Название терморезистора сопротивление которого с ростом температуры падает

5.5. Термисторы

Хермистор — это полупроводниковое термочувствительное сопротивление. При повышении температуры сопротивление тер-мистора резко уменьшается, а следовательно, увеличивается его электропроводность. Устройство некоторых термисторов приведено на рис. 96. Различают стержневые формы термисторов (рис. 96, а, б), сферические / и дисковые 2 (рис. 96, в).

Основное достоинство термисторов — большой температурный коэффициент сопротивления, равный 3-4% на градус (у платины и меди около 0,4% на градус). Малые габариты термисторов обеспечивают их небольшую тепловую инерционность, что важно при измерении сравнительно быстро меняющихся температур.

Термисторы могут быть изготовлены очень небольших размеров для измерения температур в миниатюрных приборах и в малодоступных местах. Обычное сопротивление термисторов, применяемых для измерения температур, составляет от 1 до 5 кОм. При таком значительном сопротивлении результаты измерений не зависят от длины соединительных проводов. Температурный диапазон применения термисторов составляет от -50 до +180 °С. Выпускают термисторы, работающие и до 450 "С. Измерительные схемы с использованием термисторов принципиально Не отличаются от схем с проволочными термометрами сопротивления. Следует учитывать только, что сопротивление термисторов с ростом температуры падает не линейно, а экспоненциально.

Основным параметром термистора является его вольтамперная характеристика (рис. 96, г). У небольших термисторов, имеющих малую тепловую инерцию, кривая U = f(I) имеет хорошо выраженный максимум, за которым следует падение напряжения с увеличением силы тока. При повышении температуры сопротивление термистора падает, а ток, проходящий через него, растет, что приводит к увеличению выделения энергии в Форме теплоты в самом термисторе. При некоторой температуре ток в измерительной схеме может возрасти настолько, что теплота, выделяемая в термисторе, не будет успевать отводиться,

Рис. 96. Устройство термисторов (о, 6, в) и их вольтамперная характеристика (г): а, б: 1 — вещество, обладающее электрическим сопротивлением; 2 — колпачки; 3 — защитный металлический чехол; 4 — стеклянный изолятор

а это приведет к дальнейшему разогреву и возрастанию тока, а следовательно, и увеличению погрешностей в измерении температуры. Поэтому каждый термистор имеет верхний температурный предел применимости. Для выбора рабочего режима тер-мистора снимают его вольтамперную характеристику. В соответствии с полученной характеристикой подбирают параметры измерительной схемы, которые отвечают левому участку кривой до точки максимума. При замене термистора прибор снова калибруют.

Другим недостатком термисторов является систематическое изменение сопротивления со временем и связанная с этим невысокая воспроизводимость показаний. При 100 "С показания термисторов воспроизводятся в интервале ±0,01 °С. Наибольшей стабильностью показаний термисторы обладают в интервал температур от -60 до +100 °С. Когда термистор помешают герметичный защитный чехол, стабильность их показаний возрастает, но при этом увеличивается их инерционность.

При длительном пользовании термистором измеряемая температура с точностью до 1 °С может воспроизводиться лишь при условии периодически повторяемой калибровки.

В качестве полупроводниковых датчиков температуры могут быть использованы также полупроводниковые диоды и транзисторы- При постоянном значении тока, протекающего в прямом управлении через переход транзистора, изменение напряжения на переходе практически линейно меняется с температурой. Датчиками могут быть как германиевые, так и кремниевые транзисторы.

Измеряем температуру c помощью термистора

Температура является одним из наиболее распространенных параметров, регистрируемых встраиваемой системой. Для таких измерений существует широкий выбор датчиков температуры. Диапазон типов датчиков простирается от экзотических детекторов черного тела до простейших резистивных сенсоров, включая все множество типов, находящихся между этими полюсами. В этой статье я кратко расскажу о терморезисторах с отрицательным температурным коэффициентом (NTC термисторы) – одних из самых распространенных датчиков температуры, используемых в различных встраиваемых системах.

Термисторы

Термистор представляет собой резистивный элемент, как правило, изготовленный из полимера или полупроводника, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Этот тип устройства не следует путать с резистивным датчиком температуры (RTD). Обычно RTD гораздо точнее, стоят дороже и охватывают более широкий диапазон температур.

Существуют два типа термисторов, отличающихся характером зависимости сопротивления от температуры. Если значение сопротивления уменьшается с ростом температуры, мы называем это устройство термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Если сопротивление с ростом температуры возрастает, это устройство известно как термистор с положительным температурным коэффициентом (PTC). Как правило, PTC-устройства используются как средства защиты, а NTC-устройства применяются в качестве термодатчиков. Очень часто NTC термисторы применяются для контроля PN-переходов широкополосных лазерных диодов.

Еще одной характеристикой терморезистора является стоимость. В небольших партиях типичный термистор стоит, как правило, от $0.05 до $0.10 за штуку. Низкая цена и простота подключения делают эти устройства весьма привлекательными для встраиваемых приложений.

Типичный диапазон измерения температуры термистора составляет от –50 °C до +125 °C. Большинство приложений, использующих термисторы, работает в диапазоне от –10 °C до +70 °C, или, как его называют, в коммерческом диапазоне температур окружающей среды.

Типовая погрешность сопротивления термистора достаточно велика. Большинство термисторов изготавливается с допустимым отклонением сопротивления ±5%.

Однако их точность вполне приемлема. Как правило, мы можем рассчитывать, что она находится в диапазоне от ±0.5% до ±1.0%.

Выражение, связывающее температуру и сопротивление термистора, известно как уравнение Стейнхарта-Харта. Это нелинейное уравнение показано ниже.

На Рисунке 1 показан график зависимости сопротивления от температуры для NTC термистора ERTJZET472 компании Panasonic. Этот график показывает, что на линейной шкале зависимость сопротивления от температуры очень нелинейна.

Рисунок 1.

График зависимости сопротивления от температуры для NTC термистора компании Panasonic.

Как правило, термисторы оцениваются по параметру, известному как значение R25. Это типовое сопротивление термистора при 25 °C. Значение R25 для данного термистора составляет 4700 Ом.

Мы можем легко подключить термистор к маломощному источнику тока. Затем мы можем считать напряжение с помощью АЦП и сравнить полученный результат с соответствующей строкой просмотровой таблицы, чтобы узнать истинную температуру. Мы также можем попытаться линеаризовать зависимость сопротивления от температуры.

В некоторых системах с ограниченной памятью мы просто не можем позволить себе такую роскошь, как создание таблицы преобразования. Поэтому в таком приложении показания термистора мы попытаемся линеаризовать.

Приближение первого порядка показывает нам, что сопротивление термистора примерно обратно пропорционально температуре. Учитывая это, мы можем создать схему обратной пропорции, чтобы попытаться линеаризовать кривую зависимости сопротивления от температуры. Из Рисунка 2 видно, как это делается.

Рисунок 2.

Схема линеаризации характеристики NTC термистора.

Если бы мы действительно хотели сэкономить деньги, то могли бы убрать источник опорного напряжения. Для этого потребуется определенная дополнительная фильтрация, чтобы устранить любые шумы источника питания. Важно, что АЦП и термисторная цепь имеют один источник опорного напряжения. Это позволяет нам использовать логометрический метод измерения для термистора относительно показаний АЦП. То есть, измерение будет независимым от напряжения возбуждения интерфейсной цепи термистора.

Показания температуры зависят только от сопротивления смещения (RB) и сопротивления термистора (RTH). Мы можем назвать их отношение коэффициентом деления (D). Выражение для коэффициента деления не отличается от выражения для простого делителя напряжения (Уравнениие 2).

На Рисунке 3 показан набор кривых для различных значений сопротивления смещения линеаризующей цепи термистора. Эти графики также демонстрируют достаточную степень линейности в диапазоне от 0 до 70 °C; при этом наилучшая линейность достигается с более низким сопротивлением резистора смещения.

Рисунок 3.

График зависимости коэффициента деления от температуры при различных значениях сопротивления смещения.

Другим, более хорошим способом взглянуть на это является изображение на графике разности между значениями температуры, взятыми из документации, и линеаризованными значениями. Такой график приведен на Рисунке 4. Этот рисунок также демонстрирует, что лучшая линейность достигается при меньшем значении сопротивления смещения. График показывает, что резистор номиналом 2 кОм даст линейность примерно ±3 °C в диапазоне температур от 0 до 70 °C.

Рисунок 4.

Относительные ошибки для различных сопротивлений резисторов смещения.

В этом примере линейное выражение для зависимости температуры от коэффициента сопротивлений при номинале резистора смещения 2 кОм приведено в Уравнении 3.

T – температура в градусах Цельсия,
D – коэффициент деления.

На резистивный делитель и АЦП подается одно и то же опорное напряжение. Таким образом, мы можем легко вывести зависимость коэффициента деления от показаний АЦП. Если предположить, что преобразователь имеет разрядность N бит, то получим соотношение, показанное в Уравнении 4.

D – коэффициент деления,
ADC – показания АЦП,
N – разрядность АЦП (количество бит).

Подставив Уравнение 4 в Уравнение 3, получим выражение, связывающее показания АЦП с температурой. Оно представлено Уравнением 5.

Выводы

Иногда, как разработчикам встраиваемой электроники, нам приходится решать проблему подключения датчика к системе. В этой статье я рассмотрел простую схему датчика температуры на основе термистора и показал, как линеаризовать температурную зависимость сопротивления.

Одним из основных преимуществ использования термисторов является их цена. Как правило, при покупке в небольших количествах эти датчики стоят примерно от $0.05 до $0.10. Точность для этих датчиков вполне приличная. Обычно допуск сопротивления или допуск R25 для этих устройств составляет от ±3% до ±5%. Поэтому схема линеаризации с нелинейностью ±3 °C также может считаться удовлетворительной.

Конечно, мы всегда можем использовать более дорогой датчик, который даст более точный результат. К подобным типам датчиков можно отнести:

1. Датчики с PN-переходом. Низкая стоимость, приемлемая точность.
2. Микросхемы датчиков температуры. Обычно они представляют собой некоторую разновидность датчиков с PN-переходом.
3. Резистивные датчики температуры (RTD). Они, как правило, очень точны и значительно дороже.
4. Термопары. Их диапазон измерения обычно намного больше, а цена сравнительно невысока.
5. Инфракрасные датчики. Чаще всего их используют для измерения тепловых излучений, уровни которых затем преобразуют в температуру.

Это лишь несколько из тех методов, с помощью которых можно измерять температуру. О некоторых из них, возможно, я смогу рассказать в будущей статье.

А как вы измеряете температуру в своей встраиваемой системе? Вы видите, что я показал очень дешевый способ измерения этого физического параметра. Но помимо него существует еще уйма других методов.

Терморезисторы

Известно, что большинство металлов и полупроводников меняют при нагреве электрическое сопротивление. Химически чистые металлы, как правило, обладают положительным темпе­ратурным коэффициентом сопротивления (ТКС), т. е. с ростом температуры их сопротивление растет. В интервале температур 0••• 100 °С ТКС составляет 0,35 … 0,68 %/К.

Для измерения температур используются материалы, облада­ющие:

стабильным по времени ТКС;

линейной зависимостью сопротивления от температуры (по­стоянным по температуре ТКС);

большим удельным сопротивлением;

хорошей воспроизводимостью (малым разбросом свойств тер­мосопротивлений при изготовлении);

устойчивостью к воздействиям окружающей среды.

В первую очередь таким требованиям удовлетворяет платина.

Из-за низкой стоимости получили широкое распространение тер­мосопротивления из меди, вольфрама и никеля.

Зависимость сопротивления платиновътх терморезисторов от температуры выражается соотношениями: в диапазоне 0. 650 °С

Дешевые медные терморезисторы можно применять до темпера­тур порядка 200 °С в атмосфере, свободной от влажности и корроди­рующих газов. При введении нелинейной температурной поправки их можно использовать для измерения температур вплоть до 260 °С.

Промышленные платиновые терморезисторы работают в диа­пазоне температур 200. 650 °С (известны случаи использования их при температурах 264. 1000 °С).

Никелевые терморезисторы обладают высоким сопротивлени­ем и, как следствие, высокой разрешающей способностью, однако при температурах выше 100 ° С их характеристика становится нелинейной, а при 300 °С и выше ТКС становится неоднозначным. Медные и никелевые терморезисторы выпускают в стеклянной герметизирующей изоляции, что повышает стабильность их ха­рактеристик и коррозионную стойкость.

Вольфрамовые терморезисторы применяют до температур по­рядка 400 °С (при более высоких температурах металл окисляется). Некоторые характеристики основных металлов, применяемых при изготовлении терморезисторов, приведены в табл. 3.4.

Удельное сопротивление при 20 °С, Ом • мм/м

Температура плавления, °С

Термометры сопротивления являются одними из наиболее точных преобразователей температуры. Так, платиновые терморезисторы по­зволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0,001 °С.

Выпускают промышленные проволочные терморезисторы (тер­мометры сопротивления) двух типов: платиновые ТСП и медные ТСМ.

Чувствительный элемент термометра сопротивления, выпол­ненный в виде спирали или катушки на слюдяном (ТСП) или пластмассовом (ТСМ) каркасе, помещен в герметический корпус из металлической гильзы с резьбовым штуцером и головкой с четырьмя выводами для подключения к измерительной цепи двух-, трех- или четырехпроводной линией.

Платиновые термометры ТСП изготавливаются с сопротивле­нием при 0°С R_o = 10 Ом (так называемая градуировка 20) для измерения температур 0. 650 °С, и с R_o = 46 Ом и R_o = 100 Ом для температур от 200. 500 °С.

Медньre термометры ТСМ изготавливаются с R_o = 53 Ом или R_o = 100 Ом для измерения температур в диапазоне -50. + 180 °С. На рис. 3.27 приведено устройство платинового термометра сопротивления. Платиновая проволока 1 намотана на слюдя­ную пластину 2 с нарезкой. Снаружи проволока накрыта слю­дяными накладками 4 и закреплена серебряной полоской 3. Ка­тушка 5 и серебряные выводы б помещены в металлический защитный чехол 7.

Полупроводниковые терморе­зисторы (термисторы) из герма­ния, индия, смеси меди с мар­ганцем (тип ММТ), смеси ко­бальта с марганцем (тип КМТ) обладают по сравнению с метал­лическими терморезисторами меньшими габаритными размера­ми и большим ТКС. Рабочий тем­пературный диапазон составляет -60. +300 °С. С ростом температу­ры сопротивление падает (а < 0), причем зависимость сопротивле­ния от температуры существен­но нелинейна.

На рис. 3.28 для сравнения приведена температурная зависи­мость для меди и полупровод­ника, хорошо аппроксимируемая формулой

где А- коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В­ коэффициент, имеющий размерность температуры; 6- абсолют­ная температура в К.

Коэффициенты А и В, как правило, не зависят от температуры и определяются экспериментально.

Если А и В неизвестны, но известны R, и R_z при температурах 6, yt 0, , то для температуры 0

Полупроводниковые терморезисторы имеют номинальное со­противление в диапазоне 0,33 . 1000 кОм, предельная рабочая тем­пература медно-марганцевых термисторов (ММТ) — 120 °С, ко­бальтово-марганцевых термисторов (КМТ) — 180 °С.

Основным недостатком полупроводниковых терморезисторов (помимо нелинейной характеристики) является значительный разброс от образца к образцу как номинального сопротивления (± 20 %), так и постоянной В(± 17 %). Это требует индивидуаль­ной градуировки преобразователей, что затрудняет их массовое использование.

Конструктивное исполнение терморезисторов может быть раз­личным. Металлические терморезисторы часто выполняют подоб­но тензорезисторам (см. рис. 3.17, а) в виде высокотеплопровод­ной подложки 1, чувствительного элемента из медной или плати­новой проволоки 2 и выводных электродов 3.

Серийно выпускаемые полупроводниковые терморезисторы внешне подобны обычным высокоомным резисторам. Они состо­ят из полупроводникового стержня (или таблетки), покрытого краской или герметичной металлической или стеклянной оболоч­кой диаметром 3. 7 мм и металлических выводных проводников. На рис. 3.29 приведены примеры конструкций термисторов, со­стоящих из полупроводникового стержня 1, контактных колпач­ков 2 с токоотводами 3. Стержень 1 часто защищается фольгой 4 и стеклянным изолятором 6 и помещается в корпусе 5.

В качестве измерительной цепей для термосопротивлений, как правило, используют обычные неравновесные мосты. Во избежа­ние нагрева чувствительного элемента измерительным током напряжение питания моста выбирается в диапазоне 1,5. 5 В, обеспечи­вающее ток через элемент порядка нескольких миллиампер.

Особенностью металлических термосопротивлений является сравнительно узкий диапазон изменения и малое сопротивление чувствительного элемента, что требует учета сопротивления со­единительных проводов и изменения при их нагреве. Например, если используется медный терморезистор с сопротивлением R

_ = 53 Ом совместно с медной соединительной линией сопротивле­нием R„ = 5 Ом, то изменение общего сопротивления цепи

Терморезисторы

Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от тем-гературы. Терморезисторы называют также термометрами сопро­тивления или термосопротивлениями. Они применяются для !змерения температуры в широком диапазоне от —270 до 1600°С.

Если терморезистор нагревать проходящим через него электри­ческим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Так как интенсивность тепло­обмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой сходится терморезистор, от скорости перемещения терморезисто­ра относительно газовой или жидкой среды, то терморезисторы ис­пользуются и в приборах для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисто­ры. Металлические терморезисторы изготовляют из чистых метал­лов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и воль­фрама. Для большинства чистых металлов температурный ко­эффициент электрического сопротивления составляет примерно (4—6,5)10 -3 1/°С, т. е. при увеличении температуры на 1°С со-противление металлического терморезистора увеличивается на 0,4— 0,65%. Наибольшее распространение получили медные и платино­вые терморезисторы. Хотя железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температурный коэффи­циент сопротивления, чем медные и платиновые, однако применя­ются они реже. Дело в том, что железо и никель сильно окисляют­ся и при этом меняют свои характеристики. Вообще добавление в металл незначительного количества примесей уменьшает темпе­ратурный коэффициент сопротивления. Сплавы металлов и окис­ляющиеся металлы имеют низкую стабильность характеристик. Однако при необходимости измерять высокие температуры прихо

дится применять такие жаропрочные металлы, как вольфрам и
молибден, хотя терморезисторы из них имеют характеристики не­
сколько отличающиеся от образца к образцу. ‘

Широкое применение в автоматике получили полупроводнико­
вые терморезисторы, которые для краткости называют термисто-
рами. Материалом для их изготовления служат смеси оксидов мар­
ганца, никеля и кобальта; германий и кремний с различными пои-
месями и др. к

По сравнению с металлическими терморезисторами полупровод­никовые имеют меньшие размеры в большие значения номиналь­ных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший тем­пературный коэффициент сопротивления (до —6 10 -2 1/°С) Но этот коэффициент —отрицательный, т. е. при увеличении темпера­туры сопротивление термистора уменьшается. Существенный не­достаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с ме­таллическими—непостоянство температурного коэффициента со­противления. С ростом температуры он сильно падает, т. е. термис-тор имеет нелинейную характеристику. При массовом производст­ве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.

Рекомендуемые материалы

§ 9.2. Металлические терморезисторы

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:

где С — постоянный коэффициент, зависящий от материала и кон­структивных размеров проводника; а —температурный коэффици-ент сопротивления; е — основание натуральных логарифмов.

Абсолютная температура (К) связана с температурой в гра­дусах Цельсия соотношением Т К=273+Т°С.

Определим относительное изменение сопротивления проводника при его нагреве. Пусть сначала проводник находился при началь­ной температуре Т₀ и имел сопротивление . При нагреве до температуры Т его сопротивление R_T = T . Возьмем отношение

Известно, что функцию вида е* можно разложить в степенной ряд:

Так как величина а для меди сравнительно мала и в диапазоне температур до +150°С может быть принята постоянной а=4,3-10-з 1/°с, то и произведение а (Г— Т₀) в этом диапазоне температур меньше единицы. Поэтому не будет большой ошибкой пренебречь при разложении членами ряда второй степени и выше сопротивление при температуре Т через начальное со­противление при То

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные) с соответствующей градуировкой:

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные) с соответствующей градуировкой:

гр. 23 имеет сопротивление 53,00 Ом при 0°С; гр. 24 имеет сопро­тивление 100,00 Ом при 0°С. Медные терморезисторы выполняют­ся из проволоки диаметром не менее 0,1 мм, покрытой для изо­ляции эмалью.

Для платиновых терморезисторов, которые применяются в бо­лее широком диапазоне температур, чем медные, следует учиты­вать зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры. Для этого берется не два, а три члена разложения в степенной ряд функции е*.

В диапазоне температур от —50 до 700°С достаточно точное является формула

где для платины =3,94 10 -3 1/°С, = 5,8 10 -7 (1/°С) 2 .

Платиновые терморезисторы выпускаются серийно и обознача­ются ТСП (термосопротивления платиновые) с соответствую­щей градуировкой; гр. 20 имеет сопротивление 10,00 Ом при 0°С, гр. 21—46,00 Ом; гр. 22—100,00 Ом. Платина применяется в виде неизолированной проволоки диаметром 0,05—0,07 мм.

В табл. 9.1 приведены зависимости сопротивления металличе­ских терморезисторов от температуры; они называются стандарт­ными градуировочными таблицами.

На рис. 9.1 показано устройство платинового термометра сопро­тивления. Сам терморезистор выполнен из платиновой проволо­ки 1, намотанной на слюдяную пластину 2 с нарезкой. Слюдяные накладки 3 защищают обмотку и крепятся серебряной лентой 4. Се­ребряные выводы 5 пропущены через фарфоровые изоляторы 6. Термосопротивление помещается в металлический защитный че­хол 7.

§ 9.3. Полупроводниковые терморезисторы

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко уменьшается с ростом температуры. Их чувст­вительность значительно выше, чем металлических, поскольку тем­пературный коэффициент сопротивления полупроводниковых тер­морезисторов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов />= (4-6)*10 -3 1/°С, то для полупроводнико­вых терморезисторов | />|>4*10 -2 1/°С. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от температуры и им редко пользуются при практических расчетах.

Основной характеристикой терморезистора является зависи­мость его сопротивления от абсолютной температуры Т:

где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и кон­структивных размеров термистора; В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника; е — основание натуральных логарифмов.

Сравнение формулы (9.6) с формулой (9.1) показывает, что у термисторов с ростом температуры сопротивление уменьшается, а у металлических терморезисторов — увеличивается. Следовательно, у термисторов температурный коэффициент сопротивления имеет отрицательное значение.

Вообще чувствительность терморезистора (как датчика темпе­ратуры) можно оценить как относительное изменение его сопро­тивления (R/R), деленное на вызвавшее это изменение прираще­ние температуры:

Для металлического терморезистора чувствительность можно полу­чить дифференцируя (9.4). Следовательно, , т. е. именно тем­пературный коэффициент сопротивления определяет чувствитель­ность.

Для полупроводникового терморезистора (термистора) чувст­вительность получим, дифференцируя (9.6):

Из (9.9) видно, что чувствительность термистора имеет нелиней­ную зависимость от температуры.

Серийно выпускаются медно-марганцевые (тип ММТ) и кобаль-тово-марганцевые (тип КМТ) термисторы. На рис. 9.2 показаны за­висимости сопротивления от температуры для термисторов этих ти­пов и для сравнения — для медного терморезистора. Величина В для термисторов составляет 2—5 тыс. К (меньше — для ММТ, боль­ше для КМТ).

Электрическое сопротивление термистора при окружающей тем­пературе +20°С называют номинальным или холодным сопротив­лением. Для термисторов типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5 эта вели­чина может составлять 1—200 кОм, а для типов КМТ-1, ММТ-4 — от 20 до 1000 кОм.

Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ — 120°С, а для типа КМТ— 180°С.

Термисторы выпускаются в различных конструктивных испол­нениях: в виде стерженьков, дисков, бусинок. На рис. 9.3 показаны некоторые конструкции термисторов.

Термисторы типов ММТ-1, КМТ-1 (рис. 9.3, а) внешне подобны высокоомным резисторам с соответствующей системой герметиза­ции. Они состоят из полупроводникового стержня /, покрытого эма-

левой краской, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Термис-торы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 9.3, б) также состоят из полу­проводникового стержня 1, контактных колпачков 2 с токоотвода­ми 3. Кроме покрытия эмалью стержень обматывается металличе­ской фольгой 4, защищен металлическим чехлом 5 и стеклянным изолятором 6. Такие термисторы применимы в условиях повышен­ной влажности.

На рис. 9.3, в показан термистор специального типа ТМ-54 — «Игла». Он состоит из полупроводникового шарика / диаметром от 5 до 50 мкм, который вместе с платиновыми электродами 2 впрессован в стекло толщиной порядка 50 мкм. На расстоянии около 2,5 мм от шарика платиновые электроды приварены к выводам 3 из никелевой проволоки. Термистор вместе с токоотводами поме­щен в стеклянный корпус 4. Термисторы типа МТ-54 обладают очень малой тепловой инерцией, их постоянная времени порядка 0,02 с, и они используются в диапазоне температур от —70 до 4-250°С. Малые размеры термистора позволяют использовать его, например, для измерений в кровеносных сосудах человека.

§ 9.4. Собственный нагрев термисторов

Термисторы применяются в самых различных схемах ав­томатики, которые можно разделить на две группы. В первую груп­пу входят схемы с термисторами, сопротивление которых определя­ется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий при этом через термистор, настолько мал, что не вызывает допол­нительного разогрева термистора. Этот ток необходим только для измерения сопротивления и для термисторов типа ММТ составляет около 10 мА, а для типа КМТ— 2—5 мА. Во вторую группу вхо­дят схемы с термисторами, сопротивление которых меняется за счет

собственного нагрева. Ток, проходящий через термистор, разогрева­ет его. Поскольку при повышении температуры сопротивление уменьшается, ток увеличивается, что приводит к еще большему вы­делению теплоты. Можно сказать, что в данном случае проявля­ется положительная обратная связь. Это позволяет получить в схе­мах с термисторами своеобразные характеристики релейного типа. На рис. 9.4, а показана вольт-амперная характеристика термис-тора. При малых токах влияние собственного нагрева незначительно и сопротивление термистора практически остается постоянным. Следовательно, напряжение на термисторе растет про­порционально току (участок ОА). При дальнейшем увеличении то­ка (/>/_доп) начинает сказываться собственный нагрев термистора, сопротивление его уменьшается. Вольт-амперная характеристика изменяет свой вид, начинается ее «падающий» участок АБ. Этот участок используется для создания на базе термистора схем тер­мореле, стабилизатора напряжения и др.

Резко выраженная нелинейность вольт-амперной характеристи­ки термистора позволяет использовать его в релейном режиме. На рис. 9.4, б представлена схема включения, а на рис. 9.4, в — харак­теристика термистора в этом режиме. Если в цепи термистора от сутствует добавочное сопротивление(R_ДОБ0), то при некотором значении напряжения ток в цепи термистора резко увеличивается, что может привести к разрушению термистора (кривая U_T на рис. 9.4, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь тер­мистора R_T включить добавочный резистор R_ДОБ (рис. 9.4, б) с пря­молинейной характеристикой (кривая U_R на рис. 9.4, в). При гра­фическом сложении этих двух характеристик <U_t+U_r) получим общую вольт-амперную характеристику U₀ (имеющую S-образный вид на рис. 9.4, в). Эта характеристика похожа на характеристику бесконтактного магнитного реле (см. гл. 26). Рассмотрим по этой характеристике процесс изменения тока I в цепи (рис. 9.4, б) при плавном увеличении напряжения питания U₀ При достижении значения напряжения срабатывания U_cp (этому напряжению со­ответствует ток I₁) ток скачком возрастает от значения 1 до су­щественно большего значения /₂. При дальнейшем увеличении на­пряжения ток будет плавно возрастать от I₂. При уменьшении на­пряжения ток вначале плавно уменьшается до значения I₃ (этому току соответствует напряжение отпускания U_0T), а затем скачком падает до значения /₄, после чего ток плавно уменьшается до — нуля. Скачкообразное изменение тока происходит не мгновенно, а посте­пенно из-за инерционности термистора.

§ 9.5. Применение терморезисторов

При использовани терморезисторов в качестве датчиков систем автоматики различают два основных режима. В первом ре­жиме температура терморезистора практически определяется толь­ко температурой окружающей среды. Ток, проходящий через тер­морезистор, очень мал и практически не нагревает его. Во втором режиме терморезистор нагревается проходящим по нему током, а температура терморезистора определяется изменяющимися усло­виями теплоотдачи, например интенсивностью обдува, плотностью окружающей газовой среды и т. п.

При использовании терморезисторов в первом режиме они иг­рают роль датчиков температуры и называются обычно термомет­рами сопротивления. Наибольшее распространение получили тер­мометры сопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные), включаемые в мостовую измерительную схему.

В процессе измерения температуры с помощью термометров со­противления могут возникать следующие погрешности: 1) от ко­лебания напряжения питания; 2) от изменения сопротивления со­единительных проводов при колебаниях температуры окружающей среды; 3) от собственного нагрева датчика под действием проте­кающего через него тока.

Рассмотрим схему включения термометра сопротивления (рис. 9.5), в которой приняты меры для уменьшения отмеченных трех видов погрешностей. Для уменьшения погрешности от колебаний питания используется измерительный прибор логомет.-рического типа (см. гл. 2). Угол отклонения подвижной системы логометра пропорционален отношению токов в двух катушках, од­на из которых создает вращающий, а вторая — противодействую­щий моменты. Через одну катушку проходит ток разбаланса, за­висящий от сопротивлеия терморезистора Rt. Вторая катушка пи­тается тем же напряжением, что и мостовая измерительная схема.

При колеоаниях напряжении питания

одновременно будут изменяться токи в обеих катушках, а их отношение бу­дет оставаться постоянным.

В автоматических уровновешенных мостах колебание напряжения пита­ния не приводит к появлению пропор­циональной погрешности измерения, незначительно изменяется лишь порог чувствительности.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединитель­ных проводов необходимо правильно выбирать сопротивление датчика. Эта погрешность сводится к минимуму, ес­ли сопротивление датчика выбрать из условия намного больше R_пр, где R_пр — сопротив­ление соединительных проводов. При больших расстояниях (сотни метров) R_пр может достигать 3—5 ОмЛЕще од­ним способом уменьшения погрешно­сти от температурных изменений со-

противления соединительных проводов является применение «п»-гопроводных схем. На рис. 9.5 показана схема включения датчи­ка R_Д в мостовую схему посредством трех проводов (а, б, в). Со­противления проводов а и б включены в смежные плечи моста, поэтому одновременное их изменение не нарушает равновесия мос­та. Сопротивление проводов b вообще не входит в мостовую схе­му. Погрешность за счет самонагрева датчика может быть учтена при градуировке шкалы измерительного прибора.

При быстром изменении температуры появляется динамическая погрешность, обусловленная тепловой инерцией датчика. Переда­ча теплоты от измеряемой среды к терморезистору происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени.

Для количественной оценки тепловой инерции датчика пользу­ются понятием «постоянная времени»:

коэффициент теплопередачи; s — поверхность соприкосновения дат­чика со средой.

Если холодный датчик поместить в среду с температурой Т_ср(°С), то его температура будет изменяться во времени по сле­дующему закону:

Чем больше постоянная времени т, тем больше пройдет времени, пока температура датчика сравняется с температурой среды. За время датчик нагреется только до температуры Т_ср=0,63°С,

а за время / до температуры Т , _ср=0_>99 о С. Графиком уравне­ния (9.11) является экспонента, показанная на рис. 1.3, в.

Рассмотрим теперь некоторые примеры использования собст­венного нагрева терморезисторов в устройствах для измерения раз­личных физических величин, косвенно связанных с температурой.

Автоматическое измерение скорости газового потока проводится с помощью термоапемометра. Датчик этого прибора (рис. 9.6, а) состоит из терморезистора, представляющего собой тонкую пла­тиновую проволоку /, припаянную к двум манганиновым стерж­ням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 терморезистор включается в измерительную схему. Через термо­резистор пропускается ток, вызывающий его нагрев. Но темпера­тура (а следовательно, и сопротивление) терморезистора будет оп­ределяться скоростью газового потока, в который помещен дат­чик. Чем больше будет эта скорость, тем интенсивнее будет отво­диться теплота от терморезистора. На рис. 9.6, б показана градуи-ровочная кривая термоанемометра, из которой видно, что при уве­личении скорости примерно вдвое сопротивление терморезистора уменьшается примерно на 20%.

На аналогичном принципе основана работа электрического га­зоанализатора. Если взять два одинаковых саморазогреваемых тер­морезистора и поместить один в камеру, наполненную воздухом, а другой — в камеру, наполненную смесью воздуха с углекислым газом СО₂, то из-за различной теплопроводности воздуха и угле­кислого газа сопротивление терморезисторов будет разным. Так как теплопроводность углекислого газа значительно меньше тепло­проводности воздуха, то и отвод теплоты от терморезистора в ка­мере с С0₂ будет меньше, чем от терморезистора в камере с воз­духом. По разнице сопротивлений терморезисторов можно судить о процентном содержании углекислого газа в газовой смеси.

Зависимость теплопроводности газа от его давления позволя­ет использовать терморезисторы с собственным нагревом в элек- • трическнх вакуумметрах. Чем глубже вакуум ( т. е. более разре­жен газ), тем хуже условия теплоотдачи с поверхности терморезис­тора, помещенного в вакуумную камеру. Если через терморезис­тор пропускать ток для его нагрева, то температура терморезисто­ра будет возрастать при уменьшении давления контролируемого газа.

Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять процентное содержание газов в смеси. Кроме платины в таких приборах используют вольфрам, никель, полупроводниковые терморезисторы. Для того чтобы исключить влияние колебаний температуры окружающей среды, стремятся обеспечить достаточ­но интенсивный собственный нагрев (до 200—500°С).