Разновидности термочувствительных элементов

Кроме широко распространенных и описанных выше термочувствительных преобразователей – термопар терморезисторов, в последние годы в измерительных устройствах находят применение термочувствительные элементы, основанные на постоянных физических эффектах.

В высокоточных термометрах и вакуумметрах используются термочувствитель­ные пьезорезонаторы, в преобразователях тепловых излучений – пиро­электрические преобразователи, в приборах температурного контроля – сегнетокерамические емкостные преобразователи. Для измерения сверх­низких очень высоких температур разрабатываются термошумовые преобразователи, выходной величиной которых является ЭДС шума резистивных элементов.

Термодиоды и термотранзисторы находят применение в датчиках температуры, работающих в диапазоне от –80 до +150 °С. Верхняя граница температурного диапа­зона ограничивается тепловым пробоем р-n-перехода и для отдельных типов германие­вых датчиков достигает 200 °С, а для кремниевых датчиков – даже 500 °С. Нижняя граница температурного диапазона определяется уменьшением концентрации основ­ных носителей и может достигать для германиевых датчиков –(240 – 260) °С, для кремниевых –200 °С.

Основными преимуществами термодиодов и термотранзисторов являются малые габариты, возможность взаимозаменяемости и, главное, дешевизна, позволяющая применять их в датчиках одноразового употребления.

Связь между током I через р-n-переход и падением напряжения U на нем опре­деляется уравнением

,

где I₀e^–B/T=I_нас – ток насыщения, зависящий от абсолютной температуры Т; I₀ – ток насыщения при Т → ¥; q = 1,6·10^-19 Кл – заряд электрона; k=1,38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Это уравнение определяет ток через переход как при прямом (U = +U), так и при обратном (U = –U) смещении перехода. Однако, учитывая, что при температуре Т = 300 К значение kT/q = 26 мВ при напряжениях на переходе | U | > 26 мВ, можно пользоваться приближенными формулами для прямого и обратного токов:

.

Как видно из приведенных формул, и прямой и обратный токи р-n-перехода являются функциями температуры, однако для изме­рения температуры чаще используются открытые р-n-переходы. Падение напря­жения на открытом р-n-переходе при токе I через переход определяется приближен­ной формулой:

;

из которой видно, что падение напряжения линейно зависит от температуры и умень­шается с увеличением температуры (I₀ >> I). Температурная чувствительность р-n-перехода по напряжению состав­ляет S_Θ »1,5 мВ/К. Сравнивая меж­ду собой коэффициенты температурной чувствительности для падения напря­жения на р-n-переходе и термо-ЭДС термопар, работающих в этом же тем­пературном диапазоне (например, хромель – копель), можно сказать, что чувствительность р-n-перехода пример­но в 100 раз выше чувствительности термопар.

Позисторы, критезисторы. В настоящее время известен ряд материалов, для которых наблюдается резкое изменение проводимости в относительно узком диапазоне температур, близком к температуре фазового пере­хода для данного материала, т.е. к температуре точки Кюри. Резисторы, которые характеризуются особенно большим значением ТКС в окрестности критической температуры, в ряде работ получили название критезисторов. В зависимости от мате­риала проводимость в критической области темпе­ратур может как уменьшаться, так и увеличиваться. Так, серия резисторов типа СТ6, разработанных на базе титаната бария BaTiO₃, имеет высокие положи­тельные ТКС в области температур 65–150 °С. Полупроводниковые резисторы с положительными ТКС получили название позисторов. В узком тем­пературном диапазоне зависимость сопротивления позистора от температуры может быть приближенно выражена формулой:

R_Θ = Ае^aT,

где А – постоянная, имеющая размерность сопротивления; – температурный коэффициент, К^-1.

Резисторы на основе двуокиси ванадия VO₂ имеют отрицательный температурный коэффициент в области температур 60–80 °С. На основе VO₂ выпускаются резисторы СТ9-1А и СТ9-1Б (критезисторы), выполненные в виде прямоугольных штабиков и герметизированные в стеклянных баллонах диаметром 6 мм и длиной 60 мм, а также изготовляются пленочные элементы путем напыления металлического ванадия на слюдяную подложку с последующим его окислением. Пленочный термочувствитель­ный элемент может быть смонтирован в корпусе маломощного транзистора.

Позисторы и ванадиевые критезисторы используются для измерения температуры в узком температурном диапазоне, в окрестности критической температуры, обладая в этом диапазоне повышенной по сравнению с другими термочувствительными эле­ментами чувствительностью. Это позволяет применять их в термосигнализаторах температурных реле.

Кроме этого, при подогреве для критезисторов может быть обеспечен режим автостабилизации температуры независимо от изменения температуры окружающей среды. Это обстоятельство позволяет разрабатывать на базе указанных материалов самокомпенсирующиеся термостаты, а также использовать критезисторы для измерения температуры в области, лежащей ниже критического диапазона. При этом критезистор с положительным ТКС должен работать в режиме заданного напряже­ния, а критезистор с отрицательным ТКС – в режиме заданного тока.

Рассмотрим эти возможности на примере критезистора с отрицательным ТКС. При разогреве критезистора проходящим по нему током до температуры Θ, близкой к критическому диапазону, его сопротивление начинает падать, соответственно умень­шаются падение напряжения на критезисторе, выделяемая в нем мощность и темпе­ратура разогрева.

Уравнение теплового баланса критезистора запишется в виде:

UI₀ = k_то(Θ_кт – Θ_ср),

где U и I₀ – напряжение на критезисторе и стабилизированный ток через него;

k_то – коэффициент теплоотдачи критезистора; Θ_кт – температура критезистора;

Θ_ср – температура среды, окружающей критезистор.

Температура критезистора Θ_кт автоматически стабилизируется на уровне темпе­ратуры, близкой к точке Кюри Θ_К. Таким образом, при изменении температуры окру­жающей среды и постоянном коэффициенте k_то напряжение на критезисторе будет изменяться и в первом приближении эти величины связаны линейной зависимостью U = (const – k_то Θ_ср)/I₀.

При высоком коэффициенте стабилизации по температуре погрешность линей­ности зависимости U = f (Θ_ср) не превышает 1–2%. Чувствительность пленочного преобразователя в диапазоне температур ±35 °С составляла 50–100 мВ/К. Пре­образователи легко сделать взаимозаменяемыми, корректируя разброс значений коэффициента теплоотдачи k_то изменением питающего тока [1].