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 (Ni_0.2Mn_0.8)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 R_T = ^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(R_ДОБ0), то при некотором значении напряжения ток в цепи термистора резко увеличивается, что может привести к разрушению термистора (кривая U_Tна рис. 9.4, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь тер­мистора R_Tвключить добавочный резистор R_ДОБ(рис. 9.4, б) с пря­молинейной характеристикой (кривая U_Rна 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 U₀При 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_Дв 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,

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).

8.1.2.      Характеристики и параметры термисторов прямого подогрева

Температурная характеристика термистора – это зависимость его сопротивления от температуры (рис. 8.1).

Номинальное сопротивление термистора – это 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 Т_{ои Т по формуле:}

.

Температурный коэффициент сопротивления термистора – это 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 термистора – это 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 термистора – это 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 термистора – это 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 термистора – это 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=Ce^aT

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=Ce^aT_. При нагреве до температуры Т его сопротивление R_T=Ce^aT. Возьмем отношение R_Т и Rо:

R_T / R₀ = Се^аТ / (Се^аТ0)= е ^а(Т-Т0)

Выразим сопротивление при температуре Т через начальное сопротивление при То

R_T = 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 е^х..

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:

R_T = 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: R_tиR_T(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 величинаR_tназывается «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.

3. 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 α_t:

.

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

4. 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.

5. Максимально допустимая температура t_max, до которой характеристики терморезистора долгое время остаются стабильными.

6. Максимально допустимая мощность рассеивания Р_maxв Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик терморезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощностьюР_maxего температура не должна превышатьt_max.

7. 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.

8. 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,

9. 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)

2. 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

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

Рис. 13. Подогревная характеристика термистора косвенного подогрева