3.8. Терморезисторы
Принцип действия терморезистивных преобразователей основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.
Для терморезистивных преобразователей используют материалы, обладающие высокой стабильностью ТКС, высокой воспроизводимостью электрического сопротивления при данной температуре, значительным удельным электрическим сопротивлением, высоким ТКС, стабильностью химических и физических свойств при нагревании, инертностью к воздействию исследуемой среды. К таким материалам в первую очередь относятся платина, медь, никель, вольфрам и др. Наиболее широко применяют платиновые и медные терморезисторы.
Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до 650 °С описывается уравнением:
где RΘ, R0 — сопротивления преобразователя соответственно при рабочей и нулевой температурах; А, В — постоянные коэффициенты.
Для платиновой проволоки, применяемой в промышленных терморезисторах, А = 3,96847 · 10-3 K-1; В = -5,847 · 10-7 К-2. В интервале температур от 0 до -200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид:
где C = -4,356 · 10-12K-3.
К недостаткам платиновых преобразователей температуры относятся довольно высокая загрязняемость платины парами металлов (особенно железа) при высоких температурах и сравнительно невысокая химическая стойкость в восстановительной среде, вследствие чего материал становится хрупким, теряет стабильность характеристик.
Медные терморезистивные преобразователи широко используют в диапазоне температур от 50 до 180 °С вследствие их низкой стоимости и довольно высокой стойкости к коррозии. Зависимость сопротивления меди от температуры описывается линейным уравнением:
где α = 4,26 ·10-3К-1.
К недостаткам медных преобразователей температуры относится высокая окисляемость меди при нагревании, вследствие чего их применяют в сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов.
Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических большими значениями ТКС, а следовательно, меньшими размерами и инерционностью. Температурная зависимость для них описывается выражением
где A, B — постоянные коэффициенты.
Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающих их эксплуатационные качества, является нелинейность зависимости сопротивления от температуры, значительный разброс номинальных значений сопротивлений различных образцов и их ТКС.
Терморезисторы обычно применяют для измерения температуры. При этом нагрузочный ток, проходящий через преобразователь, должен быть мал. Если через терморезистор пропускать большой фиксированный ток, то его перегрев по отношению к окружающей среде может стать значительным. Установившееся значение перегрева и соответственно сопротивления при этом будет определяться условиями теплоотдачи поверхности терморезистора. Если нагретый терморезистор поместить в среду с переменными теплофизическими характеристиками, то появляется возможность измерения ряда физических величин, например скорости потока жидкостей и газов, плотности газов и т. п.
Чувствительность проволочных медных терморезисторов KSM = dRθ/dθ = αR0, платиновых — Ksn = R0(A + 2Bθ).
Чувствительность проволочных медных терморезисторов постоянна, а чувствительность платиновых изменяется с изменением температуры. При одинаковых значениях R0 чувствительность медных терморезисторов выше.
По динамическим свойствам терморезистивные преобразователи идентичны термоэлектрическим преобразователям.
Промышленно выпускаемые термопреобразователи температуры с платиновыми (ТСП) и медными (ТСМ) чувствительными элементами предназначены для измерения температур в диапазоне от-200 до 1100 °С.
Промышленные термопреобразователи выпускают в виде чувствительных элементов в защитных корпусах. Чувствительный элемент современного платинового терморезистора имеет вид спирали, помещенной в канавки двух- или четырехканального керамического каркаса и уплотненной порошкообразным оксидом алюминия. Оксид алюминия является хорошим электрическим изолятором, обладает большой теплостойкостью и хорошей теплопроводностью. Чувствительный элемент медных терморезистивных преобразователей сопротивления представляет собой бескаркасную обмотку из медной изолированной проволоки, покрытой фторопластовой пленкой и помещенной в металлический защитный чехол.