Терморезисторы

Терморезисторы – это параметрические датчики температуры, использующие зависимость электрического сопротивления металлов и полупроводников от температуры: Терморезисторы называют также термометрами сопротивления или термосопротивлениями. Применяются для измерения температуры в широком диапазоне от 270 до 1600°С с высокой степенью точности до 0,020С.

Термометр сопротивления представляет собой металлическую проволоку 1, намотанную на изоляционный каркас 2 и закрытый защитным кожухом 3 с выводами 5 закрепленными в изоляционной колодке 4.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы. Металлические терморезисторы изготовляют из чистых металлов, таких как медь, платина, никеля, железо и др. Материалы для терморезисторов должны обладать следующими свойствами: высоким температурным коэффициентом; высоким удельным сопротивлением; дешевизной и постоянством физических свойств во времени. Термопреобразователи сопротивления подразделяют на платиновые, медные и датчики температуры.

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) изготовляют из неизолированной проволоки диаметром 0, ,1 мм. Для каркаса платиновых термометров используют плавленый кварц или керамику на основе окиси алюминия. Платиновые термопреобразователи сопротивления выпускают двух модификаций: одинарные и двойные для работы с двумя вторичными приборами. Основными недостатками платины являются высокая стоимость и возможность загрязнения.

Медные терморезисторы (ТСМ) выполняются из проволоки диаметром не менее 0,1 мм, покрытой для изоляции эмалью и предназначены они для измерения температуры воздуха при атмосферном давлении. К достоинствам меди в первую очередь следует отнести низкую стоимость и возможность получения очень тонкой проволоки высокой степени чистоты.

Полупроводниковые термометры сопротивления предназначены для измерений температуры в диапазоне от -90 до +1800С. По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые имеют меньшие размеры и обладают значительно большей чувствительностью. Существенный недостаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с металлическими непостоянство температурного коэффициента сопротивления. С ростом температуры он сильно падает, т. е. терморезистор имеет нелинейную характеристику. При массовом производстве они дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.

Серийно выпускаются две группы терморезисторов: с отрицательным и положительным температурным коэффициентом сопротивления. Первые получили название термисторов, а вторые позисторов.

Конструкция полупроводникового термистора 1 – полупроводниковый стержень; 2 – контактные колпачки; 3- токоотводы; 4 – металлическая фольга; 5 – металлический чехол; 6 – стеклянный изолятор

У термисторов температурный коэффициент в 8 10 раз больше, чем у чистых металлов, но он отрицательный, т. е. при увеличении температуры сопротивление термистора уменьшается. Значения сопротивления термистора и его температурного коэффициента весьма велики, что обеспечивает высокую точность измерения температуры. В зависимости от материала термисторы подразделяют на медно-марганцевые (ММТ) и кобальто-марганцевые (КМТ). Диапазон измеряемых ими температур °С.

Позисторы изготовляют из титаната бария со специально подобранными примесями, которые придают ему свойства полупроводника с резкой зависимостью сопротивления от температуры. Положительный температурный коэффициент позисторов в 34 раза больше, чем у термистора, а постоянная времени их в 56 раз меньше. Кроме того, их отличает наличие так называемого вариаторного эффекта, который выражается в уменьшении сопротивления позистора с увеличением приложенного напряжения. Этот эффект оказывает существенное влияние на температурные характеристики позистора.

Измерительные приборы и устройства к терморезисторам В качестве вторичных приборов, работающих с термометрами сопротивления нашли применение логометры, уравновешенные и неуравновешенные мосты на постоянном и переменном токе.

Логометры - приборы, предназначенные для измерения температуры с помощью термометров сопротивления. Они построены по принципу сравнения сил токов в цепях термометра и постоянного сопротивления. Логометры являются магнитоэлектрическими приборами, подвижная система которых состоит из двух рамок, расположенных под углом друг к другу. Угол поворота «φ», а, следовательно, и стрелки, скреплённой с ними, будет функцией отношения токов в обеих рамках.

Две рамки А и Б расположены в поле постоянного магнита NS и жестко соединены между собой. Ток источника питания проходит по одной цепи через резистор R в обмотку рамки Б, а по параллельной цепи – через термометр сопротивления Rt в обмотку рамки А. катушки рамок включены таким образом, что проходящий по ним ток создаёт моменты вращения, направленные встречно.

Рамки вращаются в зазоре между магнитом и сердечником. Ширина зазора различна, что создаёт неравномерное магнитное поле. Проходя по обмотке рамки А, ток I создаёт момент вращения М2, направленный в противоположную сторону. Если сопротивление R и Rt равны, то I1=I2, а М1=М2. При увеличении сопротивления термометра Rt вследствие нагрева величина тока I1 становится меньше, а вместе с этим уменьшается и момент М1, рамки начнут поворачиваться в направлении против часовой стрелки. При этом рамка Б попадает в область более широкого зазора, где магнитное поле слабее, а рамка А, наоборот, попадает в область более сильного поля. Так как моменты вращения М1 и М2 прямо пропорциональны напряжённости магнитного поля, то величина момента М1, наоборот, увеличивается. Равновесие устанавливается при равенстве моментов М1 и М2. Токи I1 и I2 пропорциональны напряжению источника питания и при его измерении также изменяются в одинаковой степени. Следовательно, показания логометра не зависит от напряжения тока.

Термоэлектрические термометры, измерительные приборы и устройства к ним В 1821 году Т. Зеебеком было открыто термоэлектрическое явление, заключающееся в том, что в цепи, составленной из двух соединенных между собой проводников А и Б (рис ) при наличии разности температур в точках соприкосновения (спаях) 1 и 2 возникают две термоэлектродвижущие силы (термо- э.д.с.).

Термоэлектрическим термометром называется устройство, которое состоит из термоэлектрического преобразователя (термопары), вторичного измерительного прибора и соединительных проводов.

Термопара – это цепь, составленная из двух разнородных материалов; проводники, составляющие термопару, называются термо электродами; места соединения термо электродов спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим, а спай, относительно которого измеряется температура - холодным или свободным. Возникающая при различии температур горячего и холодного спаев э.д.с. называется термо-э.д.с.. По значению этой термо-э.д.с. можно определить температуру. Термопары, предназначены для дистанционного измерения и контроля температур в широких пределах (от 100° до +2000° С).

Существует достаточно много различных материалов, которые в паре друг с другом образуют термопару и чтобы облегчить подбор материалов для термо электродов необходимо определить их термоэлектрические свойства по отношению к одному материалу, так называемому нормальному термоэлектроду. В качестве материала для нормального термо электрода принята чистая платина. Все материалы по своим термоэлектрическим свойствам можно условно подразделить на положительные и отрицательные. Положительными называют материалы, у которых в паре с платиной ток в более горячем конце течет от платины к этому материалу, а отрицательными у которых ток течет в обратном направлении.

Металлическая термопара состоит из двух специально подобранных проволок, одни концы которых спаяны или сварены, а другие подключаются к вторичному прибору. Если спаянный конец нагреть, то на свободных (холодных) концах появляется так называемая термо-э.д.с., значение которой пропорционально разности температур нагретого и свободных концов и зависит от материала проволок Конструкция термопары: 1 – защитный корпус; 2- изоляционные трубки; 3 – проволоки; 4- окно; 5- горячий спай.

Полупроводниковые термопары получают все большее распространение в автоматике. Если для металлов значения термо-э.д.с. составляют всего 0,0060,06 мВ/град, то для полупроводниковых термопар они доходят до 0,11,0 мВ/град, то есть превосходят первые в десятки раз.

Скоростные термопары предназначены для измерения скорости изменения температуры. Такая термопара составлена из двух последовательно соединенных термопар. Один их спай помещен в термоизоляционную гильзу, а второй открыт. Термопары соединены не только последовательно, но и встречно, поэтому, когда контролируемая температура неизменна, термо-э.д.с. каждого спая взаимно равны и направлены навстречу друг другу. При изменении температуры термо-э.д.с. открытого спая следует за изменением температуры практически безынерционно, а термо- э.д.с. спая, помещенного в гильзу, из-за тепловой инерционности гильзы меняется с большим замедлением. Вследствие этого на выходе появляется разность термо-э.д.с., значение которой пропорционально скорости, а знак соответствует знаку изменения температуры.

1 горячий спай; 2 термоизоляционная гильза для инерционного спая.