Датчики температуры. Термочувствительные преобразователи сопротивления (терморезисторы)

Рис. 4. Устройство терморезистора: а – конструкция; б - внешний вид;

в - электрическая схема соединений

Начальные сопротивления (при 0 ºС) платиновых стандартных терморезисторов равны 1, 5, 10, 46, 50, 100 и 500 Ом, медных - 10, 50, 53 и 100 Ом.

Для изготовления терморезисторов используют платиновую, медную проволоку диаметром 0,05 – 0,1 мм. Наилучшим материалом является платина, поскольку она химически инертна и обеспечивает широкий диапазон измеряемых температур. Ток в цепи терморезистора не превышает 4 - 5 мА. Допустимое значение тока, протекающего по терморезистору при включении его в измерительную цепь, должно быть таким, чтобы изменение сопротивления терморезистора при нагреве не превышало 0,1 % начального сопротивления.

Аналитически зависимость сопротивления от температуры для платиновых терморезисторов выражают следующими уравнениями:

R_t = R₀ [1 + At + Bt² + Ct³(t-100)] при -200 ºС ≤ t ≤ 0 ºС;

R_t = R₀ (1 + At + Bt²) при 0 ºС ≤ t ≤ +650 ºС;

где R₀ – сопротивление при t = 0 ºС, А = 3,968 · 10^-3 К^-1;

В = 5,847·10^-7; С = - 4,22·10^-12 К ^-4.

Для медного терморезистора

R_t = R₀ (1 + αt) при -50 ºС ≤ t ≤ +180 ºС;

где α = 4,26·10^-3 · К^-1 – температурный коэффициент электрического сопротивления меди.

Помимо платины и меди для изготовления терморезисторов иногда используют никель (для диапазона измеряемых температур от -50 до +200 ºС).

Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы) различных типов, которые характеризуются большей чувствительностью (температурный коэффициент сопротивления (ТКС) термисторов отрицательный и при 20 ºС в 10 - 15 раз превышает ТКС меди и платины) и имеют более высокие сопротивления (до 1 Мом) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов – плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования:

R_T = R₀exp[B(1/T – 1/T₀)],

где R_T и R₀ – сопротивления термистора при температурах Т и Т₀;

Т₀ – начальная температура рабочего диапазона; В – коэффициент.

Термисторы изготовляют из сплавов различных металлов (теллура, урана, серебра, марганца, никеля и др.). Конструктивно термисторы выполнены в виде шарика, трубки или диска из полупроводника с металлическими выводами. Для защиты от влияния влаги термисторы покрывают лаком или стеклом, а также размещают в герметичных стеклянных баллонах.

Статическая характеристика термисторов нелинейна:

R_t1 = R₀е^-β(t1-t0) = R₀[1 – β(t₁ – t₀) + β²/2(t₁ – t₀)² - …],

где R_t1, R₀ – сопротивления термистора при температурах t₁ и t₀;

β = -2,5 + 4,0%/ºС – температурный коэффициент.

Преимуществами термисторов являются высокая чувствительность и малая постоянная времени, а недостатками – нелинейная статическая характеристика и большой разброс параметров. Для измерения сопротивления R применяют обычно также как в случае с терморезисторами мостовые измерительные схемы.

Таблица 4