5-4. Полупроводниковые термометры сопротивления

С развитием промышленности, изготовляющей полупроводниковые материалы, были значительно расширены исследования полупроводников с целью установления области их применения в термометрии. Проведенные исследования германия, как материала для чувствительных элементов термометров сопротивления, позволили ВНИИФТРИ создать температурную шкалу в области от 4,2 до 13,81 К для обеспечения единства измерений температуры в этом интервале [13]. В результате проведенных исследований ВНИИФТРИ для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, предназначенных для измерения температур в криогенной технике, германий получил широкое применение.

В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления применяют также смеси различных полупроводниковых веществ, например, смеси окислов меди и марганца, смеси окислов кобальта и марганца, смеси двуокиси титана с окислами магния и др. При изменении соотношения компонентов, составляющих материал, меняется значение его электропроводности и температурного коэффициента электрического сопротивления.

Полупроводники, применяемые для изготовления чувствительных элементов термометров, а следовательно, и полупроводниковые термометры обладают большим значением отрицательного температурного коэффициента электрического сопротивления, который при 20°С составляет

Германиевые термометры сопротивления. Германиевые термометры сопротивления в зависимости от их назначения разделяются на три основные группы: эталонные, образцовые и рабочие. Термометры рабочие в свою очередь подразделяются на термометры повышенной точности (лабораторные) и технические.

Эталонный германиевый термометр сопротивления воспроизводит и хранит единицу температуры и температурную шкалу ТШГТС в диапазоне от 4,2 до 13,81 К (ГОСТ 8.157-75). Зависимость электрического сопротивления германиевого термометра от температуры в интервале от 4,2 до 13,81 К выражается соотношением

где константы, определяемые градуировкой германиевого термометра сопротивления по газовому термометру.

По данным ВНИИФТРИ стабильность эталонных германиевых термометров сопротивления лежит в пределах ±0,001 К [13].

На рис. 5-4-1 показано устройство эталонного германиевого термометра сопротивления, разработанного ВНИИФТРИ. Чувствительный элемент 1 термометра выполнен из монокристаллического германия, легированного сурьмой. К раздвоенным концам ЧЭ припаяны четыре золотых проводника, к которым приварены выводы 2 из платиновой проволоки. Чувствительный элемент помещен в защитную гильзу 3, снабженную стеклянной головкой 4 с впаянными в нее платиновыми выводами. Внутренняя стенка защитной гильзы покрыта электроизоляционной пленкой 5. Гильза термометра герметична и заполнена газообразным гелием под небольшим давлением.

Рис. 5-4-1. Схема устройства германиевого термометра сопротивления.

Термометры сопротивления образцовые с ЧЭ из легированного германия могут применяться для измерения низких температур от

1,5 до 30 К. Воспроизводимость образцовых термометров изготовленных во ВНИИФТРИ, в интервале от 1,5 до 30 К составляет ±0,001 К. Во ВНИИФТРИ изготовляют также образцовые германиевые термометры для области температур от 15 до 20 К. Пределы допускаемой погрешности этих термометров не превышают ±0,01 К [13]. Схемы устройства германиевых термометров образцовых и повышенной точности аналогичны показанной на рис. 5-4-1.

Для технических измерений Институт полупроводников Киев) выпускает германиевые термометры сопротивления типа для температур от 30 до 90 для интервала от 30 до 50 К. Пределы допускаемых погрешностей этих термометров сопротивления составляют ±0,05 и ±0,1 К. Кроме этих термометров в институте изготовляют пленочные термометры сопротивления для измерения температур от 4,2 до 300 К и от 1,3 до 100 К.

Терморезисторы — полупроводниковые термометры сопротивления. Для изготовления ЧЭ полупроводниковых термометров ПТС (терморезисторов), используемых для измерения температуры от —100 до 300°С и выше, применяют смеси различных полупроводниковых веществ. Форма и виды изготовляемых ЧЭ весьма разнообразны. Наиболее распространенными видами ЧЭ ПТС являются цилиндрические, шайбовые и бусинковые. Для предохранения от возможных механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется термометром, ЧЭ в зависимости от

его назначений покрывают эмалью, помещают в защитный чехол и снабжают другими защитными устройствами.

Терморезисторы являются малоинерционными термометрами, что имеет существеннее значение, например, для исследования нестационарных тепловых процессов. Большое номинальное сопротивление полупроводниковых термометров (от единиц до сотен килоом) позволяет при измерении температуры не учитывать сопротивление проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором. Кроме того, к достоинствам ПТС следует отнести возможность их использования в качестве бесконтактных температурных сигнализаторов (термореле).

К числу недостатков ПТС можно отнести следующее:

1. Отсутствие взаимозаменяемости изготовляемых в настоящее время ПТС. Вследствие этого номинальные значения сопротивлений и температурные коэффициенты даже для одного и того же типа ПТС имеют большой разброс. Это исключает возможность получения единой градуировочной таблицы для данного типа ПТС, и каждый ПТС, предназначенный для измерения или сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально.

2. Нелинейный характер зависимости электрического сопротивления от температуры.

3. Малая допускаемая мощность рассеяния при прохождении измерительного тока.

Следует отметить, что рассматриваемые ниже полупроводниковые термометры сопротивления для измерения температуры на электростанциях в настоящее время не применяются.

Для выпускаемых ПТС для измерения температуры от —100 до 300°С зависимость сопротивления их от температуры в интервалах, не превышающих 100°С, определяется выражением [20]

где сопротивление данного ПТС при температуре ; температура, и В — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала и его конструкции; основание натуральных логарифмов .

При применении полупроводниковых термометров в температурных интервалах, не превышающих зависимость их сопротивления от температуры может быть выражена упрощенной формулой

Градуировка ПТС, предназначенных для измерения температуры в интервале более чем 100°С, должна производиться по ряду экспериментальных точек в заданном диапазоне температур через каждые [20].

Погрешность измерения температуры данной среды с помощью полупроводниковых термометров сопротивления (без учета погрешности измерительного прибора) зависит в основном от

нестабильности его сопротивления, погрешности градуировки, погрешности от перегрева и условий измерения температуры данной среды. Нестабильность ПТС является основным фактором, определяющим погрешность измерения температуры. Критерием нестабильности ПТС принято считать изменение значения сопротивления (в процентах) после выдержки при максимальной по абсолютному значению рабочей температуре применения данного типа ПТС в течение

Нестабильность ПТС, выпускаемых промышленностью для измерения температуры, достигает Нестабильность может быть значительно уменьшена путем специального отбора и продолжительного старения ПТС пои их изготовлении.

Рис. 5-4-2. Терморезисторы. а — типа и типа в — типа чувствительный элемент, покрытый эмалью; 2 — контактные колпачки; выводы; 4 — металлический чехол; 5 — стекло; 6 — металлическая фольга; 7 — слой олова.

При правильно выбранном режиме старения погрешность измерения температуры из-за нестабильности ПТС может быть незначительной и лежать в пределах от 0,1 до 0,3%. Погрешность индивидуальной градуировки стабилизированных ПТС, выполняемой в соответствии с методическими указаниями ВНИИМ [20], может быть доведена до

Измерительный ток, протекающий через ПТС, должен выбираться таким, чтобы погрешность от перегрева ЧЭ термометра за счет выделения в нем мощности рассеяния не превышала половины допускаемой погрешности измерения температуры. Допускаемая погрешность измерения температуры с помощью ПТС устанавливается равной значению нестабильности, указанному в паспорте на ПТС заводом-изготовителем. Устройство некоторых типов полупроводниковых чувствительных элементов ПТС показано на рис. 5-4-2. В табл. 5-4-1 приведены основные характеристики полупроводниковых ПТС. С характеристиками других типов терморезисторов, выпускаемых промышленностью, можно познакомиться в [21, 22].

При использовании нескольких однотипных ПТС в комплекте с одним измерительным прибором, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия, важное значение приобретает унификация их характеристик. Для обеспечения взаимозаменяемости применяют схему, образованную из и постоянных манганиновых резисторов соединенных параллельно и последовательно

Таблица 5-4-1 (см. скан) Основные характеристики ЧЭ полупроводниковых термометров сопротивления (рис. 5-4-3). Такая схема или подобная ей позволяет с достаточной точностью совместить температурные характеристики ПТС одного и того же типа в двух точках шкалы.

Рис. 5-4-3. Схема, обеспечивающая взаимозаменяемость ПТС.

Полупроводниковые термометры сопротивления нашли также применение в системах температурной сигнализации.

Обязательным элементом этой системы является элементарная цепь, состоящая из ПТС и постоянного резистора, включенного последовательно.

Полупроводниковые термометры сопротивления, предназначенные для работы в системе температурной сигнализации, должны обладать возможно большим температурным коэффициентом сопротивления и, следовательно, постоянной В.

Рис. 5-4-4. Статическая вольт-амперная характеристика ПТС.

Чем выше температурный коэффициент сопротивления или постоянная В, тем больше крутизна падающего участка вольт-амперной характеристики ПТС (рис. 5-4-4), что обеспечивает лучшие условия срабатывания схемы температурной сигнализации. Форма вольт-амперной характеристики ПТС в сильной степени зависит от его температуры. На зависимости формы этой характеристики от температуры основано явление релейного эффекта и применение ПТС в системе температурной сигнализации. Под релейным эффектом понимают резкое возрастание силы Тока в цепи, состоящей из ПТС и последовательно соединенного

с ним манганинового резистора, вызываемое увеличением температуры среды, окружающей следовательно, уменьшением значения его сопротивления. Следует отметить, что условия, при которых в цепи возникает релейный эффект, не ограничиваются только изменением температуры среды, в которой находится ПТС, и, вообще говоря, весьма разнообразны [23, 24].