3.3. Датчики температуры. Термочувствительные преобразователи сопротивления (терморезисторы)

Принцип действия терморезисторов основан на зависимости электрического сопротивления R проводников или полупроводников от температуры. Для измерения температуры наиболее распространены термопреобразователи сопротивления (терморезисторы), выполненные из платиновой или медной проволоки.

Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры в диапазоне от -200 ºС до +1100 ºС, медные терморезисторы – в диапазоне от -200 ^оС до +200 ºС.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления платиновых (ТСП) и термопреобразователей сопротивления медных (ТСМ) одинаков и основан на свойстве платины или меди, по которым протекает электрический ток, изменять электрическое сопротивление при изменении контролируемой температуры. Изменение сопротивления термопреобразователя регистрируется измерительным прибором, шкала которого градуирована в градусах Цельсия. Измерительные приборы, с которыми работают терморезисторы (ТСП и ТСМ), имеют мостовую измерительную схему с автоматическим уравновешиванием. Для измерения температуры используют так называемые терморезисторы с малой плотностью тока (без преднамеренного перегревания), в которых величина сопротивления определяется температурой окружающей среды. Они бывают металлические и полупроводниковые. Довольно широко распространены металлические проволочные терморезисторы в виде бифилярной обмотки на каркасе из пластмассы, слюды или другого изоляционного материала, расположенного в защитной арматуре из нержавеющей стали.

Для примера на рис. 4 показано устройство платинового терморезистора. В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно. К концам спирали припаивают выводы 4, используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамической трубки производят глазурью 1. Каналы керамической трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, исполняющего роль изолятора и фиксатора платиновой спирали. Порошок безводного оксида алюминия, имеющий высокую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инерционность терморезистора. Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру из нержавеющей стали.

в 3 2 1

t1

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

Статические характеристики промышленных термопреобразователей

Номинальная статическая характеристика преобразования медных термопреобразователей
Температура рабочего конца, 0 С	Сопротивление, Ом, для температуры, 0 С
	0	(±)1	(±)2	(±)3	(±)4
Преобразователь типа ТСМ 10 М
-50	7,848	-	-	-	-
-40	8,281	8,238	8,195	8,151	8,108
-30	8,712	8,669	8,626	8,583	8,540
-20	9,142	9,099	9,056	9,130	8,970
-10	9,572	9,529	9,486	9,443	9,4
-0	10,0	9,957	9,914	9,872	9,829
0	10,0	10,0043	10,0085	10,128	10,17
10	10,428	10,471	10,514	10,557	10,599

Продолжение таблицы 4

Номинальная статическая характеристика преобразования медных термопреобразователей
Температура рабочего конца, 0 С	Сопротивление, Ом, для температуры, 0 С
	0	(±)1	(±)2	(±)3	(±)4
20	10,856	10,899	10,942	10,985	11,028
30	11,384	11,327	11,370	11,413	11,456
40	11,712	11,755	11,798	11,841	11,884
50	12,140	12,183	12,226	12,269	12,312
60	12,568	12,611	12,654	12,697	12,740
70	12,996	13,039	13,083	13,125	13,168
80	13,424	13,467	13,510	13,553	13,595
90	13,852	13,895	13,938	13,981	14,023
170	17,275	17,318	17,360	17,403	17,446
180	17,703	17,745	17,788	17,831	17,874
190	18,130	18,173	18,216	18,259	18,302
200	18,558	-	-	-	-
	(±)5	(±)6	(±)7	(±)8	(±)9
-50	-	-	-	-	-
-40	8,065	8,022	7,978	7,935	7,892
-30	8,497	8,454	8,410	8,367	8,324
-20	8,927	8,884	8,841	8,798	8,755
-10	9,357	9,314	9,271	9,228	9,185
-0	9,786	9,743	9,7	9,658	9,615
0	10,213	10,256	10,298	10,341	10,383
10	10,642	10,685	10,728	10,771	10,814
20	11,070	11,113	11,156	11,199	11,242
30	11,498	11,541	11,584	11,627	11,670
40	11,926	11,969	12,012	12,055	12,098
50	12,354	12,397	12,440	12,483	12,526
60	12,782	13,825	12,868	12,911	12,954
70	13,210	13,253	13,296	13,339	13,381
80	13,638	13,681	13,724	13,767	13,809
90	14,066	14,109	14,152	14,195	14,237
100	14,922	14,965	15,007	15,050	15,093
110	14,922	14,965	15,007	15,050	15,098
120	15,350	15,392	15,435	15,478	15,521
130	15,777	15,820	15,863	15,906	15,949
140	16,205	16,248	16,291	16,334	16,376
150	16,633	16,676	16,719	16,762	16,804
160	17,061	17,104	17,146	17,189	17,232
170	17,489	17,532	17,574	17,617	17,660
180	17,917	17,959	18,002	18,045	18,088

Окончание табл. 4

Номинальная статическая характеристика преобразования медных термопреобразователей
Температура рабочего конца, 0 С		Сопротивление, Ом, для температуры, 0 С
		0		(±)1		(±)2			(±)3		(±)4
190		18,344		18,387		18,430			18,473		18,516
200		-		-		-			-		-
Номинальные статические характеристики преобразования платиновых термопреобразователей
Термопреобразователь ТСП 50П							Термопреобразователь ТСП 100П
Темпера-тура рабочего конца, 0 С	Сопро- тивление, 0С		Темпера-тура рабочего конца, 0 С		Сопро- тивление, 0С		Темпера-тура рабочего конца, 0 С	Сопро- тивле-ние, 0С		Темпера-тура рабочего конца, 0 С		Сопро- тивле-ние, 0С
0	50		550		150,255		0	100		550		300,51
50	59,855		600		158,48		50	119,71		600		333,10
100	69,745		650		166,65		100	139,1		700		348,93
150	79,11		700		174,465		150	158,22		750		364,47
200	88,515		750		182,235		200	177,03		800		379,72
250	97,775		800		189,86		250	195,55		850		394,67
300	106,89		850		197,335		300	213,78		900		409,33
350	115,855		900		204,665		350	231,71		950		423,70
400	124,68		950		211,85		400	249,36		1000		437,78
450	133,355		1000		218,89		450	267,71		-		-
500	141,88		-		-		500	283,76		-		-

Динамическая характеристика терморезистора определяется тепловой инерцией при его резком нагревании или охлаждении. Реакция терморезистора на единичный импульс температуры может быть выражена экспонентой вида

t = t_уст(1 – е^-t/T),

где Т = [C_p · G] / [k · S] - постоянная времени терморезистора, определяемая его параметрами и условиями теплоотдачи, с;

С_р – удельная теплоемкость терморезистора, Дж/(кг·К);

G – масса терморезистора, кг;

k – коэффициент теплообмена (теплоотдачи), Вт/(м²·К);

S – площадь поверхности терморезистора.

Отметим, что кроме измерения температуры терморезисторы применяются, для измерения состава газовых смесей, степени разряжения, а также для измерения скорости газового потока (следовательно, и его расхода). Это так называемые терморезисторы с нагревом или большой плотностью тока.