Особенности и преимущества полупроводниковых термометров сопротивления

Техническое применение термометров сопротивления основывается на использовании зависимости их электрического сопротивления 7_т от температуры Т—7_т = — F(T), численно характеризующейся температурным коэффициентом сопротивления 0_Т= (dR_T/dT). Термоменты сопротивления применяются главным образом для измерения температуры; в этом случае температура рабочей части термометра обычно равна или очень близка к температуре окружающей среды, а чувствительность S_T = dR_T/dT пропорциональна величине температурного коэффициента. Естественно поэтому, что одним из наиболее эффективных средств повышения чувствительности датчика температуры является выбор материала датчика с большим температурным коэффициентом сопротивления. К таким материалам относятся полупроводники, температурный коэффициент которых на порядок выше, чем у металлов.

Ярко выраженная зависимость сопротивления полупроводниковых терморезисторов от температуры является основным, но не единственным их преимуществом по сравнению с металлическими термометрами сопротивления. Малогабаритность терморезисторов, обеспечивающая сравнительно небольшую тепловую инерцию, широкий диапазон номинальных сопротивлений, позволяющий легко согласовывать отдельные участки схем и пренебрегать сопротивлением подводящих проводов, а также возможность изготовления терморезисторов желаемой формы и размеров при достаточно высокой их механической прочности и небольшой стоимости создали благоприятные предпосылки для применения терморезисторов в самых различных областях автоматики и измерительной техники.

Разнообразные применения терморезисторов можно классифицировать по тепловым режимам их работы в электрических схемах.

Первый режим характеризуется тем, что в условиях теплового равновесия градиент температуры в теле терморезистора равен нулю (grad =0), а его температура близка к температуре окружающей среды (Т-0‘) Эти условия выполняются, если проходящий через терморезистор ток настолько мал, что практически не вызывает его разогрева и служит лишь для измерения величины сопротивления. Рабочей частью вольт-амперной характеристики терморезистора является в этом случае ее восходящий участок, на котором с большой точностью выполняется закон Ома. Нагрев терморезистора осуществляется за счет энергии внешних источников, а изменения температуры, зависящие от изменения свойств и состояния окружающей среды, как правило, невелики и рассматриваются как помехи. Электрическая нагрузка терморезистора при этом мала, вследствие чего режим его работы называется режимом малых нагрузок.

Расчет элементов измерительной схемы с терморезистором можно производить обычными приемами, разработанными в электротехнике для расчета цепей с нелинейными элементами. Однако такие особенности терморезистора, как высокий отрицательный коэффициент сопротивления, его нелинейная зависимость от температуры, а также инерционность теплового происхождения, вносят специфику в расчет. Вместе с тем можно с определенностью утверждать, что в настоящее время создана теоретически обоснованная и проверенная опытом методика расчета электрических цепей в стационарном режиме с терморезисторами, работающими при малых нагрузках. Такие нагрузки наиболее характерны при использовании терморезисторов в термометрии. При этом благодаря высокой чувствительности, возможности многоточечных измерений, простоте осуществления автоматической записи наибольшее распространение для этих целей получила схема неуравновешенного моста Уитстона с терморезистором в одном плече.

Основы расчета мостовых схем с терморезисторами достаточно полно разработаны М. А. Кагановым и Г. К. Нечаевым {Л. 24]. Вопросы точности измерения температуры при помощи терморезисторов исследовались А. Г. Шашковым.

Второй режим характеризуется тем, что в условиях теплового равновесия в теле терморезистора grad и Т== 0. Эти соотношения наиболее характерны для падающего участка вольт-амперной характеристики, где изменение сопротивления терморезистора происходит главным образом за счет ленц-джоулева тепла, выделяющегося в нем при прохождении электрического тока. Рабочее тело терморезистора нагревается до температуры, значительно превышающей температуру окружающей среды, колебания которой имеют примерно такое же влияние на сопротивление терморезистора, как и действие электрического тока. Этот режим называется режимом больших нагрузок или режимом нагрева электрическим током.

За последнее время наблюдается все более частое использование терморезисторов в режиме больших нагрузок, при котором работа приборов и устройств характеризуется высоким коэффициентом функционального преобразования измеряемой величины в выходную величину датчика, способную управлять подвижной системой стрелочных приборов или реле без промежуточных усилительных звеньев. Наибольшее распространение такие датчики получили в приборах и устройствах температурного контроля. Условия работы датчика в этих приборах определяются в основном только температурой и его расчет может основываться на таких интегральных характеристиках, как зависимость электрического сопротивления от температуры 7_т = /(Т) и общей мощности рассеяния от перепада температур Р = /₁(д). Распределение температуры внутри тела терморезистора и составляющие мощности рассеяния датчика температуры не имеют существенного значения. Поэтому проблемы разработки чувствительного элемента прибора температурного контроля, с точки зрения его оптимальной формы, размеров и режимов работы, обычно не возникает. ЗаДача по существу сводится к синтезу электрической цепи, содержащей терморезистор, и исследованию ее динамических свойств для обеспечения устойчивости работы системы и необходимого быстродействия.

Другую большую группу приборов с датчиками, работающими в режиме больших нагрузок, составляют приборы, принцип действия которых основан на чувствительности датчика к изменению условий теплообмена. К ним относятся вакуумметры, газоанализаторы, термоанемометры, хроматографы и некоторые другие приборы, определяющим фактором в работе которых является изменение условий теплообмена чувствительного элемента со средой, приводящее к изменению рассеиваемой им мощности. Поэтому специфичными для разработки датчиков этих приборов являются анализ составляющих мощности рассеяния, исследование влияния температурных градиентов внутри тела терморезистора на погрешность полупроводниковых датчиков, а также необходимость рассмотрения некоторых побочных физических явлений, например, термомолекулярного течения в условиях сильного разрежения.

Учитывая перечисленные особенности, ниже излагаются краткие сведения по основным свойствам, параметрам и характеристикам терморезисторов. Предлагаются некоторые практические приемы определения этих параметров и приводится методика расчета электрических цепей, содержащих терморезисторы.