Терморезистивные средства измерений температуры

II работе терморезистивных средств измерений температуры ис­пользуется эффект изменения сопротивления металлов (проводни­ков) и полупроводников при изменении температуры. В металлах эти изменения определяются свободными электродами связи металличе­ской решетки.

Изменение электрического сопротивления металлов в зависимо­сти от температуры в большинстве случаев описывается нелинейным выражением:

R, = Д,[1 + a(t~ t₀) + bit- t₀)² + c(t- /о)³]

или

R, = Ro(l + at + bt²),

где t VLt_a — текущая и начальная температуры; R, и Rq — значения со­противления при температурах t и t₀ соответственно; а,Ьис — посто­янные коэффициенты для конкретного металла.

В полупроводниках изменение электрического сопротивления связано с тем, что в них обычно наблюдается недостаток электронов проводимости. При увеличении температуры количество электронов проводимости увеличивается, поэтому электрическое сопротивление полупроводника с увеличением температуры уменьшается. Этот эф­фект описывается выражением

'(ff)

R,=R,e ^ ^п>,

где В — постоянный коэффициент, зависящий от материала полу­проводника; ТиТ₀ — абсолютные текущая и начальная температуры.

В практике термометрии для металлов (в значительном диапазоне изменения температуры) и для полупроводников (в малом диапазоне изменений температуры) часто используется линейная зависимость сопротивления от температуры:

R, = Д)[1 + “(/- /₀)], где а — температурный коэффициент сопротивления.

Коэффициент а для металлов положителен, а для полупроводни­ков — отрицателен.

Терморезисторы, используемые для измерения температуры, принято называть термометрами сопротивления. Полупроводнико­вые термометры сопротивления часто называют термисторами. Кон­струкции термометров сопротивления весьма разнообразны (рис. 5.6).

7

Рис. 5.6. Конструкции термометров сопротивления:

/ б

~тО«^=оС

12.

Ти

д

/ — керамическая трубка; 2— платиновая спираль; 3— каналы трубки; 4— глазурь; 5— место под­гонки сопротивления термометра; 6— проводники; 7— полупроводниковый элемент; 8— выводы; 9 — изолятор; 10 — кожух; 11 — защитное лаковое покрытие; 12 — стеклянная защитная трубка;

13 — стеклянный защитный наконечник; 14 — изоляционная обойма; 15 — проволочки

В металлических термометрах сопротивления обычно использу­ются медь, никель, а в последнее время платина (рис. 5.6, а). При этом терморезистор изготовляют из двух практически одинаковых спира­лей, что упрощает подгонку общего сопротивления до принятого но­минального значения. В процессе эксплуатации такой термометр со­противления обычно помещают в защитный металлический чехол. Интервал температур, измеряемых металлическими термометрами со­противления, колеблется от—200 до +650 °С. Современная технология изготовления металлических термометров сопротивления обеспечи­вает высокую воспроизводимость их характеристик.

Полупроводниковые термометры изготовляют в виде цилиндров (рис. 5.6, бив), таблеток, дисков с центральным отверстием, бусинок (рис. 5.6, д — ж). В качестве материалов для полупроводниковых тер­мометров используют оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, а также германий.

Основное преимущество термисторов — большой отрицатель­ный температурный коэффициент сопротивления. Кроме того, они обладают значительным удельным электрическим сопротивлением, поэтому термисторы при очень малых размерах имеют большое элек­трическое сопротивление (до нескольких килоом и даже сотен кило- ом), что упрощает измерение и позволяет не учитывать изменение со­противления соединительных проводов от температуры. Малые раз­меры термометров (например, бусинковые термисторы могут иметь диаметр 0,05—0,10 мм) обеспечивают возможность практически безынерционного измерения температуры. Недостатком термисто­ров является значительная нелинейность характеристики и сущест­венный разброс номинальных значений сопротивления (до ±20 %) при изготовлении, что не обеспечивает их взаимозаменяемости при эксплуатации.

Для измерений сопротивлений металлических и полупроводни­ковых термометров сопротивления, как правило, используют средст­ва электрических измерений, описанные в гл. 1.

Конструкции термометров сопротивления, применяемых для кратковременных измерений значений температуры различных час­тей тела человека, показаны на рис. 5.7. Как правило, в них использу­ют термисторы. Термистор (рис. 5.7, а) помещают в конце полого корпуса, выполненного в виде шариковой ручки. Выводы термистора расположены внутри этого корпуса и подключены к измерительному аналоговому или цифровому прибору, предназначенному для изме­рений электрического сопротивления. На точность измерений тем­пературы с помощью термометра, показанного на рис. 5.7, а, влияют площадь соприкосновения чувствительного элемента термометра с поверхностью и усилие, с которым этот элемент прижат к телу.

Термометр, показанный на рис. 5.7, б, свободен от этих недостат­ков. Здесь термистор вмонтирован в гибкую мембрану из изоляцион­ного материала. Наличие этой мембраны обеспечивает фиксацию термистора на поверхности тела и постоянство прижимающего уси­лия.

Аналогичную измерительную схему имеет термометр, предназна­ченный для измерений температуры тела человека под мышкой (рис.

5.7, в). Термометр помимо термистора, размещенного в защитном металлическом колпачке, содержит цифровой омметр. Результат из­мерения температуры отображается на миниатюрном цифровом от- счетном устройстве.

Для долговременных измерений температуры в условиях палат интенсивной терапии используется термометр, состоящий из латун­ного корпуса в виде полого усеченного конуса (рис. 5.7, г). Во внут­ренней полости такого термометра, заполненной пластмассовой мас­сой, размещается термистор.

Термометр для измерения ректальной температуры (рис. 5.7, д) имеет форму катетера, изготовленного из пластмассы, на конце кото­рого под металлическим цилиндрическим колпачком размещен тер­мистор.

ш£ & \ \ і

6 1 7 8 2 9 4

—і----------- 7----- А—. л.-/.. А Л.

б д

Рис. 5.7. Конструкции термометров сопротивления для измерения температуры

частей тела человека:

/ — корпус; 2 — термистор; 3 — выводы; 4 — измерительный прибор; 5 — гибкая мембрана; 6 — ме­таллический колпачок; 7— цифровое отсчетное устройство; 8— выключатель; 9— пластмасса

Для измерения внутримышечной, подкожной температуры и тем­пературы внутри других органов используют термометры в виде обычной инъекционной иглы (рис. 5.7, е), во внутренней полости ко­торой размещен термистор.

5.6.