Сопротивление терморезистора: Терморезисторы. Виды и устройство. Работа и параметры

Терморезисторы. Виды и устройство. Работа и параметры

Полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от температуры называются терморезисторы. Они имеют свойство значительного температурного коэффициента сопротивления, величина которого больше, чем у металлов во много раз. Они широко применяются в электротехнике.

Они имеют простую конструкцию, выпускаются разных размеров и формы.

В полупроводниках есть свободные носители заряда двух видов: электроны и дырки. При неизменной температуре эти носители произвольно образуются и исчезают. Среднее количество свободных носителей находится в динамическом равновесии, то есть неизменно.

При изменении температуры равновесие нарушается. Если температура повышается, то число носителей заряда также увеличивается, а при снижении температуры концентрация носителей уменьшается. На удельное сопротивление полупроводника оказывает влияние температура.

Если температура подходит к абсолютному нулю, то полупроводник имеет свойство диэлектрика. При сильном нагревании он идеально проводит ток. Основной особенностью терморезистора является то, что его сопротивление наиболее заметно зависит от температуры в обычном интервале температур (-50 +100 градусов).

Популярные терморезисторы производятся в виде стержня из полупроводника, который покрыт эмалью. К нему подведены электроды и колпачки для контакта. Такие резисторы применяются в сухих местах.

Некоторые терморезисторы располагают в металлическом герметичном корпусе. Поэтому они могут использоваться во влажных местах с агрессивной внешней средой.

Герметичность корпуса создается при помощи олова и стекла. Стержни из полупроводника обернуты металлизированной фольгой. Для подключения тока применяется проволока из никеля. Величина номинального сопротивления составляет 1-200 кОм, температура работы -100 +129 градусов.

Принцип действия терморезистора основан на свойстве изменения сопротивления от температуры. Для изготовления используются чистые металлы: медь и платина.

На электрических схемах терморезисторы обозначаются:

Основные параметры

• ТКС – термический коэффициент сопротивления, равен изменению сопротивления участка цепи при изменении температуры на 1 градус. Если ТКС положительный, то терморезисторы называют позисторами (РТС-термисторы). А если ТКС отрицательный, то термисторами (NТС-термисторы). У позисторов при повышении температуры повышается и сопротивление, а у термисторов все происходит наоборот.
• Номинальное сопротивление – это величина сопротивления при 0 градусах.
• Диапазон работы. Резисторы делят на низкотемпературные (менее 170К), среднетемпературные (от 170 до 510 К), высокотемпературные (более 570К).
• Мощность рассеяния. Это величина мощности, в пределах которой терморезистор во время работы обеспечивает сохранение заданных параметров по техническим условиям.

Виды и особенности терморезисторов

Все датчики температуры на производстве работают по принципу преобразования температуры в сигнал электрического тока, который можно передавать с большой скоростью на дальние расстояния. Любые величины можно преобразовать в электрические сигналы, переведя их в цифровой код. Они передаются с высокой точностью, и обрабатываются вычислительной техникой.

Металлические терморезисторы

Материалом для терморезисторов можно использовать далеко не любые проводники тока, так как к терморезисторам предъявляются некоторые требования. Материал для их изготовления должен иметь высокий ТКС, а сопротивление должно зависеть от температуры по линейному графику в большом интервале температур.

Также проводник из металла должен обладать инертностью к агрессивным действиям внешней среды и качественно воспроизводить характеристики, что дает возможность менять датчики без особых настроек и измерительных приборов.

Для таких требований хорошо подходят медь и платина, не считая их высокой стоимости. Терморезисторы на их основе называют платиновыми и медными. ТСП (платиновые) термосопротивления работают при температурах -260 — 1100 градусов. Если температура в пределах от 0 до 650 градусов, то такие датчики применяют в качестве образцов и эталонов, так как в этом интервале нестабильность составляет не более 0,001 градусов.

Из недостатков платиновых терморезисторов можно назвать нелинейность преобразования и высокую стоимость. Поэтому точные замеры параметров возможны только в рабочем диапазоне.

Практически широко применяются недорогие медные образцы терморезисторов ТСМ, у которых линейность зависимости сопротивления от температуры намного выше. Их недостатком является малое удельное сопротивление и неустойчивость к повышенным температурам, быстрая окисляемость. В связи с этим термосопротивления на основе меди имеют ограниченное использование, не более 180 градусов.

Для монтажа платиновых и медных датчиков применяют 2-проводную линию при расстоянии до прибора до 200 метров. Если удаление больше, то применяют трехжильный кабель, в котором третий проводник служит для компенсирования сопротивления проводов.

Из недостатков платиновых и медных терморезисторов можно отметить их малую скорость работы. Их тепловая инерция достигает нескольких минут. Существуют терморезисторы с малой инерционностью, время срабатывания которых не выше нескольких десятых секунды. Это достигается небольшими размерами датчиков. Такие термосопротивления производят из микропровода в стеклянной оболочке. Эти датчики имеют небольшую инерцию, герметичны и обладают высокой стабильностью. При небольших размерах они обладают сопротивлением в несколько кОм.

Полупроводниковые

Такие сопротивления имеют название термисторов. Если их сравнить с платиновыми и медными образцами, то они обладают повышенной чувствительностью и ТКС отрицательного значения. Это значит, что при возрастании температуры сопротивление резистора снижается. У термисторов ТКС намного больше, чем у платиновых и медных датчиков. При небольших размерах их сопротивление доходит до 1 мегома, что не позволяет оказывать влияние на измерение сопротивлению проводников.

Для осуществления замеров температуры большую популярность приобрели терморезисторы на полупроводниках КМТ, состоящих из оксидов кобальта и марганца, а также термосопротивления ММТ на основе оксидов меди и марганца. Зависимость сопротивления от температуры на графике имеет хорошую линейность в интервале температур -100 +200 градусов. Надежность терморезисторов на полупроводниках довольно высока, свойства имеют достаточную стабильность в течение длительного времени.

Основным их недостатком является такой факт, что при массовом изготовлении таких терморезисторов не получается обеспечить необходимую точность их характеристик. Поэтому один отдельно взятый резистор будет отличаться от другого образца, подобно транзисторам, которые из одной партии могут иметь различные коэффициенты усиления, трудно найти два одинаковых образца. Этот отрицательный момент создает необходимость дополнительной настройки аппаратуры при замене терморезистора.

Для подключения термисторов обычно применяют мостовую схему, в которой мост уравновешивается потенциометром. Во время изменения сопротивления резистора от действия температуры мост можно привести в равновесие путем регулировки потенциометра.

Такой метод ручной настройки используется в учебных лабораториях для демонстрации работы. Регулятор потенциометра оснащен шкалой, которая имеет градуировку в градусах. На практике в сложных схемах измерения эта регулировка происходит в автоматическом режиме.

Применение терморезисторов

В работе термодатчиков существует два режима действия. При первом режиме температура датчика определяется лишь температурой внешней среды. Протекающий по резистору ток маленький и не способен его нагреть.

При 2-м режиме термистор нагревается протекающим током, а его температура определяется условиями отдачи тепла, например, скоростью обдува, плотностью газа и т.д.

На схемах термисторы (NТС) и резисторы (РТС) имеют соответственно отрицательный и положительный коэффициенты сопротивления, и обозначаются следующим образом:

Применение термисторов:

• Измерение температуры.
• Бытовая техника: морозильники, фены, холодильники и т.д.
• Автомобильная электроника: измерение охлаждения антифриза, масла, контроль выхлопных газов, системы торможения, температура в салоне.
• Кондиционеры: распределение тепла, контроль температуры в помещении.
• Отопительные котлы, теплые полы, печи.
• Блокировка дверей в устройствах нагревания.
• Электронная промышленность: стабилизация температуры лазерных фотоэлементов и диодов, а также медных обмоток катушек.
• В мобильных телефонах для компенсации нагрева.
• Ограничение тока запуска двигателей, ламп освещения, импульсных блоков питания.
• Контроль наполнения жидкостей.

Применение позисторов:

• Защита от короткого замыкания в двигателях.
• Защита от оплавления при токовой перегрузке.
• Для задержки времени включения импульсных блоков питания.
• Мониторы компьютеров и кинескопы телевизоров для размагничивания и предотвращения нарушения цвета.
• В пускателях компрессоров холодильников.
• Тепловая блокировка трансформаторов и двигателей.
• Приборы измерения.
• Автоматика управления техникой.
• Устройства памяти информации.
• В качестве нагревателей карбюраторов.
• В бытовых устройствах: закрывание дверки стиральной машины, в фенах и т.д.

Похожие темы:

• Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект
• Термостаты. Виды и работа. Устройство и применение. Особенности
• Датчики температуры. Виды и принцип действия, Как выбрать
• Терморегуляторы. Виды и работа. Применение и особенности
• Тепловые реле. Виды и устройство. Работа и применение

Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики (Автоматизация)

Глава 9

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

§ 9.1. Назначение. Типы терморезисторов

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.

§ 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 Т₀и имел сопротивление . При нагреве до температуры Т его сопротивление R_T = ^T. Возьмем отношение

 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_Tна рис. 9.4, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь тер­мистора R_Tвключить добавочный резистор R_ДОБ(рис. 9.4, б) с пря­молинейной характеристикой (кривая U_Rна 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 U₀При 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_Дв 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,

В лекции “9. Билеты для самотестирования по ключевым вопросам” также много полезной информации.

а за время / до температуры Т^,_ср=0_>99^оС. 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).

Расчет температуры по сопротивлению — датчики North Star

Расчет температуры по сопротивлению

Одной из важных характеристик термистора NTC является его способность неоднократно и предсказуемо изменять свое сопротивление в зависимости от температуры тела.

Характеристика зависимости сопротивления от температуры (R/T) (также известная как кривая R/T) термистора NTC формирует эталонную «шкалу» для устройства, используемого в качестве датчика температуры. Характеристика R/T термистора NTC представляет собой нелинейную отрицательную экспоненциальную функцию.

Существует четыре основных способа, которыми производители термисторов с отрицательным температурным коэффициентом определяют характеристики кривой R/T термистора с отрицательным температурным коэффициентом: по уравнению Стейнхарта-Харта , по коэффициенту сопротивления между двумя температурными точками, по коэффициенту бета  ( β) и/или Alpha (α) или отрицательный температурный коэффициент [NTC]  при 25 °C.

Уравнение Стейнхарта-Харта

Уравнение Стейнхарта-Харта обеспечивает превосходную аппроксимацию кривой для определенных интервалов температур в диапазоне температур от -80 ̊C до 260 ̊C. 92 члена уравнения, мы в North Star Sensors, основываясь на опубликованных исследованиях, считаем, что эта практика была основана на чрезмерном упрощении уравнения Штейна-Харта Харта и должна использоваться только в относительно узких диапазонах температур. Если вам нужна дополнительная техническая информация, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Для определения коэффициентов A, B, C, D для определенного диапазона температур сопротивление термистора NTC измеряется в условиях нулевой мощности в четырех температурных точках, где T1 — самая низкая температура диапазона, T2 и Т3 – это средние температуры, а Т4 – это самые высокие температуры диапазона. Наш любимый метод расчета коэффициентов — умножение матриц в электронной таблице. Мы создали калькулятор, который поможет вам рассчитать коэффициенты:

Калькулятор коэффициентов Стейнхарта-Харта – версия Excel

Важно отметить, что сопротивления и температуры для этого калькулятора ограничены конкретными кривыми NTC.

При использовании уравнения Стейнхарта-Харта необходимо соблюдать определенные меры предосторожности, чтобы пользователь мог достичь желаемой точности и неопределенности вычисляемых данных зависимости сопротивления от температуры. Понимая сильные стороны и ограничения уравнения Стейнхарта-Харта, можно оптимизировать результаты для конкретного приложения. Ниже перечислены некоторые рекомендации, которые показывают величину ошибки интерполяции, вносимую уравнением для каждого из следующих условий, где диапазон температур, для которого должны быть рассчитаны данные R/T, определяется конечными точками tlow и бедренная кость, выраженными в единицах градусы Цельсия (°C):

1. ≤ 0,001 °C погрешность для 50 °C   интервалы температур в диапазоне температур (t) 0 °C ≤ t ≤ 260 °C.

2. ≤ 0,01 °C погрешность для диапазона температур 50 °C в диапазоне температур (t) -80 °C ≤ t ≤ 0 °C.

3. Погрешность ≤ 0,01 °C для диапазона температур 100 °C в диапазоне температур (t) 0 °C ≤ t ≤ 260 °C.

4. Погрешность ≤ 0,02 °C для диапазона температур 100 °C в диапазоне температур (t) -80 °C ≤ t ≤ 25 °C.

Если в приложении требуется аппроксимация кривой с максимально возможной точностью в диапазоне температур, превышающем 50 °C или 100 °C, желаемый диапазон температур может быть разбит на приращения 50 °C или 100 °C для расчета коэффициенты A, B, C, D и сопротивление в зависимости от температуры. Таблицы соотношения сопротивления (Rt/R25) и температуры, опубликованные North Star Sensors, были получены на основе расчетов по уравнению Стейнхарта-Харта, выполненных для нескольких диапазонов температур 50 °C, таких как от -50 °C до 0 °C, от 0 °C до 50 °C. С, от 50°С до 100°С и от 100°С до 150°С.

Конкретные коэффициенты термистора A, B, C, D зависят как от кривой термистора NTC, так и от R25 этого термистора. Например, часть кривой 44 с R25 10 кОм и часть кривой 40 с R25 10 кОм будут иметь разные коэффициенты A, B, C, D, даже если они имеют одинаковое сопротивление при 25 °C. Кроме того, часть кривой 44 с R25 10 кОм и часть кривой 44 с R25 5 кОм также будут иметь разные коэффициенты A, B, C, D, даже если они имеют одинаковую кривую. Однако любая деталь с такой же кривой и одинаковым R25 будет иметь одинаковые коэффициенты A, B, C, D в пределах своего диапазона допуска.

Щелкните здесь, чтобы просмотреть несколько примеров коэффициентов A, B, C, D по кривой и R25

В отличие от коэффициентов A, B, C, D, все термисторы одной кривой имеют одинаковое значение отношения R/R25. Компания North Star Sensors опубликовала таблицы соотношения R/R25 для каждого материала термистора. Таблицы R/T при температуре 1 °C также публикуются для обычных значений R25. Пожалуйста, свяжитесь с North Star Sensors, если вам нужна дополнительная информация или спецификации R/T.

Щелкните здесь для получения дополнительной информации о температурных кривых датчиков North Star

 Бета (β)

Значение бета (β) термистора является индикатором наклона характеристики кривой сопротивление-температура и рассчитывается путем измерения значений сопротивления устройства в условиях нулевой мощности, в двух температурных точках, обычно при 0 ̊C и 50 ̊C. Затем значения сопротивления вводятся в следующее уравнение:

Где T1 = 273,15 K (0 °C) и T2 = 323,15 K (50 °C) и R1 и R2 — сопротивление (Ом) при соответствующих температурах.

 Значение β не является истинной константой материала и зависит от температуры. Однако он полезен для расчета значений сопротивления в узком диапазоне температур. В зависимости от температурного диапазона ошибки, связанные с расчетами бета-версии, варьируются от ошибки 0,01 °C в диапазоне 10 °C до ошибки 0,3 °C в диапазоне 50 °C.

Вот различные температурные диапазоны для значений β кривых датчиков North Star:

Кривая:	44	35	38	40	43	47
0 °C / 50 °C β:	3891	3107	3407	3575	3811	4142
25 °C / 85 °C β:	3978	3192	3486	3694	3943	4262
0 °C / 70 °C β:	3918	3132	3430	3610	3850	4178
25 °C / 125 °C β:	4007	н/д	н/д	3746	4001	4313

Отношение сопротивления к температуре

Производители термисторов с отрицательным температурным коэффициентом также определяют свои различные материалы R/T, публикуя отношения сопротивления и допуски отношения для R0/R50, R0/R70 и R25/R125, где «Rt» — сопротивление при нулевой мощности. при соответствующей температуре в градусах Цельсия. Если указан допуск процентного отношения, указанный процент зависит от того, используется ли термистор в качестве точечного согласованного устройства с более широким допуском или сменного устройства с жестким допуском.

Вот различные значения соотношения кривых R/T компании North Star Sensors:

Кривая:	44	35	38	40	43	47
0 ̊C / 70 ̊C Соотношение:	18,65	10,38	12,96	14,82	17,73	22,64
0 ̊C / 50 ̊C Отношение:	9.062	5.814	6.889	7,575	8,659	10.448
25 ̊C / 125 ̊C Соотношение:	29. 248	н/д	н/д	23.474	29.098	37.850

Таблицы 1 °C для значений коэффициента сопротивления для каждой кривой при каждой температуре можно найти на следующей странице:

Температурные кривые датчиков North Star

Отрицательный температурный коэффициент [NTC]

Температурный коэффициент сопротивления или альфа (∝) термистора определяется как отношение скорости изменения сопротивления с температурой к сопротивление термистора при заданной температуре (T), как показано в следующем выражении:

 Где T  = температура в Кельвинах и R = сопротивление в Омах при температуре T.

Значение альфа используется для расчета температурного коэффициента термистора NTC в температурной точке.

Для термисторов NTC альфа или температурный коэффициент выражается в единицах минус процент изменения сопротивления на градус Цельсия. Из-за полупроводниковой природы термистора NTC температурный коэффициент сопротивления уменьшается с повышением температуры и наоборот. Обычно, когда используется для указания материала кривой R/T, используется NTC на R25.

Компания North Star Sensors использует NTC на R25 для каждого из своих материалов R/T Curve в базовом номере термистора, чтобы упростить сопоставление своих термисторов с кривыми отраслевого стандарта. Например, кривая 44 имеет значение NTC, равное -4,4 %/°C

Поскольку NTC отличается для каждой температурной точки на кривой R/T, взаимозаменяемые термисторы NTC указаны с температурным допуском, а не с допуском сопротивления в диапазоне температур. [т.е. ± 0,2 °С от 0 °С до 100 °С]. Поскольку температурный допуск пропорционален процентному допуску электрического сопротивления в конкретной температурной точке, NTC полезен для расчета допусков сопротивления, выраженных в процентах. Допуск сопротивления в процентах определяется путем умножения заданного допуска температуры на NTC термистора в заданной температурной точке.

NTC (%/°C) × допуск температуры (± °C) =   ± % допуск сопротивления.

Например, для определения допустимого отклонения сопротивления термистора Curve 44 с допуском ± 0,2 °C при 100 °C, -2,93 % / °C [NTC при 100 °C]  × (±0,2) [Допуск температуры] =  ± 0,586 % Допуск сопротивления .

Вот значения NTC при 25 ̊C для кривых R/T датчиков North Star:

Таблицы значений NTC для 1 °C для каждой кривой при каждой температуре рядом со значениями отношения сопротивлений можно найти на следующей странице. :

Температурные кривые датчиков North Star

Как выбрать термистор NTC

Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) изготовлены из спеченного оксида металла. Они демонстрируют значительное снижение сопротивления пропорционально небольшому повышению температуры.

Их сопротивление рассчитывается путем пропускания небольшого и измеренного постоянного тока (DC) через термистор и измерения возникающего падения напряжения.

 Применения

• Измерение температуры
• Температурная компенсация
• Контроль температуры

• Диапазон температур
  • При выборе датчика температуры в первую очередь следует учитывать температурный диапазон применения.
  • Поскольку термисторы NTC хорошо работают в рабочем диапазоне от -50°C до 250°C, они хорошо подходят для широкого спектра применений в различных отраслях промышленности.
• Точность
  • Из основных типов датчиков термистор NTC способен достигать наивысшей точности в диапазоне от -50°C до 150°C и до 250°C для термисторов в стеклянном корпусе.
  • Диапазон точности от 0,05°C до 1,00°C.
• Стабильность
  • Стабильность важна в приложениях, где целью является долгосрочная работа. Датчики температуры могут дрейфовать со временем, в зависимости от их материалов, конструкции и упаковки.
  • Терморезистор NTC с эпоксидным покрытием может изменяться на 0,2°C в год, в то время как герметично закрытый терморезистор изменяется только на 0,02°C в год.
• Упаковка
  • Требования к упаковке определяются средой, в которой будет использоваться датчик.
  Термисторы
  • NTC могут быть изготовлены по индивидуальному заказу и помещены в различные корпуса в зависимости от требований применения. Они также могут быть покрыты эпоксидной смолой или покрыты стеклом для дополнительной защиты.
• Помехоустойчивость
  • Термисторы NTC обладают отличной устойчивостью к электрическим помехам и сопротивлению проводов.

 

Дополнительные сведения

• Термисторы NTC обладают особыми электрическими свойствами:
  • Текущая характеристика
  • Вольт-амперная характеристика
  • Характеристика сопротивление-температура
• Тип и размер продукта
  • Пользователь термистора обычно знает, что ему нужно с точки зрения размера, теплового отклика, временного отклика и других физических характеристик, которые входят в конфигурацию термистора. Должно быть легко сузить выбор термисторов NTC даже при отсутствии данных, но необходимо провести тщательный анализ предполагаемого применения термистора.
• Кривые сопротивление-температура
  • Листы данных Ametherm содержат таблицу или матрицу отношений сопротивления в зависимости от температуры для каждого из их термисторов NTC. Коэффициенты α и β также предусмотрены для конкретных уравнений, чтобы помочь пользователю или разработчику перевести допустимое сопротивление в термины точности температуры, а также рассчитать температурный коэффициент для каждой кривой.
  • Существует довольно широкий спектр материалов, которые можно использовать для изготовления термисторов, но существуют ограничения, связанные с размером, диапазоном рабочих температур и температур хранения, а также значениями номинального сопротивления.
• Номинальное значение сопротивления
  • Следующим фактором, который следует учитывать, является необходимость сопоставления кривой или точки приложения. Это позволит рассчитать необходимое номинальное значение сопротивления при заданной температуре.
    Ametherm предлагает полный диапазон значений номинального сопротивления для своих термисторов NTC. Стандартная эталонная температура составляет 25°C, но покупатели и дизайнеры могут запросить другую температуру.
  • Предостережение: если желаемое сопротивление недоступно в сочетании типа продукта и компонента материала, необходимо принять решение о том, какая характеристика имеет приоритет: тип/размер продукта, предпочтительный материал или коэффициент сопротивления.
• Допуск сопротивления
  • При просмотре спецификаций продукции Ametherm предоставляет стандартные допуски. Например, дисковые или чиповые термисторы обычно имеют распределение сопротивления при нулевой мощности от ± 1% до ± 20%.
  • Чтобы сэкономить на затратах, Ametherm рекомендует максимально широкий допуск, соответствующий предполагаемому использованию.

Типы термисторов NTC

• Диск и чип: Они поставляются в конфигурации с покрытием или без него, с оголенными или лужеными медными выводами. Имеются термисторы для широкого диапазона значений сопротивления в соответствии с
  в любой ситуации.
• Эпоксидная смола: Эпоксидная смола, покрытая окунанием и припаянная между проводами в оболочке из тефлона/ПВХ. Их небольшие размеры обеспечивают легкую установку, и они могут быть согласованы по точкам или кривым.
• Со стеклянным корпусом: Отличный выбор при работе в экстремальных условиях окружающей среды и когда стабильность имеет первостепенное значение. Конфигурации включают термисторы
  с радиальными или осевыми выводами.
• Датчики в сборе: Доступно в
  в зависимости от требований применения.
• Поверхностное крепление: Варианты конфигурации включают объемную, ленту и катушку, двустороннюю и обертывание с наконечниками из палладиевого серебра. Изготовленные из никелевого барьера, эти термисторы отлично работают в прецизионных цепях.

 

 Возможные расчеты

• α – постоянная (%/°C) сопротивление мощности с температурой к сопротивлению нулевой мощности термистора.
  
  
• β – постоянная (°K)
  Постоянная материала термистора NTC является мерой его сопротивления при одной температуре по сравнению с его сопротивлением при другой температуре. Эталонные температуры, используемые в следующей формуле для термисторов Atherm, составляют 298,15°K и 348,15°K.
  

Вы можете рассчитать сопротивление термисторов NTC при заданной температуре, используя коэффициент бета, как показано выше, но есть еще более точный способ сделать это с помощью уравнения Стейнхарта и Харта.

Вы можете измерить диапазон температур термистора NTC с помощью моста Уитстона.

Дополнительные ресурсы

• Что такое термистор NTC
  Резюме: Объясняет, что такое термистор NTC и его возможности в качестве датчика температуры. Описаны термисторы и датчики NTC компании Ametherm, а также использованная терминология.
• Термисторы NTC — измерение температуры с помощью моста Уитстона
  Резюме: Мост Уитстона — это один из самых простых способов измерения температуры, который объясняет, как она рассчитывается, на конкретном примере с определенными переменными.