Лекция 3. Терморезисторы, основы их расчета и применяемые материалы

Таблица 12-1

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 1 приведены термо-ЭДС(которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая Θ₁ = 100 °С и температуре сво­бодных концов Θ₀ = 0 °С. Зависи­мость термо-ЭДС от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейная, поэтому данные табли­цы нельзя распространить на более высокие температуры. В качестве при­мера на рис.12-3 приведена зависи­мость Е = f(Θ) для одной из наи­более распространенных термопар платинородий — платина.

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых разви­вает с платиной положительную, а другой — отрицательную термо-ЭДС. При этом необходимо учитывать так­же пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, тем­пературы и т. д.).

Рис. 12-3.

Материалы, применяемые в промышленных термопарах, обусловлены ГОСТ 6616—74. Однако используется и ряд специальных термопар, например, при измерениях тепловой радиации, для измерений температуры нагревателей в термоанемометрах и вакуумметрах, в термоэлементах термоэлектрических амперметров, вольт­метров и ваттметров. Термопары этого типа работают при сравни­тельно небольших температурах, но для по­вышения чувствительности преобразовате­лей мощности в температуру должны об­ладать минимальной теплоемкостью и ми­нимальнымкоэффициентом теплоотдачи. Поэтому такие термопары выполняются из топкой проволоки диаметром d ≈ 5 ÷ 10 мкм.

Для повышения выходной ЭДС исполь­зуется несколько термопар, образующих термобатарею. На рис.12-4 показан чув­ствительный элемент радиационного пиро­метра. Рабочие спаи термопар располо­жены на черненом лепестке, поглощающем излучение; свободные концы — на массивном медном кольце, служащем токоотводом и при­крытом

Рис.12-4

экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.

Для измерения температур используются терморезисторы из материалов, обладающих высокостабильным ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материа­лам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.

Сопротивление платиновых терморезнсторов в диапазоне темпера­тур от 0 до +650 °С выражается соотношением R _Θ = R₀ (1 + A Θ+ В Θ ²), где R_o — сопротивление при 0 °С; Θ — температура, ⁰С. Для платиновой проволоки с отношением R₁₀₀/Ro = 1,385 значения А = 3,90784·10^-3 К^-1; В = 5,7841·10^-7 K^-2. В интервале температур от 0 до —200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид R _Θ = R₀ [1 + А Θ+ B Θ² + С (Θ- 100) Θ³], где С =4,482-10^-12 К^-4. Промышленные платиновые термометры согласно ГОСТ 6651—78 используются в диапазоне температур от —260 до +1100°С.

Миниатюрные высокоомные платиновые терморезисторы изготов­ляют путем вжигания или нанесения иным путем платиновой пленки на керамическое основание толщиной 1—2 мм. При ширине пленки 0,l—0,2 мы и длине 5—10 мм сопротивление терморезистора лежит в пределах 200—500 Ом. Такого рода термочувствительные элементы при нанесении пленки с обеих сторон используются для измерения температурного градиента и имеют порог чувствительности (1 ÷ 5)10^-5 К/м.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне тем­ператур от —50 до +180 °С можно пользоваться формулой R _Θ = R_o (1+α Θ), где α = 4,26·10^-3 К^-1; R₀ — сопротивление при 0 °С. Если для медного терморезистора требуется определить сопротив­ление R _Θ(при температуре Θ ₂) по известному сопротивлению R _Θ, (при температуре Θ₁), то следует пользо­ваться формулой R _{Θ 2} = R _Θ1(1+αΘ₂)/(1 + αΘ₁).

Медный терморезистор можно применять только до температуры 200 °С в атмосфере, свободной от влажности и корродирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивления равен —200 °С, хотя при введении индивидуальной градуировки возможно их применение вплоть до —260 °С.

Погрешности, возникающие при измере­нии температуры термометрами сопротивле­ния, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, со­единяющей термометр с измерительным при­бором, перегревом термометра измерительным током. В частности, В. И. Лахом для определения допустимого изме­рительного тока через термометр в диапазоне измеряемых температур до 750 °С приводится соотношение I = 2d^1,5 ΔΘ^0,5, где I — ток, А; d — диаметр проволоки термометра, мм; ΔΘ — допустимое прира­щение показаний термометра за счет его нагревания током. В диа­пазоне температур от —50 до +100 °С перегрев находящегося в спо­койном воздухе провода диаметром d = 0,05 ÷ 0,1 мм определяется из формулы ΔΘ = 5I²/d².

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС.

ТКС полупроводниковых терморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной темпера­туры: α = В/Θ². При 20 °С ТКС составляет 0,02—0,08 К^-1.