Терморезисторы

Проводниковые терморезисторы, основаны на изменении сопротивления проводников под действием температуры. Их выполняют в виде катушки из тонкого провода на каркасе или без него (рис. 4.7, а). Катушку прижимают к объекту диагностики или помещают в защитном чехле (рис. 4.7, б) в среду, температуру которой измеряют.

а) б) в) г)

Рис. 4.7 Терморезисторы

В качестве проводника используют проволоку из чистых металлов (медь, никель и платина), так как ТКС сплавов ниже, чем чистых металлов, кроме того, значение ТКС чистых металлов более постоянно.

Медные терморезисторы применяют в диапазоне температур - 50... + 180°С, при этом уравнение преобразования

где Rо — сопротивление терморезистора, Ом при 0°С; а - ТКС меди (для электролитической меди в интервале температур от нуля до 100 °С

а = 4,3-10^-3 1/°С); t - температура, °С.

Никелевые терморезисторы используют до температур +250... 300 °С. В интервале температур 0... +100 °С вид уравнения преобразования соответствует уравнению для меди при а = 5 × 10^-3 1/°С. Удельное сопротивление и ТКС никеля в значительной степени зависит от примесей и термической обработки. Никель отличается высоким (в 5 раз большим, чем у меди, удельным сопротивлением), что позволяет изготовлять терморезисторы очень малых размеров.

Никелевые и медные терморезисторы часто выполняют из литого микропривода в стеклянной оболочке.

Платиновые терморезисторы могут работать при температурах до 1200° С. Уравнение преобразования нелинейное и обычно аппроксимируется на двух участках диапазона измерении разными кривыми. Наибольшая точность достигается в диапазоне -200... +500 °С. Платиновые терморезисторы имеют высокую степень воспроизводимости функции, химическую стойкость и пластичность, что позволяет изготовлять очень тонкие и прочные нити или пленки, используемые в термоанемометрических преобразователях расхода газов и жидкостей (например, для диагностирования газотурбинных двигателей и гидравлических систем машин).

Для измерения температур и расходов в высокоскоростных газовых потоках иногда используют менее дорогие вольфрамовые преобразователи, имеющие высокую механическую прочность и достаточную линейность функции преобразования.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) основаны на изменении сопротивления полупроводников под действием температуры. Термисторы представляют собой смеси окислов некоторых металлов, спрессованных и спеченных при высоких температурах. ТКС термисторов в 8... 10 раз больше, чем проводниковых терморезисторов, но отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату измеряемой температуры.

Температурная зависимость сопротивления термистора достаточно хорошо описывается зависимостью

где Т - абсолютная температура; R₀ - сопротивление при абсолютной температуре; В - коэффициент, имеющий размерность температуры и зависящий от рода полупроводника.

Конструктивно термисторы выполняют в виде отформованного полупроводникового стержня с контактными колпачками и выводами (рис. 4.7,в). Разновидностью этих термисторов являются герметизированные типы, заключенные в металлические капсулы и имеющие стеклянный проходной вывод (рис 4.7, г).

В системах технической диагностики используют каплевидные термисторы. Полупроводниковый элемент этих термисторов находится в стеклянной оболочке. На их основе изготовляют термощупы, с помощью которых можно оперативно, путем перестановки, измерять температуру во многих точках объекта диагностики.

Термисторы позволяют создавать термопреобразователи малых размеров со значительно более высоким коэффициентом преобразования, чем у металлических терморезисторов. Средний диапазон рабочих температур термисторов в большинстве случаев удовлетворяет требованиям систем технической диагностики. Измерительные схемы с термисторами могут быть согласованы с магнитоэлектрическими стрелочными приборами без усиления сигнала.

Недостатками термисторов, которые существенно ограничивают их применение, являются нелинейности функции преобразования и значительный разброс от образца к образцу номинального значения сопротивления и постоянной В. Например, промышленные типы термисторов выпускают с допуском +20% по номинальному сопротивлению и ±17% по величине постоянной В. Эти особенности усложняют получение линейных шкал, требуя индивидуального расчета каждого экземпляра прибора, а иногда и введения в приборы специальных схем коррекции. Усложняется и взаимозаменяемость термометров при изготовлении и ремонте. Все это практически исключает применение термисторов в дифференциальных схемах измерения температур, особенно малых.

Термисторы используют в термощупах для многоточечного поочередного измерения температур во многих точках объекта диагностирования, например в пазах электрических машин. Кроме того, термисторы удобны для контроля теплового режима (в одной точке шкалы), в тех случаях, когда температура не является диагностическим параметром.

Практически все типы преобразователей могут быть использованы в качестве постоянно встроенных систем технической диагностики. Для этой цели, например, применяют медь-константиновые, хромель-копелевые термопары или медные термометры, выводы которых соединены со специальными штепсельными разъемами, установленными на составных частях машин, подлежащих периодическому диагностированию в процессе эксплуатации.

Для измерения температуры быстропротекающих процессов нашли применение фотоэлектрические преобразователи (метод рациональной пирометрии) с нацеливанием на объект исследования. Их условно можно отнести к параметрическим датчикам косвенного преобразования.

Фотосопротивления, типа ФСА может применяться также для быстротекущих процессов и для регистрации точечной температуры. Этот способ основан на передаче энергии только излучением. Этот вид теплообмена подчиняется законам Планка, Вина и Стефана-Больцмана. Определение температуры этим оптическим способом основано на однозначной зависимости спектральной интенсивности излучения от температуры нагретого тела. Согласно закону Стефана-Больцмана с каждого см² излучающей поверхности нечерного тела в полусферу в одну секунду излучается количество энергии (q_t), равное;

где, Е_t - коэффициент излучения нечерного тела;

Т - абсолютная температура черного тела, °К;

σ - постоянная, равная 5,6687×10^-8 Вт(м²×град)²

Характер смещения максимума излучения выражается законом Вина:

Для замера температуры в пределах от 50^о до 500° С находим спектр длин волн максимума кривой распределения:

λ₁ = 2896/323=8,96 мкм

λ₂ = 2896/773=3,75 мкм

Фотосопротивление может быть выбрано так, чтобы улавливать максимум излучаемой энергии в этом диапазоне длин воли (3,75 - 8,96 мкм). Связь между термоприемником (фотосопротивлением) и исследуемым источником излучения имеет вид:

где, Еn - энергия, поглощенная термоприемником:

Еи - коэф. излучения источником;

α_п - коэф. поглощения термоприемника;

Ти - температура источника;

Fи - площадь излучения, улавливаемая термоприемником;

Lиn - коэф., характеризующий выбранную оптическую схему между источником излучения и термоприемником.

ЛЕКЦИЯ 11

Тема: Генераторные первичные измерительные преобразователи

План лекции

1. Электромагнитные преобразователи

2. Пьезоэлектрические преобразователи

3. Фотоэлектрические преобразователи

4. Преобразователи температур

Дата добавления: 2014-01-15