Обзор литературы. 
Оборудование для измерения температуры

Термисторы — это терморезистивные преобразователи, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов — NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC (с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип — NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в основном в системах сигнализации и контроля.

Конструкция и материалы Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы:

• — бусинковые (0,1−1 мм),
• — дисковые (2,5−18 мм),
• — целиндрические (3−40 мм),
• — пленочное покрытие (толщина 0,2−1 мм).

Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток. Большинство термисторов — керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100−1300 °С. Сложные двойные и тройные структуры оксидов переходных металлов, такие как (AB)₃O₄, (ABC)₃O₄ лежат в основе термисторов. Распространенной формулой является (Ni_0.2Mn_0.8)₃O₄. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 °C являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС. Удельная проводимость термистора зависит от химического состава и степени окисления. Дополнительное управление проводимостью осуществляется добавлением очень малых концентраций таких металлов как Li и Na.

При изготовлении бусинковых термисторов бусинки наносятся на две параллельные платиновые проволоки при температуре 1100 °C, проволоки разрезаются на куски для получения необходимой конфигурации выводов. На бусинки наносится стеклянное покрытие, спекаемое при 300 °C, либо бусинки герметизируются внутри миниатюрных стеклянных трубок. Для получения металлических контактов в дисковых термисторах, на диск наносится металлическое покрытие Pt-Pd-Ag и выводные проводники соединяются с покрытием пайкой или прессованием.

Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения. 3].

Зависимость сопротивления термистора от температуры Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой.

R (T) = A exp (b/T).

где A, b — постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.

Однако, сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта.

1/T = a+b (lnR)+c (lnR)³

где T — температура в К;

R — сопротивление в Ом;

a, b, c — константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °C.

Типичный 10 кОм термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0−100 °С близкие к следующим значениям:

a = 1,03 10^-3 К^?1

b = 2,93 10^-4 К^?1

c = 1,57 10^-7 К^?1

Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т. е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °C. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки.

Градуировка термисторов может осуществляться в жидкостных термостатах. Необходимо герметизировать термисторы, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для градуировки и вычисления констант проводится сличение термистора с образцовым платиновым термометром. В диапазоне от 0 до 100 °C сличение проводится в точках с интервалом 20 °C. Погрешность интерполяции обычно не превышает 1 -5 мК при использовании модифицированного уравнения Стейнхарта и Харта:

1/T = a+b (lnR)+c (lnR)² + d (lnR)³

Могут также использоваться реперные точки: тройная точка воды (0,01 °С), точка плавления галлия (29,7646 °С), точки фазовых переходов эвтектик и органических материалов. Для градуировки нескольких термисторов они могут быть соединены последовательно, так чтобы через них проходил одинаковый ток. При градуировке и использовании термисторов важно учитывать эффект нагрева измерительным током. Для 10 кОм — ого термистора рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК), до 100 мкА (погрешность 10 мК).

Стабильность Причины нестабильности термисторов следующие:

• — напряжения, возникающие в материале при термоциклировании и образование микротрещин;
• — структурные изменения в полупроводнике;
• — внешнее загрязнение (водой и др. веществами) и в результате химические реакции в порах и на поверхности полупроводника;
• — нарушение адгезии металлической пленки;
• — миграция примесей из металлических контактов в материал термистора.

Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500−700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике.

Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 °С). Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 °С).

Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °C.

Диапазон наилучшей стабильности термисторов — от 0 до 100 °C. Основными преимуществами термисторов являются вибропрочность, малый размер, малая инерционность и невысокая цена. [4].

Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 1 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа MMT-I и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.

Терморезисторы типов ММТ-4а и КМТ-4а заключены в металлические капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы при любой влажности и даже в жидкостях, не являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1−19 и CT3-I9 имеют каплевидную форму. Для герметизации чувствительный элемент в них оплавлен стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность. 5].

Рисунок 1- Конструкции терморезисторов: ММТ-1 и КМТ-1, ММТ-4 и КМТ-4,СТ1−19 и СТ3−19.

Рассмотрим для примера кратко три типа терморезисторов (термосопротивления): ММТ-1, ММТ-4 и ММТ-5. На рис.2(В) показаны принципиальное устройство и конструкции этих терморезисторов. Терморезистор ММТ-1 покрыт снаружи эмалевой краской и предназначен для работы в сухих помещениях; терморезисторы ММТ-4 и ММТ-5 смонтированы в металлических капсулах и герметизированы. Поэтому они не подвержены вредному влиянию окружающей среды, предназначены для работы в условиях любой влажности и даже могут находиться в жидкостях (не действующих на корпус терморезисторов) Омическое сопротивление терморезисторов находится в диапазоне от 1000 — 200 000 ом при температуре 20° С, а температурный коэффициент б около 3% на 1 °C. На рис. 2 изображена кривая, показывающая в процентах изменение омического сопротивления термистора в зависимости от его температуры. На этом графике за начальное значение принято сопротивление при 20° С.

Описываемые типы терморезисторов рассчитаны на работу в температурном интервале от -100 до + 120° С. Перегрев их недопустим.

Термосопротивления (термисторы, терморезисторы) упомянутых типов весьма стабильны, т. е. сохраняют практически неизменным свое «холодное» сопротивление, величина которого определяется при 20° С в течение весьма длительного времени. Высокая стабильность терморезисторов типа ММТ определяет их большой срок службы, который, как указано в паспорте, в нормальном режиме их работы практически безграничен. Термосопротивления (термисторы, терморезисторы) типа ММТ обладают хорошей механической прочностью.

Рисунок 2- Конструкции некоторых термисторов, характерная температурная зависимость сопротивления термистора.

А — Температурная зависимость сопротивления термосопротивления и металла В — Конструкция термосопротивлений и их размеры: а — тело термосопротивления, б — контактные колпачки, в — слой эмалевой краски, г — защитный металлический чехол, д — стеклянный изолятор, е — металлическая фольга, ж — слой олова, к — выводы Сейчас российским предприятием ООО «Диамант» из г. Александрова, серийно выпускаются термисторы ТРА-1, ТРА-2 на основе монокристаллов полупроводникового алмаза (рис.3). Производителем они позиционируются как «Терморезисторы изолированные, герметизированные, с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, предназначены для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока для измерения температуры, скорости потока жидкости или газа, разрежения и температурной компенсации элементов электрических цепей и т. д.» и выпускаются по техническим условиям ДИЛС 434 121 001ТУ Термисторы на основе известных монокристаллических полупроводниковых материалах также имеют существенные ограничения рабочих температур (250…300° С) и требуют защиты поверхности от многих воздействий внешней среды, что связано с потерей термочувствительности и увеличением тепловой инерции. К достоинствам рассматриваемых термисторов на основе монокристаллов алмаза можно отнести их стабильные характеристики, даже при длительном воздействии предельных температур, большой рассеиваемой мощностью, широким диапазоном температур, высоким быстродействием и устойчивостью к внешним воздействиям. [6].

Рисунок 3- Конструкция монокристаллического полупроводникового алмаза.