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.