Влияние условий теплообмена терморезистора на его электрические параметры

Влияние условий теплообмена терморезистора на его электрические параметры выражается через коэффициент рассеяния мощности k. Сопоставляя формулу Ньютона (62), выражающую закономерность теплообмена, и формулу (78).

Составляющая коэффициента теплообмена а_л может быть определена по известной формуле (75) Стефана — Больцмана. Однако решение этой задачи часто бывает затруднительным ввиду отсутствия достоверных данных по коэффициенту черноты терморезистора 8_Т. Имеющиеся в специальной литературе по этому вопросу сведения относятся главным образом к металлам и некоторым непроводящим материалам и почти отсутствуют для полупроводников. Определение степени черноты терморезисторов обычными методами, основанными на сравнении измерений с данными для эталонных образцов, затруднено в связи с небольшими размерами терморезисторов. Задача определения 8_Т усложняется, кроме того, неоднородностью поверхности таких типов терморезисторов, как КМТ-11, у которого часть поверхности покрыта проводящей серебряной пастой.

Указанные причины привели к необходимости определять степень черноты е_т терморезисторов при таких условиях опыта, когда конвекция полностью отсутствует, а потери тепла теплопроводностью более чем на два порядка ниже потерь излучением. Такие условия, позволяющие считать относительную погрешность определения ет не выше 1 %, наступают в вакууме при давлении порядка 10-²—10-³ н/м².

Физическая сущность параметра k качественно ясна из определения. Однако для получения количественных соотношений необходимо детальное рассмотрение составляющих мощности рассеяния Р,

Мощность Р, подводимая к терморезистору в установившемся режиме, рассеивается путем совместного действия конвекции и теплопроводности Р_к через слой газа и лучеиспусканием Р_л, а также теплопроводностью по подводящим проводам Р_п:

Выражая это же соотношение через коэффициенты теплообмена, получим:

на а в этом случае с указанной точностью будет выражаться соотношениями:

Предполагается, что ввиду небольших значений коэффициента теплообмена и высокой теплопроводности материала контактных колпачков температура их поверхности равна температуре рабочей части терморезистора, и в первом приближении T_S-T.

Полные потери тепла Р_п через подводящие провода определяется как сумма потерь теплопроводностью через два тонких полуограниченных стержня бесконечной длины:

После подстановки значения Р_п из уравнения (137) в (136) получим для проводов круглого сечения.

В соответствии с условиями опыта а « а_л. Следовательно, значения а легко рассчитываются по формуле (135):

Оставшаяся составляющая коэффициента теплообмена а_к, обусловленная совместным действием конвекции и теплопроводности, является основной и для ее определения поставлены специальные исследования. Для проведения эксперимента создана установка, схема которой изображена на рис. 17. Основными узлами экспериментальной установки являются две сменные рабочие камеры 1 и 16, помещенные в ванну термостата 4, вакуумные насосы 11 и 13 и система рабочих (7, 9, 14) и контрольных (10, 17, 18) вакуумметров.

Различные размеры рабочих камер, представляющие собой цилиндрические стеклянные колбы диаметром 9 и 3 см, позволяют моделировать процессы теплообмена терморезисторов как в условиях ограниченного, так и неограниченного пространства.

Для повышения точности непрерывных измерений в пределах от 0,1 до 100 н/м² температура колбы измерительной лампы ЛТ-2 термопарного вакуумметра поддерживается постоянной, для чего на лампу насажена металлическая рубашка 6, через которую циркулирует термостатирующая жидкость при 293,2° К. Кроме того, перед началом опыта в системе устанавливается давление ниже 10-² н/м² и при включенном ионизационном вакуумметре корректируется ток накала лампы ЛТ-2. Эти два мероприятия повышают точность измерения термопарным вакуумметром до ±5%.

Погрешность вакуумметра образцового трубчатого типа обусловлена в основном смещением начала отсчета давлений на шкале прибора, вызываемая колебаниями атмосферного давления. В связи с этим для получения надежных результатов измерения давления порядка сотен ньютонов на квадратный метр перед началом измерений устанавливается начало отсчета. Эта операция выполняется при давлении порядка 10 н/м² и ниже с тем, чтобы установленная величина давления находилась за пределами порога чувствительности трубчатого вакуумметра.

Точные контрольные измерения в пределах от атмосферного давления до 10"² н/м² осуществляются ртутным U-образным вакуумметром 18 открытого типа в сочетании с компрессионным вакуумметром Мак-Леода 10. Кроме того, диапазон от 1 • 10² до 7-Ю³ н/м² дублируется Масляным вакуумметром 17 с удельным весом масла 0,897 г/сж³, что обеспечивает повышение чувствительности по сравнению с ртутным в 15,2 раза. В условиях незначительных колебаний комнатной температуры (0 =293±5°К) погрешность измерения давления будет субъективной, зависящей в основном от неправильного отсчета по шкале. При ошибке отсчета 0,1 мм величины максимальных относительных погрешностей d_m будут следующими:

а) в диапазоне 1—10⁵ н/м²— 6_Ш=1,3%;

б) в диапазоне 0,1—1 н/м²— Sm=3,4%;

в) при давлении порядка 1 • 10-² н/м²— 6™= 13,2%.

Таким образом, описанная экспериментальная установка позволяет получить основные характеристики терморезисторов: температурные -и вольт-амперные в рабочем диапазоне температур и при давлениях рабочей среды от атмосферного до 1,ЗЗХ10^-2 н/м². Эти характеристики являются исходным материалом для отыскания закономерностей переноса тепла внутри терморезистора и на его границе с окружающей средой в условиях стационарного режима. На этой же установке, снабженной шлейфовым осциллографом, получены экспериментальные данные для расчета динамических параметров терморезистора.

Экспериментальные данные обработаны методом наименьших квадратов, а результаты обработки представлены в виде эмпирических зависимостей -и обобщенных критериальных уравнений теплообмена.

Прежде чем приступить к экспериментальному исследованию закономерностей теплообмена терморезисторов в вакууме, необходимо остановиться на некоторых особенностях их работы при давлениях в состоянии ультраразрежения, когда характерный размер системы становится малым по сравнению со средней длиной свободного пробега I. Необходимость такого анализа вызвана возникающими в условиях ультраразрежения нарушениями температурного режима газа, что при повышенной чувствительности терморезисторов к изменениям температуры может существенно повлиять на их физические и электрические параметры.

В первой главе были получены соотношения (25) — (40), учитывающие особенности температурного режима ультраразреженного газа.

Для экспериментальной проверки этих соотношений проведены измерения сопротивления терморезисторов. Измерения производились методом амперметра-вольтметра приборами класса точности не ниже 1,0 при следующих условиях: 1) в диапазоне температур окружающей среды от 273,2 до 353,2° К через каждые 20° при давлениях 10⁵; 13,3; 1,33; 1,33- 10-¹ и 1,33 • 10^-2 н/м², (за температуру окружающей среды принята температура рабочей камеры, рис. 17); 2) мощность рассеяния терморезисторов при измерении их сопротивлений не превышала 5 • 10-⁵ вт.

По экспериментальным и вычисленным данным построены графики (рис. 18, 19), из которых видно, что в диапазоне давлений от атмосферного до 13,3 н/ж² изменение давления практически не влияет на величину 7 то и постоянную материалов В, определяемую из уравнения (76).

В работе рассматривается влияние давления на характеристики терморезисторов, изготовленных из окислов марганца. При этом отмеченное влияние давления на температурные характеристики объясняется изменением физико-химических свойств материалов, т. е. изменением энергии активации, характеризующей число носителей тока в терморезисторе. В данном случае подобное объяснение не может быть приемлемым вследствие того, что наблюдаемый эффект происходит не в области наибольшего изменения давления, как следовало бы ожидать, а в области очень низких его значений.

Полученные результаты экспериментального исследования подтвердили правильность выведенных аналитических зависимостей и показали, что на физические параметры полупроводникового материала исследуемых терморезисторов не влияют изменения давления внешней среды. Последнее, кстати, подтверждает электронный характер проводимости у терморезисторов типа КМТ-1 и КМТ-11.