Металлические терморезисторы

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

§ 10. 1. Основные понятия

Терморезисторы обладают свойством изменять свое электриче­ское сопротивление при изменении температуры. Они как чувстви­тельные элементы в термометрах сопротивлений получили большое распространение для измерения различных неэлектрических вели­чин [температуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума) и др. ], характеризующих газовую или жидкую среду, в диапазоне температур 220—1000 К.

Терморезисторы изготовляют как из металлов, так и из полу­проводников.

Металлические терморезисторы изготовляют из чистых метал­лов: меди, платины, железа и никеля. У большинства чистых ме­таллов нагрев на 1°С увеличивает электрическое сопротивление на 0, 4— 0, 6%. Наибольшее распространение для изготовления тер­морезисторов получили платина и медь. Железо и никель обладают большим удельным сопротивлением и значительно более высоким, чем другие металлы, температурным коэффициентом сопротивле­ния; однако они сильно окисляются и, кроме того, их трудно изго­товить в чистом виде, что приводит к невысокой воспроизводимости их сопротивления. Следует указать, что сплавы металлов для изго­товления терморезисторов не применяются. Объясняется это тем, что при добавлении в металлы незначительных примесей наруша­ется стабильность характеристики и уменьшается температурный коэффициент сопротивления, характеризующий чувствительность терморезистора к изменению температуры.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) получили широкое применение в автоматике, температурном контроле и из­мерительной технике (для компенсации температурных погрешно­стей). Они изготовляются из окислов металлов никеля, марганца, кобальта, магния, титана, урана и др.

В отличие от металлических терморезисторов термисторы име­ют небольшие размеры, широкий диапазон номинальных сопротив­лений, высокий температурный коэффициент сопротивления; они более чувствительны, относительно недороги и долговечны. Однако при использовании термисторов возникают некоторые проблемы, связанные с нелинейностью температурных характеристик, взаимо­заменяемостью и стабильностью датчиков. Несмотря на общность условий применения металлических и полупроводниковых терморе­зисторов, они имеют различные характеристики и поэтому будут рассмотрены отдельно.

Качество терморезистора характеризуется его чувствительно­стью к изменению температуры и определяется температурным коэффициентом сопротивления α_T, представляющим собой относи­тельное изменение сопротивления ∆R/R на единицу приращения температуры Δθ, т. е. α_т= (ARIR)I∆ θ. Материалы терморезисторов должны иметь большой и постоянный температурный коэффициент сопротивления, большое удельное сопротивление; их физические и химические свойства должны быть устойчивы при высоких тем­пературах.

Лучший материал для изготовления металлических терморези­сторов — платина, из которой изготовляют как технические, так и образцовые и эталонные датчики, пригодные для измерения темпе­ратур в диапазоне 73—800 К. Медь обладает небольшим удельным сопротивлением и окисляется при высоких температурах, т. е. в этом отношении уступает платине. Однако медь относительно недо­рогая, ее легко получить в химически чистом виде и, кроме того, из нее можно изготовить проволоку любого диаметра. Медные термо­резисторы применяют в диапазоне температур 223—423 К. Как медные, так и платиновые терморезисторы выпускают со строго оп­ределенными значениями сопротивлений, обеспечивающими их взаимозаменяемость.

Характеристики некоторых металлов, применяемых для изго­товления терморезисторов, приведены в табл. 10. 1. Если терморе­зисторы помещены в воздухе, то максимальная рабочая температу­ра при длительной работе не может превышать значений, указан­ных в табл. 10. 1.

Таблица 10. 1

Материал терморезисторов	Максимальная рабочая температура θmax	при θmax
Медь		1, 64
Железо		2, 06
Никель		2, 33
Платина		2, 84

Кратность сопротивлений при максимальной и нулевой темпера­турах определяется отношением R _θ /R ₀, где R ₀— сопротивление при 0° С (273 К). Значения этих отношений приводятся в справочных таблицах. Например, для меди при температуре θ = 373 К отноше­ние R _θ /R ₀составляет 1, 426, а для платины при θ = 373 К отношение R _θ /R ₀ = 1, 391.

Если поместить терморезистор в вакуум, нейтральный газ или допустить кратковременную его работу, то можно значительно пре­высить значение максимальной температуры, приведенной, в табл. 10. 1. Например, железный терморезистор, помещенный в кол­бу, наполненную водородом (бареттер), хорошо работает при тем­пературе 973 К, а платиновый терморезистор допускает кратковременную работу при температуре 1273 К. Обычно терморезисторы изготовляют из тонкой проволоки d = 0, 02—0, 06 мм и длиной 5— 20 мм, концы которой закреплены в специальных держателях. Зависимость сопротивления проводников от температуры

(10. 1)

где α_т — температурный коэффициент сопротивления; С — посто­янный коэффициент, зависящий от материала, из которого изготов­лен терморезистор, и его конструктивного оформления; T = = (273 + θ) —абсолютная температура, К; е — основание натураль­ных логарифмов (е = 2, 718).

При начальной температуре T ₀сопротивление проводника

(10. 2)

При произвольной температуре T сопротивление

(10. 3)

Разделив уравнение (10. 3) на (10. 2), получим

(10. 4)

или

Если правую часть выражения (10. 4) разложить в ряд и взять только первые два члена этого ряда, то

R _г= R ₀[1 + α_т(T - T ₀)]. (10. 5)

Величина α_т для диапазона температур 223—423 К может быть принята постоянной, для меди α_T = 4, 3·10 ^-3 К. В пределах темпе­ратур от 273 до 472 К зависимость сопротивления от температуры имеет линейный характер, а свыше 473 К эта линейность наруша­ется.

Для платиновых терморезисторов, работающих в диапазоне температур 223—973 К, учитывая зависимость температурного ко­эффициента сопротивления от температуры, формула (10. 4) с уче­том третьего члена ряда будет иметь вид

R _T, = R ₀[1 + α_т(T - T₀) + β(T ' - T ₀)²].

где α_т = 3, 94∙10^-3 1/К; β_T = 5, 8· 10^-7 1/К².

В интервале температур от 273 до 83 К зависимость сопротив­ления платины от температуры определяется по формуле

R _T = R ₀ [1 + α_T T + β_T T ² + γ_T(T - 100)³],

где γ_T = — 4∙10^-12 1/К².

Из проволочных терморезисторов изготовляют так называемые тер­мометры сопротивления. Наибольшее распространение получили платиновые термометры сопротивления типа ТСП и медные типа ТСМ (см. § 10. 4).

Чувствительность терморезистора к изменению температуры ха­рактеризуется температурным коэффициентом сопротивления

где ∆ R/R — относительное изменение сопротивления; ∆T — прира­щение температуры.

Дата добавления: 2015-05-09