Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению температуры различных объектов и сред. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения температуры за счет исключения погрешности саморазогрева терморезистора и повышение оперативности за счет сокращения числа измерительных операций. Сущность: через размещенный в контролируемой среде полупроводниковый терморезистор пропускают ток и измеряют его сопротивление. Увеличивают ток, что вызывает дополнительный нагрев терморезистора относительно контролируемой среды, и измеряют второе сопротивление терморезистора. По двум сопротивлениям, измеряемым при минимальном токе для двух заданных границами диапазона температур, определяют параметры температурной характеристики терморезистора (предельное сопротивление и постоянную температуры) для минимального тока, по ней для измеренного сопротивления терморезистора определяют температуру контролируемой среды. Определенную температуру сопоставляют второму сопротивлению терморезистора, заранее при втором токе и максимальной температуре измеряют третье сопротивление, которое принимают за норму. По нормированному и второму сопротивлениям терморезистора и соответствующим им температурам определяют параметры рабочей температурной характеристики терморезистора, по которой определяют температуру контролируемой среды при измерении сопротивления терморезистора на увеличенном токе. 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2269102

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению температур.

Известен способ измерения температуры термометром сопротивления [а.с. № 1332158], который приводят в контакт с объектом контроля. Подают на термометр сопротивления мощность P 1 и в момент времени t 1 измеряют первое значение температуры 1 и увеличивают мощность до величины Р 2 . В моменты времени t 2 и t 3 проводят второе и третье измерение температуры 2 и 3 . Измерение температур организовано так, что t 2 -t 1 =t 3 -t 2 . Значение измеряемой температуры рассчитывается по формуле

Недостатками данного метода являются неопределенность условий и параметров, при которых проводится градуировка термометра сопротивления. При градуировке термометра сопротивления при различных величинах рассеиваемой мощности градуировочные характеристики получаются разными. Также большое влияние оказывают параметры теплообмена со средой, в которой проводится градуировка термометра сопротивления. Неучет этих факторов в процессе измерения температуры приводит к погрешности.

За прототип принят способ измерения температуры полупроводниковым терморезистором [а.с.№ 1364911] при измерении его сопротивления. Для этого через терморезистор пропускают электрический ток, который производит его нагрев. Температуру дополнительного нагрева контролируют сравнением полученного сопротивления с первоначальным сопротивлением. Измеряют второе значение сопротивления. Измеряют ток нагрева, соответствующий второму значению сопротивления терморезистора, и определяют рассеиваемую на нем электрическую мощность. Определяют температуру нагрева терморезистора из уравнения теплового баланса. Постепенно увеличивают температуру нагрева ступенчатыми изменениями тока нагрева с регистрацией изменения сопротивления терморезистора. Процесс увеличения тока нагрева прекращают, если изменение сопротивления терморезистора становится незначительным по сравнению с предыдущим состоянием. Измеряют третье значение сопротивления терморезистора. По результатам измерения трех значений сопротивления терморезистора и по току нагрева находят температуру Т контролируемой среды по формуле

где R 1 - сопротивление терморезистора при температуре контролируемой среды, R 2 - сопротивление терморезистора, дополнительно нагретого измерительным током, I 1 - ток дополнительного нагрева терморезистора, С - коэффициент рассеивания тепла нагретым терморезистором, S - поверхность охлаждения терморезистора.

Недостатками способа являются погрешность измерений, обусловленная присутствием в расчетном выражении параметров С и S, определить которые с высокой точностью не представляется возможным. Параметр С зависит не только от свойств измеряемой среды, но и от контактных термических сопротивлений (для твердых материалов), режима течения (для жидких и газообразных сред), в широком диапазоне температур его значение нельзя считать постоянным. К недостаткам так же следует отнести большую длительность процесса измерения температуры, в течение которого температура контролируемой среды может поменяться вследствие внешних условий или из-за сильного разогрева терморезистора пропускаемым током.

Технической задачей способа являются повышение точности определения температуры за счет исключения погрешности саморазогрева терморезистора и повышение оперативности за счет сокращения числа измерительных операций.

Поставленная задача достигается тем, что через размещенный в контролируемой среде полупроводниковый терморезистор пропускают минимальный ток и измеряют его сопротивление, увеличивают ток, что вызывает дополнительный нагрев терморезистора относительно контролируемой среды, и измеряют второе сопротивление терморезистора, отличающийся тем, что по двум сопротивлениям, измеряемым при минимальном токе для двух заданных границами диапазона температур, определяют параметры температурной характеристики терморезистора (предельное сопротивление и постоянную температуры) для минимального тока, по ней для измеренного сопротивления терморезистора определяют температуру контролируемой среды, которую сопоставляют второму сопротивлению терморезистора, заранее при втором токе и максимальной температуре измеряют третье сопротивление, которое принимают за норму, по нормированному и второму сопротивлениям терморезистора и соответствующим им температурам определяют параметры рабочей температурной характеристики терморезистора, по которой определяют температуру контролируемой среды при измерении сопротивления терморезистора на увеличенном токе.

Терморезистор является параметрическим датчиком - с изменением температуры он меняет свое сопротивление. Для измерения сопротивления терморезистора его включают в схему формирования электрического сигнала - управляемый источник стабилизированного тока (фиг.1). При пропускании тока через терморезистор происходит его саморазогрев - повышение его температуры по отношению к температуре измеряемой среды. Величина саморазогрева зависит от рассеиваемой на терморезисторе мощности и параметров теплообмена с окружающей средой, которые определяются свойствами самой среды и ее состоянием (неподвижная, подвижная - в случае жидких и газообразных сред; гладкая, шероховатая - для твердых материалов). Саморазогрев является причиной возникновения методической погрешности. Снижения ее величины можно достичь путем уменьшения рассеиваемой на терморезисторе мощности. При минимальном токе различие между величиной саморазогрева терморезистора в различных средах незначительно, однако при этом чувствительность преобразования сопротивления в напряжение будет недостаточна для достоверной регистрации малых изменений температуры. Для повышения чувствительности преобразования сопротивления в напряжение величину тока необходимо увеличивать. Сопротивление полупроводниковых терморезисторов сильно зависит от величины протекающего тока, что не позволяет использовать температурную характеристику терморезистора (зависимость его сопротивления от температуры или зависимость температуры от сопротивления), полученную при токе одной величины, для токов другой величины. Кроме того, температурные характеристики, полученные при одинаковых токах, но на материалах с различными свойствами, так же отличаются (фиг.2). Температурная характеристика полупроводниковых терморезисторов имеет вид

где R - сопротивление терморезистора [Ом], Т - абсолютная температура [К], R 0 - предельное сопротивление, соответствующее сопротивлению полупроводникового термистора при T:

T 0 - постоянная температуры, численно равная температуре терморезистора, при которой его сопротивление принимает значение eR 0 , где е - основание натурального логарифма.

Сущность предлагаемого способа поясняется на фиг.1-4.

Способ организуется следующим образом. Полупроводниковый терморезистор располагают в контролируемойсреде, пропускают через него минимальный ток I 1 и измеряют первое сопротивление терморезистора R 1 . Повышают ток до величины I 2 и измеряют второе сопротивление термистора R 2 . Величина сопротивления R 1 практически не зависит от свойств измеряемой среды вследствие малости тока I 1 , а величина сопротивления R 2 будет различна для каждой контролируемой среды. Для учета саморазогрева терморезистора на предварительном этапе производят его градуировку - получение его температурной характеристики при минимальном токе I 1 . Для этого на токе I 1 при двух известных температурах T 01 и Т 02 измеряют соответствующие им сопротивления R 01 и R 02 . Температуры T 01 и Т 02 соответствуют нижней и верхней границам диапазона рабочих температур, которые будут измеряться терморезистором. Параметры температурной характеристики и находятся решением системы уравнений:

Расчетные зависимости для предельного сопротивления и постоянной температуры имеют вид:

Получаемая таким образом температурная характеристика T 0 (R) (фиг.2, кривая 1) подходит для любых материалов и сред, однако чувствительность преобразования сопротивления в напряжение недостаточна для измерения малых изменений температуры.

По сопротивлению R 1 и температурной характеристике Т 0 (R) определяют температуру среды T 1 , которую сопоставляют сопротивлению R 2 .

Расхождение температурных характеристик, полученных при увеличенном токе в различных средах, уменьшается с увеличением температуры (фиг.2, кривые 2). Это позволяет выбрать некоторую температуру T*, при которой расхождение между температурными характеристиками различных сред значительно меньше, чем в области рабочих температур (фиг.2). Используя это наблюдение, при токе I 2 измеряют третье сопротивление терморезистора R*, соответствующее температуре T*. Полученные значения R* и T* принимают за норму, то есть утверждают, что сопротивление R* соответствует температуре T* для любой контролируемой среды.

По второму и третьему сопротивлениям терморезистора R 2 и R* и соответствующим им температурам Т 1 и Т* получают параметры R 0 и T 0 рабочей температурной характеристики по формулам:

Полученная таким образом рабочая температурная характеристика T(R) (фиг.2, кривая 3) учитывает величину саморазогрева терморезистора любой контролируемой среды, в которой он располагается. По характеристике T(R) определяют температуру контролируемой среды при измерении сопротивления R терморезистора на токе I 2 (фиг.2).

Для оценки эффективности предлагаемого способа проведены экспериментальные исследования. В качестве датчика температуры использован полупроводниковый терморезистор типа СТ1-18 с номинальным сопротивлением 22 кОм при 150°С. В термокамере высокой точности типа ТВТ-1 при температурах 5 и 35°С на стекле ТФ-1, полиметилметакрилате (ПММ) и РИПОРе проведены измерения сопротивления терморезистора путем измерения на нем падения напряжения при стабилизированных токах I 1 =5 и I 2 =50 мкА. По полученным значениям сопротивлений и соответствующим им температурам по формулам (4) и (5) рассчитаны параметры температурной характеристики T°(R) для тока I 1 и параметры реальных температурных характеристик терморезистора для стекла, ПММ и РИПОРа для тока I 2 соответственно: T 0 (R), Т 1 (R), T 2 (R). В качестве нормированной точки использовалось сопротивление терморезистора R*=45 кОм, полученное при температуре Т*=329 К на токе I 2 .

Оценка предлагаемого способа по точности проведена по погрешности определения абсолютных значений температуры и по погрешности определения малых изменений температуры относительно начального значения. В качестве сравнительного использовали способ определения температуры путем перевода измеренных сопротивлений терморезистора по единственной температурной характеристике Т 0 (Р), полученной на стекле при токе I 2 .

Оценку погрешности определения абсолютной температуры в случае использования единственной температурной характеристики вычисляли как разность между значениями температуры, полученными по температурной характеристике для стекла и действительными значениями температуры на ПММ и РИПОРе, определяемыми по соответствующим градуировочным характеристикам по формуле:

Изменение сопротивления R от 100 до 300 кОм соответствует изменению температуры от 35 до 5°С.

Погрешность определения абсолютной температуры в соответствии с предложенным методом определяли как отклонение рабочих температурных характеристик, полученных для стекла , ПММ и РИПОРа в соответствии с предлагаемым способом от реальных температурных характеристик по формуле:

Измерения сопротивлений R 1 и R 2 при токах I 1 и I 2 , необходимых для определения параметров рабочих температурных характеристик, проводили при температурах 10, 20 и 30°С. На фиг.3 приведены кривые погрешностей, полученных по формулам (8) и (9). Эффективность по погрешности определения абсолютных температур определяли по формуле:

T i лежит в пределах от 0,26 до 1,6°С, a не превышает 0,06°С. Таким образом, T =4...26, то есть предлагаемый способ позволяет определять температуру при увеличенном токе, в среднем, на порядок точнее, по сравнению со способом с единственной градуировочной характеристикой.

При измерении приращений температуры относительно какого-либо начального значения неучет вариаций величины саморазогрева на различных материалах также приводит к погрешности, что вызвано нелинейностью температурной характеристики терморезистора. Оценку величины этой погрешности проводили следующим образом. Значение сопротивления фиксировали (R Ф) и, используя реальные градуировочные характеристики для ПММ и РИПОРа, определяли приращение температуры , соответствующее изменению сопротивления на величину в 20 кОм по формулам:

Погрешность определения величины перегрева при способе с единственной температурной характеристикой определяли как относительное отклонение величин перегрева, полученных на ПММ и РИПОРе, по отношению к перегреву, полученному на стекле:

Перегрев , соответствующий изменению сопротивления на 20 кОм по рабочим градуировочным характеристикам, рассчитывали по формуле (11). Погрешность предлагаемого способа оценивали как относительное отклонение перегрева, полученного по рабочей характеристике материала, по отношению к перегреву, полученному по реальной температурной характеристике того же материала, по формуле:

0 при ступенчатом изменении тока и непосредственно из длительности процесса измерения сопротивления. Последней ввиду ее малости по сравнению с переходным процессом можно пренебречь. Значит, длительность процесса измерения в соответствии со способом-прототипом можно записать в виде

Предлагаемый способ реализован в измерительно-вычислительной системе для определения теплофизических свойств (теплопроводности и температуропроводности) твердых материалов «ТЕМП-075» и позволил снизить погрешность измерения абсолютных температур до 0,05°С, а погрешность измерения приращений температуры относительно начального до 0,3%, в то время как применение единственной температурной характеристики приводило к погрешности в до 1,6°С при определении абсолютных температур и 4% при измерении перегрева.

Таким образом, предлагаемый способ определения температуры, включающий определение рабочей температурной характеристики терморезистора, учитывающий величину саморазогрева терморезистора током, в отличие от известных решений, позволяет на порядок повысить точность и оперативность определения температуры. Применение предлагаемого способа в приборах для определения теплофизических свойств различных материалов и сред, а также других приборах, требующих точных измерений температуры, позволяет повысить их метрологические характеристики.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ определения температуры, заключающийся в пропускании тока через размещенный в контролируемой среде полупроводниковый терморезистор и измерении его сопротивления, дополнительном нагреве терморезистора относительно контролируемой среды током и измерении второго сопротивления терморезистора, отличающийся тем, что по двум сопротивлениям, измеряемым при минимальном токе для двух заданных границами диапазона температур, определяют параметры температурной характеристики терморезистора (предельное сопротивление и постоянную температуры) для минимального тока, по ней для измеренного сопротивления терморезистора определяют температуру контролируемой среды, которую сопоставляют второму сопротивлению терморезистора, заранее при втором токе и максимальной температуре измеряют третье сопротивление, которое принимают за норму, по нормированному сопротивлению и сопротивлению дополнительно нагретого терморезистора и соответствующим им температурам определяют параметры рабочей температурной характеристики терморезистора, по которой определяют температуру контролируемой среды при измерении сопротивления терморезистора на втором токе.

Слово «термистор» понятно само по себе: ТЕРМический резИСТОР – устройство, сопротивление которого изменяется с температурой. Термисторы являются в значительной степени нелинейными приборами и зачастую имеют параметры с большим разбросом. Именно поэтому многие, даже опытные инженеры и разработчики схем испытывают неудобства при работе с этими приборами. Однако, познакомившись поближе с этими устройствами, можно видеть, что термисторы на самом деле являются вполне простыми устройствами.

Вначале необходимо сказать, что не все устройства, изменяющие сопротивление с температурой, называются термисторами. Например, резистивные термометры, которые изготавливаются из маленьких катушек витой проволоки или из напыленных металлических плёнок. Хотя их параметры зависят от температуры, однако, они работают не так, как термисторы. Обычно термин «термистор» применяется по отношению к чувствительным к температуре полупроводниковым устройствам.

Имеется два основных класса термисторов: с отрицательным ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) и с положительным ТКС. Существуют два принципиально различных типа выпускаемых термисторов с положительным ТКС. Одни изготавливаются подобно термисторам с отрицательным ТКС, другие же делаются из кремния. Термисторы с положительным ТКС будут описаны кратко, а основное внимание будет уделено боле распространенным термисторам с отрицательным ТКС. Таким образом, если отсутствуют особые указания, то речь будет идти о термисторах с отрицательным ТКС.

Термисторы с отрицательным ТКС являются высокочувствительными, нелинейными устройствами с узким диапазоном, сопротивление которых уменьшается при увеличении температуры. На рис.1 изображена кривая, показывающая изменение сопротивления в зависимости от температуры и представляющая собой типовую температурную зависимость сопротивления. Чувствительность – приблизительно 4-5 %/оС. Имеется большой диапазон номиналов сопротивлений, и изменение сопротивления может достигать многих ом и даже килоом на градус.

Рис.1 Термисторы с отрицательным ТКС очень чувствительны и в значительной Степени нелинейны. Rо может быть в омах, килоомах или мегоомах:

1-отношение сопротивлений R/Rо; 2- температура в оС

По существу термисторы представляют собой полупроводниковую керамику. Они изготавливаются на основе порошков окислов металлов (обычно окислов никеля и марганца), иногда с добавкой небольшого количества других окислов. Порошкообразные окислы смешиваются с водой и различными связующими веществами для получения жидкого теста, которому придаётся необходимая форма и которое обжигается при температурах свыше 1000 оС. Приваривается проводящее металлическое покрытие (обычно серебряное), и подсоединяются выводы. Законченный термистор обычно покрывается эпоксидной смолой или стеклом или заключается в какой-нибудь другой корпус. Рис.2 Из рис. 2 можно видеть, что имеется множество типов термисторов. Термисторы имеют вид дисков и шайб диаметром от 2.5 до приблизительно 25.5 мм, форму стержней различных размеров.

Некоторые термисторы сначала изготавливаются в виде больших пластин, а затем режутся на квадраты. Очень маленькие бусинковые термисторы изготавливаются путем непосредственного обжигания капли теста на двух выводах из тугоплавкого титанового сплава с последующим опусканием термистора в стекло с целью получения покрытия.

Типовые параметры

Говорить «типовые параметры» - не совсем правильно, так как для термисторов существует лишь несколько типовых параметров. Для множества термисторов различных типов, размеров, форм, номиналов и допусков существует такое же большое количество технических условий. Более того, зачастую термисторы, выпускаемые различными изготовителями, не являются взаимозаменяемыми.

Можно приобрести термисторы с сопротивлениями (при 25 oС - температуры, при которой обычно определяется сопротивление термистора) от одного ома до десяти мегоом и более. Сопротивление зависит от размера и формы термистора, однако, для каждого определённого типа номиналы сопротивления могут отличаться на 5-6 порядков, что достигается путём простого изменения оксидной смеси. При замене смеси также и изменяется и вид температурной зависимости сопротивления (R-T кривая) и меняется стабильность при высоких температурах. К счастью термисторы с высоким сопротивлением, достаточным для того, чтобы использовать их при высоких температурах, также обладают, как правило, большей стабильностью.

Недорогие термисторы обычно имеют довольно большие допуски параметров. Например, допустимые значения сопротивлений при 25 оС изменяются в диапазоне от F 0B 1 20% до F 0B 1 5%. При более высоких или низких температурах разброс параметров еще больше увеличивается. Для типового термистора, имеющего чувствительность 4% на градус Цельсия, соответствующие допуски измеряемой температуры меняются приблизительно от F 0B 1 5 о до F 0B 1 1,25 оС при 25 оС. Высокоточные термисторы будут рассматриваться в данной статье ниже.

Ранее было сказано, что термисторы являются устройствами с узким диапазоном. Это необходимо пояснить: большинство термисторов работает в диапазоне от –80 оС до 150 оС, и имеются приборы (как правило, со стеклянным покрытием), которые работают при 400 оС и больших температурах. Однако для практических целей большая чувствительность термисторов ограничивает их полезный температурный диапазон. Сопротивление типового термистора может изменяться в 10000 или 20000 раз при температурах от –80 оС до +150 оС. Можно представить себе трудности при проектировании схемы, которая обеспечивала бы точность измерений на обоих концах этого диапазона (если не используется переключение диапазонов). Сопротивление термистора, номинальное при нуле градусов, не превысит значения нескольких ом при 400 оС.

В большинстве термисторов для внутреннего подсоединения выводов используется пайка. Очевидно, что такой термистор нельзя использовать для измерения температур, превышающих температуру плавления припоя. Даже без пайки, эпоксидное покрытие термисторов сохраняется лишь при температуре не более 200 оС. Для более высоких температур необходимо использовать термисторы со стеклянным покрытием, имеющие приваренные или вплавленные выводы.

Требования к стабильности также ограничивают применение термисторов при высоких температурах. Структура термисторов начинает изменяться при воздействии высоких температур, и скорость и характер изменения в значительной степени определяются оксидной смесью и способом изготовления термистора. Некоторый дрейф термисторов с эпоксидным покрытием начинается при температурах свыше 100 оС или около того. Если такой термистор непрерывно работает при 150 оС, то дрейф может измеряться несколькими градусами за год. Низкоомные термисторы (к примеру, не более 1000 Ом при 25 оС) зачастую ещё хуже – их дрейф может быть замечен при работе приблизительно при 70 оС. А при 100 оС они становятся ненадёжными.

Недорогие устройства с большими допусками изготавливаются с меньшим вниманием к деталям и могут дать даже худшие результаты. С другой стороны, некоторые правильно разработанные термисторы со стеклянным покрытием имеют прекрасную стабильность даже при более высоких температурах. Бусинковые термисторы со стеклянным покрытием обладают очень хорошей стабильностью, так же, как и недавно появившиеся дисковые термисторы со стеклянным покрытием. Следует помнить, что дрейф зависит как от температуры, так и от времени. Так, например, обычно можно использовать термистор с эпоксидным покрытием при кратковременном нагреве до 150 оС без значительного дрейфа.

При использовании термисторов необходимо учитывать номинальное значение постоянной рассеиваемой мощности. Например, небольшой термистор с эпоксидным покрытием имеет постоянную рассеивания, равную одному милливатту на градус Цельсия в неподвижном воздухе. Другими словами один милливатт мощности в термисторе увеличивает его внутреннюю температуру на один градус Цельсия, а два милливатта F 02 D на два градуса и так далее. Если подать напряжение в один вольт на термистор в один килоом, имеющий постоянную рассеивания один милливатт на градус Цельсия, то получится ошибка измерения в один градус Цельсия. Термисторы рассеивают большую 3

мощность, если они опускаются в жидкость. Тот же вышеупомянутый небольшой термистор с эпоксидным покрытием рассеивает 8 мВт/ оС, находясь в хорошо перемешиваемом масле. Термисторы с большими размерами имеют постоянное рассеивание лучше, чем небольшие устройства. Например термистор в виде диска или шайбы может рассеивать на воздухе мощность 20 или 30 мВт/ оС следует помнить, что аналогично тому, как сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры, изменяется и его рассеиваемая мощность.

Уравнения для термисторов

Точного уравнения для описания поведения термистора не существует, – имеются только приближенные. Рассмотрим два широко используемых приближенных уравнения. Первое приближенное уравнение, экспоненциальное, вполне удовлетворительно для ограниченных температурных диапазонов, в особенности – при использовании термисторов с малой точностью. Второе уравнение, называемое уравнением Стейнхарта-Харта, обеспечивает прекрасную точность для диапазонов до 100 оС. Сопротивление термистора с отрицательным ТКС уменьшается приблизительно по экспоненте с увеличением температуры. В ограниченных температурных диапазонах его R-T-зависимость достаточно хорошо описывается следующим уравнением:

RT2=RT1 е F 0 6 2 (I/T2 – I/T1), Где Т1 и Т2 – абсолютные температуры в градусах Кельвина (оС +273) ; RT1 и RT2 – сопротивления термистора при Т1 и Т2; F 06 2 - константа, определяемая путем измерения сопротивления термистора при двух известных температурах. Если F 06 2 и RT1 известны, то это уравнение можно преобразовать и использовать для вычисления температуры, измеряя сопротивление: Бета является большим, положительным числом и имеет размерность в градусах Кельвина. Типовые значения изменяются от 3000 до 5000 оК. Изготовители часто включают значения для бета в спецификации, однако, так как экспоненциальное уравнение является лишь приблизительным, значение бета зависит от двух температур, использованных при его вычислении. Некоторые изготовители используют значения 0 и 50 оС; другие – 25 и 75 оС. Можно использовать другие температуры: можно вычислить самостоятельно значение бета на основании таблиц зависимости сопротивления от температуры, которые предлагает изготовитель. Уравнение, как правило согласуется с измеренными значениями в пределах F 0B 1 1 оС на участке в 100 оС. Уравнение нельзя использовать с достоверностью при температурах, сильно отличающихся от тех, что были использованы для определения бета.

Перед тем, как перейти к уравнению Стейнхарта-Харта, рассмотрим два других параметра, часто используемых для описания термисторов: альфа (F 06 1) и коэффициент сопротивления. Альфа просто определяется наклоном R-T- кривой, то есть является чувствительностью при определенной температуре. Альфа обычно выражается в «процентах на градус». Типовые значения изменяются от 3 % до 5 % оС. Так же, как и бета, альфа зависит от температур,

при которых она определяется. Её значение несколько уменьшатся при более высоких температурах.

Под коэффициентом сопротивления подразумевается отношение сопротивления при одной температуре к сопротивлению при другой, более высокой температуре.

Для точных термисторов обычно имеется таблица значений сопротивления (для каждого градуса) в зависимости от температуры, которая поставляется изготовителем вместе с другой информацией. Однако иногда удобно иметь точное уравнение при выполнении конструкторских расчетов или (особенно) при использовании ЭВМ для пересчета сопротивления термистора в температуру. Кроме как для очень узких диапазонов температур, экспоненциальное уравнение с одним параметром не удовлетворительно – необходимо большее число параметров.

Наилучшим приближенным выражением, широко используемым в настоящее время, является уравнение Стейнхарта-Харта:

Где Т- абсолютная температура (в градусах Кельвина), R – сопротивление термистора; а, b и с –экспериментально полученные константы.

Преобразование уравнения с целью выражения сопротивления в виде функции температуры приводит к довольно громоздкому на вид выражению. Однако, с ним легко обращаться при использовании ЭВМ или программируемого калькулятора:

Необходимо отметить, что данные значения для альфа и бета не относятся к параметрам альфа и бета, используемым в экспоненнциальном уравнении с одним параметром.

Хотя уравнение Стейнхарта-Харта – более сложное, оно, как правило, согласуется с реальными значениями в пределах нескольких тысячных градуса в диапазонах до 1000 оС. Конечно, оно может быть настолько хорошим, если только экспериментальные значения параметров термистора также точны. Температуры с точностью до тысячных градуса можно получить только в первоклассных лабораториях. Скорее пользователь согласится пользоваться паспортными таблицами, чем захочет провести собственные измерения.

Для определения a, b и с необходимо знать точное сопротивление термистора при трёх температурах и подставить каждый набор данных (R и Т) в уравнение Стейнхарта-Харта для определения трех неизвестных. Затем необходимо использовать математические средства для одновременного решения трёх уравнений и получения значений трёх констант. При использовании паспортных таблиц нужно выбирать значения R в зависимости от Т на краях и в середине температурного диапазона, который будет использоваться. Изготовители обычно не указывают паспортные значения для этих констант, так как эти значения изменяются в зависимости от используемого температурного диапазона.

Прецизионные термисторы

Параметры обычных термисторов указываются только с отклонениями от +-5% до +-20 % при 25 оС, а при других температурах допуски увеличиваются. Однако при соответствующем контроле над технологией и измерениях можно получить значительно более высокую точность. Имеется три типа точных термисторов: прецизионные взаимозаменяемые дисковые термисторы, прецизионные бусинковые термисторы и согласованные бусинковые пары. Точные термисторы обеспечивают электронную калибровку измерительных инструментов, не требуя точных нагревательных приборов. Взаимозаменяемые термисторы также позволяют заменить термистор без повторной калибровки электронных схем.

Прецизионные взаимозаменяемые дисковые термисторы изготавливаются при тщательном контроле и изменении R-T – параметров и стабильности оксидной смеси. Смеси, которые не удовлетворяют строгим требованиям, не используются. Термисторы смешиваются, формируются и обжигаются при помощи обычных технологий. Затем каждый термистор опускается в жидкостную ванну при тщательно контролируемой температуре для доводки сопротивления до номинального значения. Перед отправкой параметры каждого термистора измеряются при двух или трёх температурах, и, если они не соответствуют паспортным, термистор бракуется.

Можно приобрести готовые, стандартизованные термисторы с допусками F 0 B 10,2 оС или F 0B 10,1 оС в диапазоне 0 -70 оС и меньшей точностью при –80 оС и +150 оС. Имеются специальные высокостабильные дисковые термисторы со стеклянным покрытием, имеющие допуски не свыше 0,05 оС. Данные высокоточные, взаимозаменяемые термисторы выпускаются только в виде дисков или квадратов небольшого размера, покрытых эпоксидной смолой или (для более высокой стабильности) стеклом. Несколько изготовителей предлагают некоторые или все из перечисленных ниже номиналов (при 25 оС): 100, 300, и 500 Ом; 1.0, 2.252, 3.0, 5.0, 10.0, 30.0, 50.0 ,100.0 и 300.0 килоом и 1 мегаом. Термисторы с номиналами 2,252; 3,0; и 5,0 килоом взаимозаменяемы для различных изготовителей; другие термисторы, как правило, - нет. Имеется большое количество температурных датчиков, в которых используется термистор с номиналом 2.252 Ком.

Бусинковые термисторы могут быть очень точными и стабильными, однако их малый размер и способы изготовления делают невозможной доводку до точного значения. Если пользователю необходимо выполнять точные измерения при помощи бусинковых термисторов (которые имеют наиболее малые размеры и наилучшие возможности работы при высоких температурах), он может попросить изготовителя провести изменения и напечатать значения R-T - кривой для каждого термистора. Или же можно указать термисторы, выбранные из ряда номиналов и имеющие определенный допуск при некоторой температуре.

Другим способом, при помощи которого изготовители обеспечивают точность и взаимозаменяемость, является постоянное измерение параметров каждого термистора и последующее соединение выбранных согласованных пар

параллельно или последовательно с целью обеспечения кривой определённой формы.

Температурные характеристики

Термисторы – это резисторы, и они подчиняются закону Ома (E=IxR) – если не изменяется их температура. Следует помнить, что достаточно лишь нескольких милливатт мощности для того. Чтобы увеличить температуру термистора на один градус и более, и что сопротивление уменьшается приблизительно на 4% на градус Цельсия. Если к термистору подключить источник тока и медленно увеличивать ток, то будет видно, что напряжение увеличивается все более и более медленно, так как сопротивление термистора уменьшается. Очевидно, что напряжение совсем перестанет увеличиваться и затем практически начнет уменьшаться при дальнейшем увеличении тока. На графике на рис. 4 представлены типовые вольт-амперные кривые. При малом токе и малой мощности кривая соответствует линии постоянного сопротивления, свидетельствуя о том, что термистор нагревается слабо. При увеличении мощности видно, что сопротивление термистора начинает падать. В области большой мощности термистор в некотором смысле, работает, как отрицательное сопротивление, то есть напряжение на нем уменьшается при увеличении тока.

2 Рис. 4. Сопротивление термистора с отрицательным ТКС уменьшается по мере его нагрева большими токами до тех пор, пока термистор не перейдет в область отрицательных сопротивлений: 1-падение напряжения; 2-ток; 3-жидкость; 4-воздух.

Использование термисторов

Термисторы находят применение во многих областях. Практически ни одна сложная печатная плата не обходится без термисторов. Они используются в температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с

температурными режимами, электронике.

В противопожарной технике существуют стандартные температурные датчики. Подобный датчик содержит два термистора с отрицательным температурным коэффициентом, которые установлены на печатной плате в белом поликарбонатном корпусе. Один выведен наружу - открытый

термистор, он быстро реагирует на изменение температуры воздуха. Другой термистор находится в корпусе и реагирует на изменение температуры медленнее.

При стабильных условиях оба термистора находятся в термическом равновесии с температурой воздуха и имеют некоторое сопротивление. Если температура воздуха быстро повышается, то сопротивление открытого термистора становится меньше, чем сопротивление закрытого термистора. Отношение сопротивлений термисторов контролирует электронная схема, и если это отношение превышает пороговый уровень, установленный на заводе, она выдает сигнал тревоги. В дальнейшем такой принцип действия будет называться “реакцией на скорость повышения температуры”. Если температура воздуха повышается медленно, то различие сопротивлений термисторов незначительно. Однако, эта разница становится выше, если соединить последовательно с закрытым термистором резистор с высокой температурной стабильностью. Когда отношение суммы сопротивлений закрытого термистора и стабильного резистора и сопротивления открытого термистора превышает порог, возникает режим тревоги. Датчик формирует режим «Тревога» при достижении внешней температуры 60°С вне зависимости от скорости нарастания температуры.

Таким образом, термисторы повсеместно используются во многих приборах, окружающих нас.

Список литературы

Шашков А.Г., Терморезисторы и их применение. М.1967.

Термоэлектрические измерительные преобразователи. Лекция по курсу «Электрические измерения механических величин». Ростов – на – Дону.1977

Сэми К. Измерительные термопары и терморезисторы. Перевод из журнала Отомэсён 1988. Т.33. №5.

Похожие статьи