Принципы преобразования тепловых параметров

6.1.1. Терморезистивный метод

Терморезистивный метод является наиболее распространенным и хорошо апробированным на практике. Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по отношению к разнообразным дестабилизирующим факторам

Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффициентом (ТК). Типичные случаи поведения термометрической зависимости представлены на рис. 6.1 (W =ΔR/R₀). Не трудно заметить, что металлы 1 обладают положительным, но малым ТК, полупроводниковые материалы 2 – отрицательным ТК примерно на порядок больше, чем у металлов, а полупроводниковые сегнетоэлектрические керамики 3 – положительным ТК и тоже довольно значительным.

В ряду металлических материалов, используемых в термометрии, первое место, несомненно, принадлежит платине (Pt), которая широко используется в рабочих, образцовых и эталонных термометрах.

Рисунок 6.1– Зависимость ТК от температуры для металлических
и полупроводниковых материалов

Температурный диапазон измерения платины от -269 до 1100°С. Термометрическая платина для рабочих термометров характеризуется ТК

W ₁₀₀= =1,391 0,001.

Для воспроизведения международной практической термометрической шкалы используется особо чистая платина в виде отожженной свободной от напряжения проволоки, имеющей ТКС

W ₁₀₀= = 1,39250.

Зависимость сопротивления платинового термометра от температуры экстраполируется следующими выражениями:

W = 1 + At + Bt ²

в диапазоне температуры от 0 до 850 ºС;

W = 1 + At + Bt ² + C (t – 100) t ³

в диапазоне температуры от минус 200 до 0 °С,

где А = 3,968×10^-3 К^-1; В = –5,8×10^-7 К^-2; С = –4,1×10^-12 К^-4.

С целью обеспечения взаимозаменяемости рабочие термометры при изготовлении разбиваются на группы. В пределах группы термометры имеют общую функцию преобразования. Допуски на группу устанавливаются сообразно с требуемой точностью измерения.

Наиболее широко в рабочих термометрах используется платиновая проволока диаметром 0,05 мм при бифилярной намотке чувствительного элемента.

Рабочие термометры в зависимости от допуска на группу и значения и допуска на W ₁₀₀ подразделяются на пять классов (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Параметр	Дополнительные отклонения градуировочной характеристики для классов
I	II	III	IV	V
, Ом	0,05	0,1	0,2	0,4	0,8
W 100 W	1,391	1,391	1,391	1,391	1,391

Наиболее употребимые и стандартизованные номиналы чувствительных элементов платиновых рабочих термометров представлены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Условное обозначение номинальной функции преобразования	R 0, Ом	Диапазон измерений, °С
1 П		–50...+1100
5 П		–100...+1100
10 П		–200...+1000
Гр 21		–260...+1000
50 П		–260...+1000
100 П		–260...+1000
500 П		–260...+300

Второе место по распространенности применения в качестве термометрического материала в рабочих термометрах занимает медь. Поскольку медь относится к числу легко окисляемых металлов, диапазон ее применения ограничивается областью 200 ºС (при защитных покрытиях до 300 ºС).

В диапазоне температур от –50 до +200 ºС медь имеет почти линейную температурную зависимость, которая с достаточной степенью точности описывается соотношением

W = 1 + αТ.

Допустимые отклонения номинала медных термометров сопротивления в группе и допуск W ₁₀₀ приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Параметр	Дополнительные отклонения градуировочной характеристики для классов
II	III	IV	V
, Ом	0,1	0,2	0,5	1,0
W 100 W	1,428 0,0010	1,428 0,0020	1,428 0,0030	1,428

Принятые номиналы сопротивления медных термометров приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Условное обозначение номинальной функции преобразования	R 0, Ом	Диапазон измерений, °С
10М		–50...+200
50М		–50...+200
Гр23		–50...+180
100М		–200...+200

К числу недостатков меди относится ее малое удельное сопротивление – ρ = 0,017 Ом×мм/м, что сказывается на размерах чувствительного элемента.

Значительно реже платины и меди в термометрии используется никель. К его достоинствам относятся высокие ТКС (W ₁₀₀ = 1,64) и удельное сопротивление ρ = 0,072 Ом×мм/м. Однако никель имеет значительно меньшую линейность термохарактеристики. В диапазоне температур от 0 до 200° С никель имеет термометрическую зависимость вида

W = 1 +At+Bt ²,

где А = 5,43×10^-3 К^-1; В = 7,85×10^-6 К^-2.

Проволочные чувствительные элементы являются доминирующими в практической термометрии. Однако в настоящее время с ними успешно конкурируют термометры в металлопленочном исполнении В качестве ЧЭ таких термометров используются пленочные термосопротивления (ТС). Материалом для пленочных ТС служит никель (Ni), медь (Cu), платина (Pt). При этом Pt-TC имеют наибольшие точность и диапазон измерения. Менее прецизионные, но более дешевые и технологичные ТС на основе меди и никеля используют для более узкого, чем у платиновых ТС, диапазона температур.

Такие термометры изготавливаются на различных подложках – из ситалла, сапфира, поликора – методом вакуумного напыления и имеют особую перспективу при массовом производстве. Большая часть операций по их изготовлению и подгонке номинала сопротивления практически полностью автоматизирована.

В металлопленочном исполнении чувствительные элементы характеризуются несколько меньшим ТКС по сравнению с проволочными (до 10 %).

Температурная зависимость сопротивления тонких металлических пленок от температуры практически линейна, поэтому схемы с такими ТС не требуют использования линеаризирующих элементов.

Общим недостатком ТС на основе металлических пленок являются небольшие номиналы сопротивления ТС из-за малого значения удельного сопротивления и ТКС металлов (а соответственно мала и температурная чувствительность).

Достаточно широкое использование в настоящее время нашли толстопленочные ТС, изготавливаемые на основе резистивных паст. Пасты позволяют изготавливать ТС от небольших номиналов (десятки и сотни Ом) до больших (кОм и МОм) с отрицательными и положительными ТКС (от минус 4 до 0,5) %/°С, что недостижимо для тонко-пленочных ТС.

Температурная зависимость сопротивления толстопленочных ТС – нелинейная, поэтому для линеаризации термохарактеристик применяют включение их в мостовую схему или используют последовательно-параллельное соединение ТС с постоянными резисторами.

Высокой температурной чувствительностью обладают дискретные и интегральные полупроводниковые ТС.

Для дискретного полупроводникового ТС зависимость сопротивления от температуры достаточно точно описывается выражением

R _T =R_N exp(– B /T), α _R= –B/ T²,

где Т – абсолютная температура; и – соответственно сопротивление при и Т градусах; – константа материала ТС (справочная величина), имеющая размерность (К).

Из данных уравнений видно, что термохарактеристика ТС – нелинейная.

Кроме того, у данного типа ТС ТКС (α _R) меньше нуля, поэтому их сопротивление уменьшается с увеличением температуры, причем до­вольно резко.

Для линеаризации температурных характеристик ТС используется включение параллельно и/или последовательно соединенных с ними постоянных резисторов, которые линеаризируют зависимость , хотя и уменьшают их термочувствительность.

Величина линеаризирующего резистора определяется по формуле

R _P = R _{T m} (B – T _m / B + 2 T _m),

где R _{T m} – сопротивление терморезистора при температуре T _m (точка перегиба термохарактеристики).

Перспективными для использования в миниатюрных датчиках температуры являются диффузионные и ионно-легированные терморезисторы. Благодаря широкому диапазону номиналов возможности изменения их ТКС в процессе изготовления, а также из-за малых габаритов и небольшой инерционности они находят все большее применение в термометрах.

У диффузионных и ионно-легированных терморезисторов основными характеристиками являются:

1) ТКС не менее 0,5%/°С (минус 0,05…0,5);

2) удельное сопротивление (r _S) 100…1300 Ом/;

3) диапазон рабочих температур минус 60…180 °С.

Такие терморезисторы обладают гораздо большей линейностью, чем рассмотренные ранее дискретные ТС.

Для измерения высоких температур от 200 и до 2000°С используются термопарные ТЧЭ, ЧЭ которых является неразъемное соединение (сварка, адгезинное) двух разнородных металлов, например, меди и медно-никелевого сплава, железа и медно-никелевого сплава или платины и платинородиевого сплава (рис. 6.2).

Термоэлектрическое явление объясняется главным образом тем, что концентрация свободных электронов в металле зависит от температуры. При наличии разности температур в проводнике возникает ЭДС и начинает протекать ток, при этом в более нагретом конце проводника возникает большая концентрация электронов по сравнению с менее нагретым.

Для создания замкнутой электрической цепи и измерения термоЭДС используют два спая, соединенных последовательно, один из которых является компенсационным, а второй – рабочим, помещенным в точку замера температуры. Компенсационный спай или помещается в точку с постоянной стабильной (реперной) температурой (чаще всего помещается в сосуд с тающим льдом 0°С), или же используется специальная электронная схема-компенсатор точки таяния льда.

ТермоЭДС, возникающая между спаями, в зависимости от типа термопары составляет от 7 до 75 мкВ/°С.

Так, для термопары «медь–констант» Е = 40 мкВ/°С в диапазоне 0....100°С, т. е. при разности температур спаев 100°С, термоЭДС равна 4,3 мВ. Для увеличения выходного сигнала используется соединение нескольких термоспаев в термобатарею (рис. 2.2). В этом случае суммарная термоЭДС в n раз больше термоЭДС одного спая. Математические соотношения, описывающие термоэлектрический ЧЭ следующие:

Е_ав (Т _х, Т₀) = E_ав (Т _х) + E_ав (Т₀),

где E_ав (Т _х)и E_ав (Т₀) – термоЭДС элементов цепи.

Так как E_ав (Т _х) при Т_о = 0°C – реперная температура, то Е (Т _х, 0) = E_ав (Т _х).

г

Рисунок 2.2–Термопарные термочувствительные элементы