             '

Широкое применение в автоматике получили полупроводнико­
вые терморезисторы, которые для краткости называют термисто-
рами. Материалом для их изготовления служат смеси оксидов мар­
ганца, никеля и кобальта; германий и кремний с различными пои-
месями и др.                                                                                         ^к

По сравнению с металлическими терморезисторами полупровод­никовые имеют меньшие размеры в большие значения номиналь­ных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший тем­пературный коэффициент сопротивления (до —6 10^-2 1/°С) Но этот коэффициент —отрицательный, т. е. при увеличении темпера­туры сопротивление термистора уменьшается. Существенный не­достаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с ме­таллическими—непостоянство температурного коэффициента со­противления. С ростом температуры он сильно падает, т. е. термис-тор имеет нелинейную характеристику. При массовом производст­ве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.

Рекомендуемые материалы

§ 9.2. Металлические терморезисторы

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:

где С — постоянный коэффициент, зависящий от материала и кон­структивных размеров проводника; а —температурный коэффици-ент сопротивления; е — основание натуральных логарифмов.

Абсолютная температура (К) связана с температурой в гра­дусах Цельсия соотношением Т К=273+Т°С.

Определим относительное изменение сопротивления проводника при его нагреве. Пусть сначала проводник находился при началь­ной температуре Т₀ и имел сопротивление . При нагреве до температуры Т его сопротивление R_T = ^T. Возьмем отношение

 Так как величина а для меди сравнительно мала и в диапазоне температур до +150°С может быть принята постоянной а=4,3-10-з 1/°с, то и произведение а (Г— Т₀) в этом диапазоне температур меньше единицы. Поэтому не будет большой ошибкой пренебречь при разложении членами ряда второй степени и выше сопротивление при температуре Т через начальное со­противление при То

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные)   с соответствующей   градуировкой:

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные)   с соответствующей   градуировкой:

гр. 23 имеет сопротивление 53,00 Ом при 0°С; гр. 24 имеет сопро­тивление 100,00 Ом при 0°С. Медные терморезисторы выполняют­ся из проволоки диаметром не менее 0,1 мм, покрытой для изо­ляции эмалью.

Для платиновых терморезисторов, которые применяются в бо­лее широком диапазоне температур, чем медные, следует учиты­вать зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры. Для этого берется не два, а три члена разложения в степенной ряд функции е*.

В диапазоне температур от —50 до 700°С достаточно точное является формула

где для платины =3,94 10^-3 1/°С,  = 5,8 10^-7 (1/°С)².

Платиновые терморезисторы выпускаются серийно и обознача­ются ТСП (термосопротивления платиновые) с соответствую­щей градуировкой; гр. 20 имеет сопротивление 10,00 Ом при 0°С, гр. 21—46,00 Ом; гр. 22—100,00 Ом. Платина применяется в виде неизолированной проволоки диаметром 0,05—0,07 мм.

В табл. 9.1 приведены зависимости сопротивления металличе­ских терморезисторов от температуры; они называются стандарт­ными градуировочными таблицами.

На рис. 9.1 показано устройство платинового термометра сопро­тивления. Сам терморезистор выполнен из платиновой проволо­ки 1, намотанной на слюдяную пластину 2 с нарезкой. Слюдяные накладки 3 защищают обмотку и крепятся серебряной лентой 4. Се­ребряные выводы 5 пропущены через фарфоровые изоляторы 6. Термосопротивление помещается в металлический защитный че­хол 7.

§ 9.3. Полупроводниковые терморезисторы

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко уменьшается с ростом температуры. Их чувст­вительность значительно выше, чем металлических, поскольку тем­пературный коэффициент сопротивления полупроводниковых тер­морезисторов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов = (4-6)*10^-3 1/°С, то для полупроводнико­вых терморезисторов ||>4*10^-2 1/°С. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от температуры и им редко пользуются при практических расчетах.

Основной   характеристикой   терморезистора   является   зависи­мость его сопротивления от абсолютной температуры Т:

где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и кон­структивных размеров термистора; В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника; е — основание натуральных логарифмов.

Сравнение формулы (9.6) с формулой (9.1) показывает, что у термисторов с ростом температуры сопротивление уменьшается, а у металлических терморезисторов — увеличивается. Следовательно, у термисторов температурный коэффициент сопротивления имеет отрицательное значение.

Вообще чувствительность терморезистора (как датчика темпе­ратуры) можно оценить как относительное изменение его сопро­тивления (R/R), деленное на вызвавшее это изменение прираще­ние температуры:

Для металлического терморезистора чувствительность можно полу­чить дифференцируя (9.4). Следовательно, , т. е. именно тем­пературный коэффициент сопротивления определяет чувствитель­ность.

Для полупроводникового терморезистора   (термистора)   чувст­вительность получим, дифференцируя (9.6):

Из (9.9) видно, что чувствительность термистора имеет нелиней­ную зависимость от температуры.

Серийно выпускаются медно-марганцевые (тип ММТ) и кобаль-тово-марганцевые (тип КМТ) термисторы. На рис. 9.2 показаны за­висимости сопротивления от температуры для термисторов этих ти­пов и для сравнения — для медного терморезистора. Величина В для термисторов составляет 2—5 тыс. К (меньше — для ММТ, боль­ше для КМТ).

Электрическое сопротивление термистора при окружающей тем­пературе +20°С называют номинальным или холодным сопротив­лением. Для термисторов типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5 эта вели­чина может составлять 1—200 кОм, а для типов КМТ-1, ММТ-4 — от 20 до 1000 кОм.

Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ — 120°С, а для типа КМТ— 180°С.

Термисторы выпускаются в различных конструктивных испол­нениях: в виде стерженьков, дисков, бусинок. На рис. 9.3 показаны некоторые конструкции термисторов.

Термисторы типов ММТ-1, КМТ-1 (рис. 9.3, а) внешне подобны высокоомным резисторам с соответствующей системой герметиза­ции. Они состоят из полупроводникового стержня /, покрытого эма-

левой краской, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Термис-торы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 9.3, б) также состоят из полу­проводникового стержня 1, контактных колпачков 2 с токоотвода­ми 3. Кроме покрытия эмалью стержень обматывается металличе­ской фольгой 4, защищен металлическим чехлом 5 и стеклянным изолятором 6. Такие термисторы применимы в условиях повышен­ной влажности.

На рис. 9.3, в показан термистор специального типа ТМ-54 — «Игла». Он состоит из полупроводникового шарика / диаметром от 5 до 50 мкм, который вместе с платиновыми электродами 2 впрессован в стекло толщиной порядка 50 мкм. На расстоянии около 2,5 мм от шарика платиновые электроды приварены к выводам 3 из никелевой проволоки. Термистор вместе с токоотводами поме­щен в стеклянный корпус 4. Термисторы типа МТ-54 обладают очень малой тепловой инерцией, их постоянная времени порядка 0,02 с, и они используются в диапазоне температур от —70 до 4-250°С. Малые размеры термистора позволяют использовать его, например, для измерений в кровеносных сосудах человека.

§ 9.4. Собственный нагрев термисторов

Термисторы применяются в самых различных схемах ав­томатики, которые можно разделить на две группы. В первую груп­пу входят схемы с термисторами, сопротивление которых определя­ется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий при этом через термистор, настолько мал, что не вызывает допол­нительного разогрева термистора. Этот ток необходим только для измерения сопротивления и для термисторов типа ММТ составляет около 10 мА, а для типа КМТ— 2—5 мА. Во вторую группу вхо­дят схемы с термисторами, сопротивление которых меняется за счет

собственного нагрева. Ток, проходящий через термистор, разогрева­ет его. Поскольку   при повышении   температуры   сопротивление уменьшается, ток увеличивается, что приводит к еще большему вы­делению теплоты. Можно сказать, что в данном случае проявля­ется положительная обратная связь. Это позволяет получить в схе­мах с термисторами своеобразные характеристики релейного типа. На рис. 9.4, а показана вольт-амперная характеристика термис-тора. При малых токах  влияние собственного нагрева незначительно и сопротивление термистора практически остается постоянным. Следовательно, напряжение на термисторе растет про­порционально току (участок ОА). При дальнейшем увеличении то­ка (/>/_доп) начинает сказываться собственный нагрев термистора, сопротивление его уменьшается. Вольт-амперная   характеристика изменяет свой вид, начинается ее «падающий» участок АБ. Этот участок используется для создания на базе термистора схем тер­мореле, стабилизатора напряжения и др.

Резко выраженная нелинейность вольт-амперной характеристи­ки термистора позволяет использовать его в релейном режиме. На рис. 9.4, б представлена схема включения, а на рис. 9.4, в — харак­теристика термистора в этом режиме. Если в цепи термистора от сутствует добавочное сопротивление(R_ДОБ0), то при некотором значении напряжения ток в цепи термистора резко увеличивается, что может привести к разрушению термистора (кривая U_T на рис. 9.4, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь тер­мистора R_T включить добавочный резистор R_ДОБ (рис. 9.4, б) с пря­молинейной характеристикой (кривая U_R на рис. 9.4, в). При гра­фическом сложении этих двух характеристик {U_t+U_r) получим общую вольт-амперную характеристику U₀ (имеющую S-образный вид на рис. 9.4, в). Эта характеристика похожа на характеристику бесконтактного магнитного реле (см. гл. 26). Рассмотрим по этой характеристике процесс изменения тока I в цепи (рис. 9.4, б) при плавном увеличении напряжения питания U₀ При достижении значения напряжения срабатывания U_cp (этому напряжению со­ответствует ток I₁) ток скачком возрастает от значения 1 до су­щественно большего значения /₂. При дальнейшем увеличении на­пряжения ток будет плавно возрастать от I₂. При уменьшении на­пряжения ток вначале плавно уменьшается до значения I₃ (этому току соответствует напряжение отпускания U_0T), а затем скачком падает до значения /₄, после чего ток плавно уменьшается до^-нуля. Скачкообразное изменение тока происходит не мгновенно, а посте­пенно из-за инерционности термистора.

§ 9.5. Применение терморезисторов

При использовани терморезисторов в качестве датчиков систем автоматики различают два основных режима. В первом ре­жиме температура терморезистора практически определяется толь­ко температурой окружающей среды. Ток, проходящий через тер­морезистор, очень мал и практически не нагревает его. Во втором режиме терморезистор нагревается проходящим по нему током, а температура терморезистора определяется изменяющимися усло­виями теплоотдачи, например интенсивностью обдува, плотностью окружающей газовой среды и т. п.

При использовании терморезисторов в первом режиме они иг­рают роль датчиков температуры и называются обычно термомет­рами сопротивления. Наибольшее распространение получили тер­мометры сопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные), включаемые в мостовую измерительную схему.

В процессе измерения температуры с помощью термометров со­противления могут возникать следующие погрешности: 1) от ко­лебания напряжения питания; 2) от изменения сопротивления со­единительных проводов при колебаниях температуры окружающей среды; 3) от собственного нагрева датчика под действием проте­кающего через него тока.

Рассмотрим схему включения термометра сопротивления (рис. 9.5), в которой приняты меры для уменьшения отмеченных трех видов погрешностей. Для уменьшения погрешности от колебаний питания используется измерительный прибор логомет.-рического типа (см. гл. 2). Угол отклонения подвижной системы логометра пропорционален отношению токов в двух катушках, од­на из которых создает вращающий, а вторая — противодействую­щий моменты. Через одну катушку проходит ток разбаланса, за­висящий от сопротивлеия терморезистора Rt. Вторая катушка пи­тается тем же напряжением, что и мостовая измерительная схема.

При колеоаниях напряжении питания

одновременно будут изменяться токи в обеих катушках, а их отношение бу­дет оставаться постоянным.

В автоматических уровновешенных мостах колебание напряжения пита­ния не приводит к появлению пропор­циональной погрешности измерения, незначительно изменяется лишь порог чувствительности.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединитель­ных проводов необходимо правильно выбирать сопротивление датчика. Эта погрешность сводится к минимуму, ес­ли сопротивление датчика выбрать из условия  намного больше R_пр, где R_пр — сопротив­ление соединительных проводов. При больших расстояниях (сотни метров) R_пр может достигать 3—5 ОмЛЕще од­ним способом уменьшения погрешно­сти от температурных изменений со-

противления соединительных проводов является применение «п»-гопроводных схем. На рис. 9.5 показана схема включения датчи­ка R_Д в мостовую схему посредством трех проводов (а, б, в). Со­противления проводов а и б включены в смежные плечи моста, поэтому одновременное их изменение не нарушает равновесия мос­та. Сопротивление проводов b вообще не входит в мостовую схе­му. Погрешность за счет самонагрева датчика может быть учтена при градуировке шкалы измерительного прибора.

При быстром изменении температуры появляется динамическая погрешность, обусловленная тепловой инерцией датчика. Переда­ча теплоты от измеряемой среды к терморезистору происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени.

Для количественной оценки тепловой инерции датчика пользу­ются понятием «постоянная времени»:

коэффициент теплопередачи; s — поверхность соприкосновения дат­чика со средой.

Если холодный датчик поместить в среду с температурой Т_ср(°С), то его температура будет изменяться во времени по сле­дующему закону:

Чем больше постоянная времени т, тем больше пройдет времени, пока температура датчика сравняется с температурой среды. За время  датчик нагреется только до температуры Т_ср=0,63°С,

В лекции "9. Билеты для самотестирования по ключевым вопросам" также много полезной информации.

а за время / до температуры Т^,_ср=0_>99^оС. Графиком уравне­ния   (9.11)   является экспонента, показанная на  рис.   1.3, в.

Рассмотрим теперь некоторые примеры использования собст­венного нагрева терморезисторов в устройствах для измерения раз­личных физических величин, косвенно связанных с температурой.

Автоматическое измерение скорости газового потока проводится с помощью термоапемометра. Датчик этого прибора (рис. 9.6, а) состоит из терморезистора, представляющего собой тонкую пла­тиновую проволоку /, припаянную к двум манганиновым стерж­ням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 терморезистор включается в измерительную схему. Через термо­резистор пропускается ток, вызывающий его нагрев. Но темпера­тура (а следовательно, и сопротивление) терморезистора будет оп­ределяться скоростью газового потока, в который помещен дат­чик. Чем больше будет эта скорость, тем интенсивнее будет отво­диться теплота от терморезистора. На рис. 9.6, б показана градуи-ровочная кривая термоанемометра, из которой видно, что при уве­личении скорости примерно вдвое сопротивление терморезистора уменьшается примерно на 20%.

На аналогичном принципе основана работа электрического га­зоанализатора. Если взять два одинаковых саморазогреваемых тер­морезистора и поместить один в камеру, наполненную воздухом, а другой — в камеру, наполненную смесью воздуха с углекислым газом СО₂, то из-за различной теплопроводности воздуха и угле­кислого газа сопротивление терморезисторов будет разным. Так как теплопроводность углекислого газа значительно меньше тепло­проводности воздуха, то и отвод теплоты от терморезистора в ка­мере с С0₂ будет меньше, чем от терморезистора в камере с воз­духом. По разнице сопротивлений терморезисторов можно судить о процентном содержании углекислого газа в газовой смеси.

Зависимость теплопроводности газа от его давления позволя­ет использовать терморезисторы с собственным нагревом в элек- • трическнх вакуумметрах. Чем глубже вакуум ( т. е. более разре­жен газ), тем хуже условия теплоотдачи с поверхности терморезис­тора, помещенного в вакуумную камеру. Если через терморезис­тор пропускать ток для его нагрева, то температура терморезисто­ра будет возрастать при уменьшении давления контролируемого газа.

Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять процентное содержание газов в смеси. Кроме платины в таких приборах используют вольфрам, никель, полупроводниковые терморезисторы. Для того чтобы исключить влияние колебаний температуры окружающей среды, стремятся обеспечить достаточ­но интенсивный собственный нагрев (до 200—500°С).