Лекция 4. Разновидности термочувствительных элементов и их применение

Кроме широко распространенных и описанных выше термочувствительных преобразователей — термопар и терморезисторов, в последние годы в измерительных устройствах находят применение термочувствительные элементы, основанные на иных физических эффектах.

В высокоточных термометрах и вакуумметрах используются термочувствительные пьезорезонаторы, в преобразователях тепловых излучений — пироэлектрические преобразователи, в приборах температурного контроля — сегнетокерамические емкостные преобразователи. Для измерения сверхнизких температур и для измерения очень высоких температур разрабатываются термошумовые преобразователи, выходной величиной которых является ЭДС шума резистивных элементов.

Термодиоды и термотранзисторы находят применение в датчиках температуры, работающих в диапазоне от -80 до +150°С. Верхняя граница температурного диапазона ограничивается тепловым пробоем p-n-перехода и для отдельных типов германиевых датчиков достигает 200 °С, а для кремниевых датчиков — даже 500°С. Нижняя граница температурного диапазона определяется уменьшением концентрации основных носителей и может достигать для германиевых датчиков –(240260)°С, для кремниевых -200°С.

Основными преимуществами термодиодов и термотранзисторов являются малые габариты, возможность взаимозаменяемости и, главное, дешевизна, позволяющая применять их в датчиках одноразового употребления.

Связь между током I через p-n-переход и падением напряжения U на нем определяется уравнением

, (14.1)

где I₀e^-B/T=I_нас – ток насыщения, зависящий от абсолютной температуры Т; I₀ – ток насыщения при Т; q=1,610^-19 Кл – заряд электрона; k=1,3810^-23 Дж/К — постоянная Больцмана. Это уравнение определяет ток через переход как при прямом (U=+U), так и при обратном (U=-U) смещении перехода. Однако, учитывая, что при температуре Т=300 К значение kT/q=26 мВ при напряжениях на переходе |U|> 26 мВ, можно пользоваться приближенными формулами для прямого и обратного токов:

, (14.2)

, (14.3)

Как видно из приведенных формул, и прямой и обратный токи p-n-перехода являются функциями температуры, однако для измерения температуры чаше используются открытые p-n-переходы. Падение напряжения на открытом p-n -переходе при токе I через переход определяется приближенной формулой

, (14.4)

из которой видно, что падение напряжения линейно зависит от температуры и уменьшается с увеличением температуры (I₀>>I). Температурная чувствительность р-n-перехода по напряжению составляет S_1,5мВ/К. Сравнивая между собой коэффициенты температурной чувствительности для падения напряжения на p-n-переходе и термо-ЭДС термопар, работающих в этом же температурном диапазоне (например, хромель – копель), можно сказать, что чувствительность p-n -перехода примерно в 100 раз выше чувствительности термопар.

Рис. 14-1

На рис. 14-1 представлена схема преобразователя температуры в частоту с диодом ТД типа Д9 в качестве термочувствительного элемента. Диод ТД подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, выполняющему функцию интегратора. На инвертирующий вход этого усилителя подается напряжение с делителя R1 Делитель и термодиод питаются стабильным током (I_ТД=1 мА) от источника опорного напряжения, задаваемого диодом Д1. Интегратор сбрасывается через транзистор T1, когда конденсатор C1 заряжается до напряжения 10 В Время заряда конденсатора и, следовательно, частота импульсов на выходе интегратора зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается напряжение на диоде ТД и увеличивается разность напряжений на входах усилителя. Регулировка чувствительности (S=10 Гц/К) осуществляется изменением сопротивления R2, регулировка нуля — изменением сопротивления R1 Диапазон измерений преобразователя 0 – 100°С, погрешность не превышает ±0,3°С.

Позисторы, критезисторы. В настоящее время известен ряд материалов, для которых наблюдается резкое изменение проводимости в относительно узком диапазоне температур, близком к температуре фазового перехода для данного материала, т.е. к температуре точки Кюри. Резисторы, которые характеризуются особенно большим значением ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в окрестности критической температуры, в ряде работ получили название критезисторов. В зависимости от материала проводимость в критической области температур может как уменьшаться, так и увеличиваться. Так, серия резисторов типа СТ6, разработанных на базе титаната бария BaTiO₃, имеет высокие положительные ТКС в области температур 65–150°С. Полупроводниковые резисторы с положительными ТКС получили название позисторов.

Рис. 14-2

Температурные зависимости сопротивления некоторых типов позисторов показаны на рис. 14-2, a. В узком температурном диапазоне зависимость сопротивления позистора от температуры может быть приближенно выражена формулой R_=Ае^Т, где А – постоянная, имеющая размерность сопротивления; - температурный коэффициент, К^-1.

Зависимости  от температуры приведены на рис. 14-2,б. Статические вольтамперные характеристики, представляющие собой зависимость между током через позистор и напряжением на нем в условиях теплового равновесия с внешней средой, имеют за счет саморазогрева выраженный участок с отрицательным сопротивлением. На рис. 14-2, в показаны вольтамперные характеристики 1, 2 и 3 позистора СТ6-1Б (R_=20°С = 500 Ом), снятые в спокойном воздухе при температурах 20, 40 и 70 °С соответственно. Там же для сравнения дана вольт-амперная характеристика 4 полупроводникового резистора КМТ-1 (R_=20°С = 35 кОм).

Резисторы на основе двуокиси ванадия VO₂, имеют отрицательный температурным коэффициент в области температур 60 – 80°С. На основе VO₂, выпускаются резисторы СТ9-1А и CT9-1Б (критезисторы), выполненные в виде прямоугольных штабиков и герметизированные в стеклянных баллонах диаметром 6 мм и длиной 60 мм, а также изготовляются пленочные элементы путем напыления металлического ванадия на слюдяную подложку с последующим его окислением. Пленочный термочувствительный элемент может быть смонтирован в корпусе маломощного транзистора.

На рис. 14-3, а приведена зависимость R=f() для критезистора CT9-1A. В диапазоне 60 – 80°С ТКС приближенно составляет от -1 до -1,5 К^-1, погрешность гистерезиса не превышает 3°С. По данным И. 3. Окуня и В. В. Шаповалова, сопротивление пленочного элемента изменялось от нескольких десятков килоОм до сотен Ом при изменении температуры от 62 до 68°С. На рис. 14-3, б показаны вольтамперные характеристики критезистора при разных температурах.

Позисторы и ванадиевые критезисторы используются для измерения температуры в узком температурном диапазоне, в окрестности критической температуры, обладая в этом диапазоне повышенной по сравнению с другими термочувствительными элементами чувствительностью. Это позволяет применять их в термосигнализаторах и температурных реле.

Рис. 14-3

Кроме этого, при подогреве для критезисторов может быть обеспечен режим автостабилизации температуры независимо от изменения температуры окружающей среды. Это обстоятельство позволяет разрабатывать на базе указанных материалов самокомпенсирующиеся термостаты, а также использовать критезисторы для измерения температуры в области, лежащей ниже критического диапазона. При этом критезистор с положительным ТКС должен работать в режиме заданного напряжения, а критезистор с отрицательным ТКС – в режиме заданного тока.

Рассмотрим эти возможности на примере критезистора с отрицательным ТКС. При разогреве критезистора проходящим по нему током до температуры , близкой к критическому диапазону, сопротивление его начинает падать, соответственно уменьшаются падение напряжения на критезисторе, выделяемая в нем мощность и температура разогрева.

Уравнение теплового баланса критезистора запишется в виде

(14.5)

где U и I₀ – напряжение на критезисторе и стабилизированный ток через него; k_Т.О – коэффициент теплоотдачи критезистора; _кт – температура критезистора; _ср – температура среды, окружающей критезистор.

Температура критезистора _кт автоматически стабилизируется на уровне температуры, близкой к точке Кюри _К,. Таким образом, при изменении температуры окружающей среды и постоянном коэффициенте k_Т.О напряжение на критезисторе будет изменяться и в первом приближении эти величины связаны линейной зависимостью

(14.6)

При высоком коэффициенте стабилизации по температуре погрешность линейности зависимости U=f(_ср) не превышает 1 – 2%. Чувствительность пленочного преобразователя в диапазоне температур ±35°С составляла 50 – 100 мВ/К. Преобразователи легко сделать взаимозаменяемыми, корректируя разброс значении коэффициента теплоотдачи k_Т.О изменением питающего тока.