4.4. Резистивные пип

Резистивные измерительные преобразователи (РИП) в настоящее время являются самыми распространенными.

Принцип действия РИП основан на изменении их электрического сопротивления при изменении входной величины.

В общем случае на РИП оказывают влияние различные физические величины: электрические Х_Э; магнитные Х_МАГ; механические Х_МЕХ; тепловые Х_Т; оптические Х_ОПТ; химические Х_ХИМ; радиоактивные Х_РАД; пространственные Х_ПР; временные Х_ВР.

Уравнение преобразования РИП в общем случае имеет вид

R = F(Х_Э, Х_МАГ, Х_МЕХ, Х_Т, Х_ОП, Х_ХИМ, Х_РАД, Х_ПР, Х_ВР). (4.18)

Чувствительность РИП к различным по физической природе входным величинам рассчитывается по формуле S=R/Х_i.

При построении РИП стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления R происходило под действием одной входной величины (реже двух).

РИП состоит из чувствительного элемента с электродами и выводами и различного рода конструктивных элементов.

Чувствительный элемент (ЧЭ) РИП выполняется из: проводниковых, полупроводниковых и диэлектрических материалов.

Материалом ЧЭ может служить как электрически изотропное вещество, имеющее одинаковое электрическое сопротивление по всем направлениям, так и электрически анизотропное вещество, имеющее в разных направлениях различное сопротивление.

Чувствительные элементы могут быть выполнены: 1) твердыми – в виде различных брусков, трубок, проволок, пленок с определенными размерами и формой сечения; 2) жидкими; 3) газообразными – в виде объема, заключенного в камеру с определенными размерами и конструкцией.

Обычно ЧЭ размещается на базовом элементе – каркасе. Для защиты от внешних влияющих факторов используются защитные элементы в виде чехлов и специальных покрытий, кожухов, оболочек.

Основными характеристиками РИП являются: 1) градуировочная (уравнение преобразования) характеристика R = f(x); 2) чувствительность к входной величине S = dR/dx; 3) начальное значение сопротивления R₀(обычно при Т = 0 или 20⁰С); 4) диапазон преобразования; 5) погрешность; 6) постоянная времени.

Рассмотрим наиболее часто применяемые группы резистивных датчиков.

4.4.1. Терморезистивные датчики

Принцип действия терморезистивных ПИП основан на изменении сопротивления проводников, полупроводников и диэлектриков под действием температуры. При изменении температуры проводниковых и полупроводниковых веществ изменяется их удельное сопротивление (терморезистивный эффект). Терморезистивный эффект рассмотрен в п. 3.1.2. Кроме этого, при изменении температуры изменяются размеры образца из этого вещества (материала). Эти факторы обусловливают изменение сопротивления проводниковых и полупроводниковых образцов при изменении их температуры. Если зависимость сопротивления материала от температуры известна и воспроизводима, то ее можно использовать для измерения температуры, переходя от измерения температуры к измерению сопротивления.

В терморезистивных преобразователях в основном используются металлические проводниковые и полупроводниковые материалы. Проводниковые металлические терморезистивные преобразователи иначе называют термометрами сопротивления, а полупроводниковые терморезисторы из поликристаллического материала часто называюттермисторами. Материалы терморезистивных ПИП (в дальнейшем терморезисторов) должны обладать: большим значением ТКС; стабильностью ТКС во времени и в диапазоне рабочих температур; большим значением удельного сопротивления; инертностью к воздействию различных сред.

Проводниковые металлические терморезистивные датчики

В общем случае зависимость сопротивления чистых металлов от температуры описывается полиномом n-степени [20]

, (4.19)

где R_Т– сопротивление проводника при температуре Т; R₀– сопротивление при определенной эталонной температуре Т₀, например Т₀= 273 К (0⁰C);₁,₂,₃... – степенные температурные коэффициенты сопротивления материала;Т = Т – Т₀.

В узком диапазоне температур зависимость сопротивления металлических проводников от температуры близка к линейной и для ее описания достаточно использовать первые два члена полинома (4.19).

Чувствительность материалов к температуре Т характеризуется величиной температурного коэффициента электрического сопротивления материала, который в общем случае определяется как ТКС=_R=R/T, [1/K]. Значение ТКС большинства химически чистых металлов в интервале температур 0–100⁰С составляет (3–6,8)^.10^-3К^-1.

В качестве материалов для металлических терморезистивных датчиков чаще всего применяют платину, медь и никель. Проводниковые терморезистивные датчики называют термометрами сопротивления.

Уравнение преобразования медных терморезистивных датчиков в интервале температур от -50 до +180⁰С может выражаться линейной зависимостью

, (4.20)

где _R= 4,26 10^-3К^-1– температурный коэффициент сопротивления меди; R₀ – сопротивление при 0⁰С;t– температура,⁰С.

Чувствительность медного терморезистивного датчика в этом диапазоне находится как S = _RR_0.

Медные термометры сопротивления применяются в диапазоне температур от -200 до +200 ⁰С. При индивидуальной градуировке их можно использовать до температуры -260⁰С.

Недостатком медных терморезисторов является их сильная окисляемость при температурах t> 180⁰С, что ограничивает их температурный диапазон.

Уравнение преобразования платиновых терморезисторовв диапазоне температур от 0 до 650⁰С определяется выражением

, (4.21)

где R₀– cопротивление при 0⁰С;₁= 3,90784 10^-3К^-1;₂= 5,7841^.10^-7 К^-2;t– температура,⁰С.

Чувствительность в этом диапазоне находится как S = R₀(₁+₂t).

В диапазоне температур от 0 до -200 ⁰С зависимость сопротивления платинового терморезистора от температуры имеет вид [15]

, (4.22)

где ₃= –4,482^.10^-12К^-4.

Платиновые термометры сопротивления применяются в диапазоне температур от -263 до +1100 ⁰С.

Никелевые термометры сопротивления характеризуются высоким значением температурного коэффициента сопротивления ТКС = 6,28^.10^-3 К^-1, практически линейной зависимостью сопротивления от температуры в диапазоне от -200 до +300⁰С.

Никелевые термометры сопротивления применяются в диапазоне температур от -200 до +500 ⁰С.

Недостатком является сильная окисляемость никеля при высоких температурах, что ограничивает диапазон рабочих температур до +250 ⁰С.

Для измерения температуры в высокоскоростных газовых потоках используются терморезисторы из вольфрама,характеризующиеся близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры. Диапазон измерения ограничивается температурой до +600⁰С.

Достоинством вольфрамовых терморезисторов является бескаркасная намотка чувствительного элемента.

В области низких температур до 3,5 К применяются индиевые терморезисторы, сопротивление которых зависит от температуры как [19]

R = A + BT⁵, (4.23)

где А и В – постоянные, получаемые эталонированием терморезистора в реперных точках.

Для измерения высоких температур вплоть до +2000 ⁰С могут применяться терморезисторы на основесплавов золото-серебро и платина-палладий [19].

К достоинствам металлических терморезисторов можно отнести высокую стабильность и воспроизводимость характеристик.

Существуют различные варианты конструктивного исполнения чувствительных элементов металлических термометров сопротивления. Терморезис- тивные проводниковые датчики выполняются тонкопленочными и проволочными.

Тонкопленочные изготавливаются путем вжигания или нанесения другим путем из тонкого слоя платины или ее сплавов на подходящую подложку, например на керамическое основание толщиной 1–2 мкм или кремниевую мембранку. При ширине пленки 0,1–0,2 мм и длине 5–10 мм сопротивление датчика составляет 200–500 Ом [15]. Для получения высокого отношения длины к ширине пленочные датчики часто изготавливаются в виде серпантинной структуры. Датчики, у которых пленка нанесена с обеих сторон подложки, используются для измерения температурного градиента и имеют порог чувствительности (1–5)10^-5К/м.

Чувствительные элементы проволочных термометров сопротивления изготавливают в виде безындукционной намотки, которая может быть бескаркасной или выполнена на каркасе [24]. Варианты конструкции металлических термометров сопротивления приведены на рис. 4.6. Чувствительный элемент термометра сопротивления (рис. 4.6а) может представлять собой безындукционную намотку, например, из медной проволоки 3, расположенной на каркасе из изолятора 2. Намотка помещается в тонкостенный металлический корпус 1.

1 – корпус; 2 – каркас из изолятора; 3 – проволока

а б

Рис. 4.6

Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления часто выполняется из нескольких (например, двух или четырех) соединенных последовательно платиновых спиралей 3 (рис. 4.6б). Спирали размещаются в каналы двух- или четырехканального каркаса 2 из изолятора, помещенного в корпус 1.

В чувствительных элементах большинства проводниковых терморезисторов используется металлическая проволока диаметром (0,05–0,1) мм с длиной, определяемой значением начального сопротивления.

Основные характеристики проводниковых терморезистивных ПИП

К характеристикам проводниковых терморезистивных датчиков относятся: уравнение преобразования, чувствительность, номинальное сопротивление, тепловая постоянная времени, погрешности.

Одной из важнейших характеристик терморезисторов является тепловая постоянная времени, характеризующая их тепловую инерцию:

 = С/(F), (4.24)

где С – теплоемкость терморезистора; – коэффициент теплоотдачи; F – поверхность терморезистивного датчика.

Постоянная времени– время, в течение которого температура терморезистивного ИП повышается до 63⁰С при перенесении его из среды с температурой 0⁰С в воздушную среду с температурой 100⁰С. Для различных конструкций τ составляет значение от десятых долей секунды до десятков секунд.

Номинальное сопротивление– это сопротивление терморезистора при эталонной температуре Т₀. Для проводниковых терморезистивных ПИП номинальное сопротивлениеR₀обычно определяется при температуре Т₀= 0⁰С.

Класс допуска– определяет допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 0⁰С (R₀).

Промышленностью выпускаются платиновые, медные и никелевые термометры сопротивления, которые в общем случае состоят из чувствительного элемента, защитной арматуры и головки преобразователя с зажимами. В соответствии с ГОСТ 6651 выпускаются термометры сопротивления трех классов допуска и следующих номинальных статических характеристик преобразования: платиновые – 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П; медные – 10М, 50М, 100М. Буквы в условном обозначении типа и градуировочной характеристики термопреобразователя обозначают следующее: Т – термометр; С – сопротивления; П – платиновый; М – медный; Н – никелевый; а число – показывает сопротивление термометра при 0 ⁰С в омах.

В табл. 4.2 приведены классы допуска некоторых термометров сопротивления по ГОСТ 6651.

Одной из характеристик металлических термометров сопротивления (ТС) является отношение W₁₀₀ сопротивления ТС при 100⁰С (R₁₀₀) к сопротивлению при 0⁰С (R₀),W₁₀₀= R₁₀₀/R₀. В соответствии с ГОСТ 6651 для платиновых термопреобразователей сопротивленияW₁₀₀ = 1,3910 (международное значение – 1,3850), для медныхW₁₀₀ = 1,4280 (международное значение – 1,4260) и для никелевыхW₁₀₀ = 1,6170.

Таблица 4.2

Условное обозначение номинальной статической характеристики преобразования		Класс допуска	Номинальное значение сопротивления при 0 ^0С, R0, Ом	Допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 0 ^0С
в странах СНГ	Между-народное			±%	±Ом
50П	Pt50	А	50	0,05	0,025
100П, 100М	Pt100, Cu100		100		0,05
50П, 50М	Pt50, Cu50	В	50	0,1
100П, 100М	Pt100, Cu100		100		0,1
50П, 50М	Pt50, Cu50	С	50	0,2
100П, 100М	Pt100, Cu100		100		0,2

Никелевые термопреобразователи сопротивления имеют класс допуска С (ΔR/R₀= ±0,24%).

Недостатками промышленных термометров сопротивления являются большое значение тепловой постоянной времени τ и большие размеры. Тепловая постоянная для различных типов резисторов составляет значение от единиц до десятков секунд.

Полупроводниковые терморезистивные ПИП

Изменение сопротивления полупроводника в основном обусловлено изменением числа свободных носителей заряда. Чем выше температура, тем большее число электронов из валентной зоны преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости (или возрастает число активированных акцепторных или акцепторных атомов).

Температурная зависимость полупроводниковых терморезистивных датчиков достаточно хорошо описывается выражением [19]

, (4.25)

где R₀– сопротивление при начальной температуре Т₀;T = Т - Т₀;_Т– постоянный коэффициент, 1/К.

Сопротивление полупроводникового терморезистора также может быть найдено по формуле

, (4.26)

где А – коэффициент, характеризующий материал и конструкцию терморезистора; В – коэффициент, характеризующий материал.

Коэффициенты А и В также зависят от температуры, поэтому более точное выражение выглядит так:

, (4.27)

где T₀ – начальная температура, К;R_t0– сопротивление при температуре T_0.;В– характеристическая температура материала, К.

Значение Вдля большинства полупроводниковых терморезистивных ПИП лежит в пределах от 2000 до 5000 К и в пределах узкой зоны может считаться независимым от температуры.

В общем случае температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезистивных датчиков зависит от температуры и определяется по формуле

. (4.28)

При температуре 300 К чувствительность полупроводникового терморезистора на порядок и более выше, чем металлического.

Недостатками полупроводниковых терморезистивных ПИП являются: нелинейность характеристики преобразования и большой разброс от образца к образцу значения номинального сопротивления и постоянной В.

В качестве материалов полупроводниковых терморезистивных ИП используют: 1) монокристаллические полупроводники (Si,Ge); 2) полупроводниковые соединения.

Для изготовления резистивных датчиков температуры, обладающих положительным ТКС, широко используется чистый кремний, легированный примесями n-типа. Эффект получения положительного ТКС в монокрис-таллических полупроводниках рассмотрен в п. 3.1.2.

Типичный кремниевый датчик состоит из кристалла кремния n-типа, размеры которого не превышают нескольких сот микрометров (200–500 мкм), с контактами на противоположных гранях. Чувствительность подобных датчиков составляет десятые процента на один градус Цельсия, т. е. их сопротивление изменяется на несколько десятых процента при изменении температуры на 1⁰С.

Передаточную функцию датчика в области положительных ТКС можно аппроксимировать полиномом второго порядка [20]:

, (4.29)

где R₀иT₀– сопротивление, Ом, и температура, К, измеренные в эталонной точке; А и В – постоянные коэффициенты.

В настоящее время кремниевые терморезистивные датчики широко используются для измерения температуры и температурной компенсации. Верхний предел измерения датчиков с положительным ТКС обычно не превышает +200 ⁰С, нижний предел лежит в области отрицательных температур и составляет значение в несколько десятков градусов Цельсия (например, датчикKTY-81 имеет рабочий диапазон (-55…+150⁰С)) [20].

Терморезисторы из монокристаллических полупроводников(германия, кремния) характеризуются большим значением ТКС, хорошей воспроизводимостью и стабильностью характеристик в широком интервале температур, малой тепловой постоянной времени.

Наибольшее применение для изготовления полупроводниковых терморезисторов получили поликристаллические материалы на основе смесей окислов металлов переходной группы периодической системы (смеси окислов марганцаMnO₃, медиCuO, никеляNiO, кобальтаCoO₄ и др.).

Как правило, полупроводниковые терморезисторы имеют отрицательный ТКС. Исключения составляют так называемые "позисторы",имеющие положительный ТКС (_R0,3–0,5 К^-1). Позисторы изготавливают из сегнетоэлектрических полупроводников, характеризующихся аномальным ростом удельного сопротивления вблизи области сегнетопароэлектрического фазового перехода. Для проведения точных измерений используются термисторы только с отрицательным ТКС.

Конструктивно полупроводниковые терморезистивные датчики могут иметь самую разнообразную форму. Чувствительный элемент может быть вы-

п

Рис. 4.7

олнен в виде стержня (рис. 4.7а), диска (рис. 4.7б), шайбы (рис. 4.7в), шарика (бусинки рис. 4.7г), пленки и других форм. Для защиты от влаги и других факторов его покрывают слоем лака или стекла, могут помещать гермерметизированный стеклянный баллон или корпус.

Основные характеристики полупроводниковых терморезистивных ПИП

К характеристикам полупроводниковых терморезистивных датчиков относятся уравнение преобразования, чувствительность, номинальное сопротивление, тепловая постоянная времени, погрешности и др.

Уравнения преобразования полупроводниковых терморезистивных датчиков рассмотрены выше.

Номинальное сопротивление– это сопротивление терморезистивного датчика при эталонной температуре Т₀. Для полупроводниковых термисторов за номинальное значениеR₀принимается сопротивление при Т₀= 20⁰С, для некоторых типов термисторовR₀определяется при температуре Т₀= 150⁰С (например, термистор КМТ4).

Класс допуска– определяет допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 20⁰С (R₀).

ТКС отечественных термисторов составляет значение −(0,02–0,04) К^-1; номинальное сопротивлениеR₀имеет значение от 0,1 до 10⁷Ом; допускаемое отклонение от номинального значения сопротивленияR₀ от 10 до 20 %; погрешность 1–2 %, диапазон от –100 до +300⁰С, тепловая постоянная времени составляет значение от десятых долей до десятков секунд.

Основные характеристики некоторых полупроводниковых терморезисторов приведены в табл. 4.3 [19].

Таблица 4.3

Тип	Пределы R0при 20^0С, кОм	Допускаемое отклонение ΔR/R0, %	ТКС, %/ ^0C, при 20 ^0С.	Диапазон рабочих температур,^0С	, с
ММТ-8	0,001…1,0	10	2,4 … 4,0	-40… + 70	-
КМТ-1	22…1000	20	4,2 … 8,4	-60 … +180	35
КМТ-4	0,51…7500 при 150 ^0С	30	2,3 … 3,9 при 150 ^0С	-10 … +300	-
СТ1-17	0,3…22	10, 20	-	-60 … +100	30
СТ3-18	0,033 …0,33	-	-	-60 … +300	-
СТ3-19	2,2…15	20	-	-100 … +125	-

Погрешности терморезистивных ПИП

Погрешности терморезистивных ИП обусловлены: 1) отклонением характеристики от стандартной градуировочной таблицы; 2) нестабильностью характеристики R=f(T); 3) потерями тепла на лучеиспускание; 4) потерями тепла за счет теплопроводности защитной арматуры; 5) тепловой инерцией; 6) нагревом измерительным током.

Отклонение градуировочной характеристики конкретного ИП от номинальной может происходить из-за неточности подгонки начального сопротивления при 0 ⁰С и из-за отличий в чистоте металла. Допустимые отклонения R₀и_Тот номинальных значений нормируются ГОСТами.

Стабильность характеристики R = f(T) определяется условиями эксплуатации, причем изменения происходят главным образом при длительной работе ИП за пределами допустимого температурного диапазона.

Погрешности, обусловленные потерями тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры, более характерны для промышленных термометров сопротивления и обусловлены разностью температур терморезистивного ИП и поверхности объекта измерения и потерями тепла за счет теплопроводности защитной.

Погрешность из-за инерционностиимеет место при динамических измерениях. Инерционность РИП характеризуется постоянной времени.

Погрешность от протекания измерительного токасвязана с нагревом терморезистивного ПИП проходящим током.

Терморезистивные датчики используются для измерения: температуры, скорости жидкости или газа (в термоанемометрах), перемещений; для анализа состава и плотности газов и других физических величин.