Site Loader

Термисторы

Термисторы — это по сути термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC ( с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.

Конструкция и материалы

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток.

Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 °С. Сложные двойные и тройные структуры оксидов переходных металлов, такие как (AB)

3O4, (ABC)3O4 лежат в основе термисторов. Распространенной формулой является (Ni0.2Mn0.8)3O4. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 °С являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС. Удельная проводимость термистора r (25 °C) зависит от химического состава и степени окисления. Дополнительное управление проводимостью осуществляется добавлением очень малых концентраций таких металлов как Li и Na.

При изготовлении бусинковых термисторов бусинки наносятся на две параллельные платиновые проволоки при температуре 1100 °С, проволоки разрезаются на куски для получения необходимой конфигурации выводов. На бусинки наносится стеклянное покрытие, спекаемое при 300 °С, либо бусинки герметизируются внутри миниатюрных стеклянных трубок. Для получения металлических контактов в дисковых термисторах, на диск наносится металлическое покрытие Pt-Pd-Ag и выводные проводники соединяются с покрытием пайкой или прессованием.

Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.

Зависимость сопротивления термистора от температуры

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

R(T) = A exp(b/T)

где A, b – постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.

Однако, сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта

1/T = a+b(lnR)+c(lnR)3

где T – температура в К;
R – сопротивление в Ом;
a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.

Типичный 10 кОм-ый термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 °С близкие к следующим значениям:

a = 1,03 10-3
b = 2,93 10-4
c = 1,57 10-7

Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т.е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки.

Градуировка термисторов может осуществляться в жидкостных термостатах. Необходимо герметизировать термисторы, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для градуировки и вычисления констант проводится сличение термистора с образцовым платиновым термометром. В диапазоне от 0 до 100 °С сличение проводится в точках с интервалом 20 °С. Погрешность интерполяции обычно не превышает 1 –5 мК при использовании модифицированного уравнения Стейнхарта и Харта:

1/T = a+b(lnR)+c(lnR)2 + d(lnR)3

Могут также использоваться реперные точки: тройная точка воды (0,01 °С), точка плавления галлия (29,7646 °С), точки фазовых переходов эвтектик и органических материалов.

Для градуировки нескольких термисторов они могут быть соединены последовательно, так чтобы через них проходил одинаковый ток. При градуировке и использовании термисторов важно учитывать эффект нагрева измерительным током. Для 10 кОм – ого термистора рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК), до 100 мкА (погрешность 10 мК).

Стабильность

Причины нестабильности термисторов следующие:
— напряжения, возникающие в материале при термоциклировании и образование микротрещин;
— структурные изменения в полупроводнике;
— внешнее загрязнение (водой и др. веществами) и в результате химические реакции в порах и на поверхности полупроводника;
— нарушение адгезии металлической пленки;
— миграция примесей из металлических контактов в материал термистора.

Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике.

Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 °С). Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 °С).

Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °С.

Диапазон наилучшей стабильности термисторов – от 0 до 100 °С. Основными преимуществами термисторов являются вибропрочность, малый размер, малая инерционность и невысокая цена.


В 2014 г. Консультативный комитет по термометрии (ККТ) выпустил в электронном виде брошюру «Термисторная термометрия» , которая сейчас доступна по ссылке:

Thermistor Thermometry 

Прочитайте на нашем сайте также о других типах датчиков температуры:


Термометры сопротивления
Термопары
Радиационные термометры (пирометры)
Волоконно-оптические датчики температуры
Кварцевые датчики температуры
Интегральные датчики температуры (IC temperature sensors)

9. Терморезисторы » СтудИзба

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.

§ 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 Т0и имел сопротивление . При нагреве до температуры Т его сопротивление RT

= T. Возьмем отношение

 

  Известно, что функцию вида е* можно разложить в степенной ряд:


 

 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(RДОБ0), то при некотором значении напряжения ток в цепи термистора резко увеличивается, что может привести к разрушению термистора (кривая UTна рис. 9.4, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь тер­мистора RTвключить добавочный резистор RДОБ(рис. 9.4, б) с пря­молинейной характеристикой (кривая URна рис. 9.4, в). При гра­фическом сложении этих двух характеристик {Ut+Ur) 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 U0При достижении значения напряжения срабатывания Ucp(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 U0T), а затем скачком падает до значения /4, после чего ток плавно уменьшается донуля. 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 Rпр, где Rпр— сопротив­ление соединительных проводов. При больших расстояниях (сотни метров) Rпр 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 RДв 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 Тср(°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 Тср=0,63°С,

а за время / до температуры Т,ср=0>99оС. 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).

8.1.2.      Характеристики и параметры термисторов прямого подогрева

Температурная характеристика термистораэто зависимость его сопротивления от температуры (рис. 8.1).

Номинальное сопротивление термистораэто его сопротив­ление при определенной температуре (обычно 20 °С). Термисторы изготавливают с допустимым отклонением от номинального сопро­тивления (20; 10; 5) %. Номинальные сопротивления различных типов термисторов имеют значения от нескольких ом до несколь­ких сотен килоом.

Коэффициент температурной чувствитель­ности (В)это коэф­фициент в показателе экспоненты температурной характеристи­ки термистора (8.1). Значение этого коэффициента, зависящее от свойств материала термистора, практически постоянно для данного термистора в рабочем диапазоне температур, и для различных

типов термисторов находится в пределах от 700 до 15 000 К. Коэффициент температурной чувствительности может быть найден экспериментально путем измерения сопротивлений термистора при температурах Тои Т по формуле:

.

Температурный коэффициент сопротивления термистораэто величина, равная отношению относительного измене­ния сопротивления термистора к изменению его температуры:

                                                        (8.4)

Температурный коэффициент сопротивления зависит от тем­пературы, поэтому его необходимо записывать с индексом, указы­вающим температуру, при которой он измеряется. Зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры можно получить, использовав уравнения (8.4) и (8.1):

.

Значения температурного коэффициента сопротивления при комнатной температуре различных термисторов находятся в пре­делах – (0,8…6,0).10-2 К-1.

Коэффициент рассеяния термистора (Н) численно равен мощ­ности, рассеиваемой термистором при разности температур тер­мистора и окружающей среды в 1 К, или, другими словами, численно равен мощ­ности, которую надо выделить в термисторе, чтобы нагреть его на 1 К.

Статическая ВАХ термистораэто зависимость падения напряжения на термисторе от проходящего через него тока в условиях теплового равновесия между термистором и окружающей средой (рис. 8.2).

Линейность характе­ристик (рис. 8.2) при малых токах и напряжениях объясняется тем, что выделяемая в тер­мисторе мощность недостаточна для су­щественного изменения его температуры. При увеличении тока, проходящего через термистор, выделяемая в нем мощность повышает его температуру. Таким образом, сопротивление тер­мистора зависит от  суммарной температуры (температуры окружающей среды и температуры перегрева термистора). При повышенных токах сопротивление термистора уменьшается с увеличением тока и температуры в соответствии с уравнением (8.1), линейность статиче­ской ВАХ нарушается. При дальнейшем увеличении тока и боль­шой температурной чувствительности термистора может наблюдаться падающий участок статической ВАХ, т.е. уменьшение напряжения на термисторе с увеличением проходящего через него тока.

Максимально допустимая температура термистораэто тем­пература, при которой еще не происходит необратимых измене­ний параметров и характеристик термистора. Максимально до­пустимая температура зависит не только от свойств исход­ных материалов термистора, но и от его конструктивных особен­ностей.

Максимально допустимая мощность рассеяния термистораэто мощность, при которой термистор, находящийся в спокой­ном воздухе при температуре 20 °С, разогревается при прохожде­нии тока до максимально допустимой температуры. При умень­шении температуры окружающего воздуха, а также при работе термистора в сре

дах, обеспечивающих лучший теплоотвод, мощ­ность рассеяния может превышать максимально допустимое значение.

Коэффициент энергетической чувствительности термистора (G)
численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1 %. Между коэффициентом энергетической чувствительности, коэффициентом рассе­яния и температурным коэффициентом сопротивления существует  зависимость, которая описывается соотно­шением:

.

Значение коэффициента энергетической чувствительности за­висит от режима работы термистора, т.е. оно различно в каждой точке статической ВАХ.

Постоянная времени термистораэто время, в течение ко­торого температура термистора уменьшится на 63 % (в е раз) по отношению к разности температур термистора и окружающей среды (например, при переносе термистора из воздушной среды с температурой 120 °С в воздушную среду с температурой 20°С). Тепловая инерционность термистора, характеризуемая его посто­янной времени, зависит от конструкции и размеров термис­тора, а также от теплопроводности среды, в которой находится термистор. Для разных типов термисторов постоянная времени лежит в пределах от 0,5 до 140 с.

1.1.1. Металлические терморезисторы

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры: R=CeaT

где С — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров проводника;

а — температурный коэффициент сопротивления; е — основание натуральных логарифмов.

Определим относительное изменение сопротивления проводника при его нагреве. Пусть сначала проводник находился при начальной температуре То и имел сопротивление R0=CeaT. При нагреве до температуры Т его сопротивление RT=CeaT. Возьмем отношение RТ и Rо:

RT / R0 = СеаТ / (СеаТ0)= е а(Т-Т0)

Выразим сопротивление при температуре Т через начальное сопротивление при То

RT = R0[1+ a(T-T0)].

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 ех..

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.

На рис. 1.1 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.

Рис. 1.1. Платиновый термометр сопротивления

1.1.1. 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 а = (4 ÷ 6) • 10-3 1/°С, то для полупроводниковых терморезисторов |а| > 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:

RT = Ae B/T

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

Сравнение 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:

Sд = (∆R/R)/∆T

В пределе при ∆T → О

Для полупроводникового терморезистора (термистора) чувствительность получим

Видно, что чувствительность термистора имеет нелинейную зависимость от температуры.

Серийно выпускаются медно-марганцевые (тип ММТ) и кобальтово-марганцевые (тип КМТ) термисторы. На рис. 1.2 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 К.МТ-1, ММТ-4 — от 20 до 1000 кОм. Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ —120 °С, а для типа КМТ — 180 °С.

Рис. 1.2. Конструкция термисторов

Термисторы выпускаются в различных конструктивных исполнениях: в виде стерженьков, дисков, бусинок. На рис. 1.2. показаны некоторые конструкции термисторов. Термисторы типов ММТ-1, КМТ-1 (рис. 1.2, а) внешне подобны высокоомным резисторам с соответствующей системой герметизации. Они состоят из полупроводникового стержня 1, покрытого эмалевой краской, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Термисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 1.2, 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. 1.2., в показан термистор специального типа ТМ-54 —«Игла». Он состоит из полупроводникового шарика /1диаметром 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 +250 °С.

Применение терморезисторов

При использовании 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.

Параметры и характеристики терморезисторов

Как и любой технический прибор, терморезисторы имеют ряд параметров и характеристик, знание которых позволяет выяснить возможность использования данного терморезистора для решения определенной технической задачи.

Основные параметры терморезисторов:

  1. Величина сопротивления образцов: RtиRT(в Ом) при определенной температуре окружающей среды вt, °C, илиТ, К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125…200 °С, температуры окружающей среды принимается равной 20 или 25°С и величинаRtназывается «холодным сопротивлением» или номинальным. У различных терморезисторов номинальное сопротивление лежит в пределах от десятков Ом до сотен килоОм, при этом допустимые отклонения от номинального сопротивления могут составлять ± 20%, ± 10%, ± 5%.

  2. Коэффициент температурной чувствительности В, размерность – Кельвин.

.

У основной массы терморезисторов величина Влежит в диапазоне 2000…7200K, но есть терморезисторы с величинойВв пределах 700…15800K.

  1. Величина ТКС α в процентах на 1°С. Обычно она указывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление, и в этом случае обозначается через αt:

.

Значения ТКС при комнатной температуре для термисторов находятся в пределах -(0,8…6) %/град., у позисторов – +(10…20) %/град.

  1. Постоянная времени τ (в секундах). Характеризует тепловую инерционность терморезистора. Она равна времени, в течение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур образца и окружающей среды. Чаще всего эту разность берут равной 100°С. Другими словами, τ – это промежуток времени, в течение которого температура терморезистора, перенесенного из спокойного воздуха Т = 0ºС в спокойный воздух приТ = 100ºС, достигнет температуры 63ºС (т.е. увеличится ве= 2,72 раза). Постоянная времени определяется конструкцией и размерами термистора, зависит от теплопроводности окружающей среды, составляет от 0,5 с до 140 с.

  2. Максимально допустимая температура tmax, до которой характеристики терморезистора долгое время остаются стабильными.

  3. Максимально допустимая мощность рассеивания Рmaxв Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик терморезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощностьюРmaxего температура не должна превышатьtmax.

  4. Коэффициент рассеяния Нв Вт на 1°С (К). Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1°С, или, другими словами, численно равен мощности, которую надо выделить в термисторе, чтобы нагреть его на один градус.

  5. Коэффициент энергетической чувствительности Gв Bт/%, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициенты рассеяния и энергетической чувствительности зависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообмена между образцом и окружающей средой. ВеличиныG,

Ни α связаны соотношением:. В самом деле,

  1. Теплоемкость Св Дж на 1°С, равная количеству тепла (энергии), необходимому для повышения температуры терморезистора на 1°С. Можно доказать, что τ,НиСсвязаны между собой следующим соотношением:

.

Для позисторов, кроме ряда приведенных выше параметров, обычно указывают также еще примерное положение интервала положительного температурного коэффициента сопротивления, а также кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС.

Основные характеристики терморезисторов:

  1. ВАХ – зависимость напряжения на терморезисторе от тока, проходящего через него. Снимается в условиях теплового равновесия между теплотой, выделяемой в терморезисторе, и теплотой, отводимой от него в окружающую среду. Статическая ВАХ снимается в установившемся режиме с учетом постоянной времени терморезистора .

Начальные участки ВАХ и термисторов, и позисторов (ОА, ОС, ОЕ на рис. 11) практически линейны. При дальнейшем увеличении тока подводимая мощность возрастает, происходит саморазогрев терморезисторов и подводимое напряжение у термисторов (а, б) или незначительно возрастает (участок АВ рис. 11) или даже незначительно уменьшается (участок СД рис. 11) из-за уменьшения их сопротивления.

У позисторов (в) в точке Е происходит разогрев от подводимой мощности до температуры, соответствующей точке Кюри, и при дальнейшем увеличении подводимого напряжения ток резко уменьшается (участок EF), а сопротивление возрастает.

Рис. 11: Вольт-амперные характеристики терморезисторов: а, б – термисторы(ТКС<0), в – позистор(ТКС>0)

  1. Температурная характеристика – это зависимость R(Т), снимается в установившемся режиме.

Рис. 12 Температурные характеристики терморезисторов :а – термистор с В = 2000 K; б – термистор с В = 5000K; в – Позистор

  1. Подогревная характеристика – характеристика, свойственная терморезисторам косвенного подогрева – зависимость сопротивления резистора от подводимой мощности.

Рис. 13. Подогревная характеристика термистора косвенного подогрева

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *