Дослідження характеристик і параметрів терморезистивних перетворювачів

Принцип дії терморезистивних перетворювачів базується на властивості провідників або напівпровідників змінювати електричний опір при зміні температури. Для перетворень температури використовують матеріали, які мають високу стабільність ТКО, високу відтворюваність електричного опору для даної температури, значний питомий електричний опір і високий ТКО, стабільність хімічних і фізичних властивостей під час нагрівання, інертність до дії досліджуваного середовища.

З провідникових матеріалів широко застосовується платина. Її ТКО в діапазоні 0…100 ⁰С становить приблизно , питомий опір при 20 ⁰С становить , діапазон перетворюваних температур – -260…+1300⁰С.

Температурна залежність опору платини в діапазоні 0…650⁰С описується рівнянням Каллендара

,

де , - опори перетворювача при температурі Т і 0⁰С; А і В – сталі коефіцієнти:

,

.

В діапазоні температур 0…-200⁰С залежність опору платини від температури має вигляд

,

де – сталий коефіцієнт.

Наведені залежності є досить точною апроксимацією функції перетворення платинових терморезисторів в діапазоні температур -200…+650⁰С, які використовуються в цьому діапазоні для відтворення міжнародної температурної шкали як еталонні.

До недоліків платинових перетворювачів температури належать досить висока забруднюваність платини при високих температурах парами металів (особливо заліза), порівняно невисока хімічна стійкість.

Мідь, внаслідок низької вартості і досить високої стійкості до корозії широко застосовується в перетворювачах температури в діапазоні -50…+180⁰С. Температурний коефіцієнт опору міді , залежність електричного опору від температури – лінійна:

.

До недоліків мідних перетворювачів температури належать висока окислюваність під час нагрівання, внаслідок чого вони застосовуються у вказаному, досить вузькому, діапазоні температур у середовищах з низькою вологою та при відсутності агресивних газів.

Крім платини та міді, для чутливих елементів термоперетворювачів температури використовують нікель, вольфрам та інші чисті метали.

Нікель є хімічно стійким матеріалом навіть при високих температурах, але має складну залежність опору від температури і невисоку її відтворюваність. У діапазоні температур -50…+180⁰С температурна залежність опору нікелю така:

,

де , , – сталі коефіцієнти.

Тугоплавкі метали – вольфрам, молібден, тантал і ніобій застосовуються обмежено. Вплив рекристалізації та росту зерен в результаті дії температури робить чутливий елемент з цих матеріалів крихким і тому дуже чутливим до механічних вібрацій.

Сплави, які мають вищій питомий електричний опір, ніж чисті метали, не застосовуються як матеріали чутливих елементів термоперетворювачів через порівняно низький ТКО, значення якого значною мірою залежить від кількісного та якісного складу домішок. Потрібно також визначити, що незначна кількість домішок у чистих металах практично не змінює характеру залежності їх опору від температури.

Терморезистивні перетворювачі температури, що іменуються стандартом термоперетворювачами опору (ТО), бувають трьох основних різновидів: з платиновими (ТОП), мідними (ТОМ) та нікелевими (ТОН) чутливими елементами і призначені для перетворення температури в діапазоні

-260…1100 ⁰С.

В табл.1 наведені номінальні статичні характеристики (НСХ) деяких металевих терморезисторів.

Таблиця 1

Основні характеристики терморезистивних перетворювачів температури

Тип перетворювача	Діапазон вимірюваних температур, 0С	Клас допуску	Межа допустимого відхилення НСХ, 0С
Платиновий ТОП 1П( =1 Ом) 10П( =10 Ом) 50П( =50 Ом) 100П( =100Ом) 500П( =500Ом)	-260… …+850	А В С	(0,15+0,002 ) від -200 до 850 0С (0,3+0,005 ) від -200 до 1100 0С (0,6+0,008 ) від -100 до 300 0С від 850 до 1100 0С
Мідний ТОМ 10М( =10 Ом) 50М( =50 Ом) 100М( =100Ом)	-200… …+200	А В С	(0,15+0,002 ) від -50 до +120 0С (0,25+0,0035 ) від -200 до +200 0С (0,5+0,0065 ) від -200 до +200 0С
Нікелевий ТОН 100Н( =100Ом)	-60… …+180	С	(0,3+0,0165 ) від -60 до 0 0С (0,3+0,008 ) від 0 до 180 0С

Напівпровідникові терморезистори відрізняються від металевих більшим значенням ТКО, а через те і меншими габаритами та інерційністю. Температурна залежність таких термоперетворювачів досить добре описується формулою:

,

де А, В – сталі коефіцієнти.

Деякі види напівпровідникових терморезисторів наведені у табл.2. Вони відрізняються один від іншого конструктивними та технічними параметрами. Це стержневі напівпровідникові терморезистори, покриті емаллю (ММТ-1, КМТ-1), або герметизовані металевою капсулою (ММТ-4, КМТ-4), краплеподібні, герметизовані склом (СТЛ-19, СТЗ-19) та інші.

Таблиця 2

Основні технічні параметри напівпровідникових терморезисторів

Тип	Номінальний опір при 200С, кОм	Коефіцієнт В, К	Діапазон робочих температур 0С	Стала часу (не більш ніж), с
ММТ-1	1…220	20,6…43	-60…+125	85
КМТ-1	22…1000	36…72	-60…+180	85
ММТ-4	1…220	20,6…43	-60…+125	115
КМТ-4	22…1000	36…72	-60…+125	115
ММТ-6	10…100	>>20,6	-60…+125	35
КМТ-11	100…3300	>>36	0…+125	10
СТ1-17	0,33…22	33…60	-60…+100	30
СТ1-18	1,5…2200	40,5…90	-60…+300	1
СТ3-18	0,68…3,3	22,5…32,5	-90…+125	1
СТ1-19	3,3…2200	42,3…72	-60…+300	3
СТ3-19	2,2…15	29…38	-90…+125	3

Загалом коефіцієнт В не є сталою величиною. Проте залежність опору від температури напівпровідникових терморезисторів в робочому діапазоні може бути досить точно апроксимована двома функціями і визначатися для низьких температур одним значенням В, а для високих – іншим.

Недоліком напівпровідникових терморезисторів, що суттєво знижує їх експлуатаційні якості, є не лінійність залежності опору від температури, значний розкид їх номінальних значень опорів різних зразків, так і їх ТКО.

Схеми включення металевих терморезисторів

Якщо необхідна велика точність вимірювання температури, наприклад, при метрологічних роботах, то використовується компенсаційна схема включення терморезистора.

У менш відповідальних випадках для вимірювання опорів терморезисторів використовують здебільшого зрівноважені мостові кола. Незрівноважені мости застосовуються в пристроях вимірювання температури рідше. До недоліків незрівноваженеих мостів належать не лінійність їх функції перетворення, залежність вихідної напруги від напруги джерела живлення. Проте через їх виняткову простоту при наявності стабілізованих джерел напруги незрівноважені мости використовуються для вимірювання температури у вузькому температурному діапазоні, коли не лінійністю функції пертворення незрівноваженого моста можна знехтувати або зробити вихідний прилад з нелінійною шкалою.

Рисунок1 – Схема незрівноваженого моста для вимірювань температури

Для мостової схеми (рис.1) вихідна напруга визначається як

.

Якщо міст зрівноважений при початковому значенні опору , тобто коли , то для будь якого іншого значення опру термоперетворювача в межах діапазону вимірювань буде

.