Застосування терморезисторов (термісторів) для вимірювання температури
Терморезистори (термістори) - це резистори, опір яких сильно змінюється в залежності від температури. Термістори виготовляються на основі напівпровідникового матеріалу і мають нелінійну вольт-амперну характеристику. Термістори з позитивним температурним коефіцієнтів опору (ТКС) називаються позисторами. Завдяки чутливості до температури термістори використовуються для вимірювання температури і побудови систем управління температурою в технологічному і лабораторному устаткуванні.
Терморезистор виготовляються на основі напівпровідникового оксиду металів, спресованого для отримання заданої форми. Механічна міцність і захист від впливів навколишнього середовища забезпечується за допомогою металевого корпусу або захисного ізолюючого шару. Термістори мають нелінійну вольт-амперну характеристику і дуже високу температурну чутливість в порівнянні з іншими типами датчиків температури. Типове значення ТКС для термісторів становить -5% на градус, в той час як для платинового термоперетворювача (RTD) він становить 0,4% на градус.
Типовий діапазон температур термисторов досить вузький (-60. + 150С), для деяких зразків він розширений до (-60. + 300С).
Залежність опору термісторів від температури в діапазоні кількох десятків градусів задовільно описується експоненціальною функцією (рис.1)
де А - опір при нескінченно великій температурі, В - коефіцієнт температурної чутливості (його значення зазвичай лежать в діапазоні 1200-16000).
З виразу (1) можна отримати зв'язок між ТКС терморезистора () і коефіцієнтом температурної чутливості у вигляді
Величину ТКС зазвичай призводять в довідниках для температури 20 ° С (293 К).
Рис.1. Залежність опору від температури для термистора ММТ-1 22кОм.
При протіканні струму через терморезистор він нагрівається, що збільшує похибку вимірювань. Тому при виборі терморезистора необхідно враховувати його коефіцієнт розсіювання. який визначається як потужність, яка веде до нагрівання терморезистора на 1 градус щодо температури навколишнього середовища. Для зниження похибки, викликаної власним розігрівом термистора, необхідно збільшувати площу його поверхні, однак це призводить до збільшення теплової інерційності, яка характеризується величиною постійною часу. Постійна часу терморезистора дорівнює часу, протягом якого його температура змінюється в е раз (на 63%) при перенесенні термистора з повітряного середовища з температурою 0 град. Цельсія в повітряне середовище з температурою 100 град. Типові значення постійних часу лежать в діапазоні від десятих часток секунди до декількох хвилин.
У зв'язку з сильною нелінійністю температурної залежності терморезистори не можуть бути використані без компенсації нелінійності (лінеаризації) їх характеристики. Для цієї мети використовують нелінійні аппроксимирующие функції, коефіцієнти яких підбирають методом найменших квадратів або іншими методами параметричної ідентифікації. Цей недолік термисторов сильно обмежував їх застосування до появи засобів вимірювання температури, побудованих на базі комп'ютера. Застосування комп'ютера дозволяє легко компенсувати нелінійність програмним шляхом. Ця особливість збільшила інтерес до застосування термісторів в останні роки і ініціювала подальші дослідження в напрямку поліпшення їх стабільності, точності та взаємозамінності.
Для компенсації нелінійності термисторов використовують формулу Стейнхард-Харта:
де температура дана в градусах Кельвіна (К = С + 273,15); - опір термістора. Коефіцієнти рівняння підбираються з умови найкращого наближення до експериментально отриманої залежності або поставляються виробником термистора.
Ланцюг вимірювання температури з використанням термистора складається з джерела струму і самого термистора. Падіння напруги на термісторі прямо пропорційно його опору і зчитується диференціальним підсилювачем. Для усунення паразитного впливу перешкод підсилювач повинен мати досить великий коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу.
Кілька найгірший результат за температурної чутливості дають вимірювальні схеми, в яких струм термистора задається не від ідеального джерела струму, а від джерела напруги через послідовно включене опір.
Чутливість схеми вимірювання температури пропорційна величини струму через термістор. Тому цей струм слід вибирати якомога більше, але так, щоб похибка. вноситься ефектом саморазогрева термистора, перебувала в допустимих межах. Перегрів термистора на 1 градус викликається потужністю, яка дорівнює його коефіцієнту розсіювання.
Коефіцієнт розсіювання істотно залежить від теплопровідності середовища, в якій знаходиться терморезистор (вода, повітря, контакт з металом), тому необхідно брати до уваги умови, при яких він вимірюється виробником. При використанні термистора в іншому середовищі необхідно попередньо вимірювати коефіцієнт розсіювання. Наприклад, якщо на термісторі розсіюється потужність 2 мВт, а його коефіцієнт розсіювання дорівнює 10 мВт / град, то саморозігрів термистора складе 0,2 град. Якщо необхідна похибка вимірювання повинна бути менше, слід зменшити струм через термістор і поліпшити екранування токоподводящих проводів, оскільки при зменшенні струму погіршується ставлення сигнал / перешкода.
Для поліпшення відносини сигнал / перешкода при значній відстані термодатчика від системи збору даних використовують фільтр нижніх частот з смугою, яка залежить від необхідної швидкості вимірювань і теплової інерційності термодатчика. Типовим застосуванням задовольняє фільтр третього порядку з смугою 5 Гц, наприклад, фільтр RL-8F3 із серії RealLab! .