Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ. ТЕРМОМЕТР СОПРОТИВЛЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

Цели работы: изучение устройства, принципа действия термометров сопротивления, термисторов; ознакомление с методикой определения погрешности измерения температур при помощи термометра сопротивления.

Для измерения температуры в системах автоматического управления, регулирования и контроля используют различные измерительные приборы (датчики измеряемой величины). При этом реализуется косвенный метод измерения.

В системах управления производственными процессами большое распространение получили первичные преобразователи – датчики, от характеристик которых зависит качество производимой продукции.

Термопреобразователь сопротивления (терморезистор)- измеритель-ный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления (ТС). Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Действие ТС основано на зависимости электрического сопротивления материала от температуры среды. Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью ко внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т.п.). Всему комплексу метрологических и эксплуатационных требований удовлетворяет относительно узкая номенклатура материалов, представленных веществами, способными проводить электрический ток: металлами, полупроводниками, электролитами. Они обладают хорошими термо-метрическими свойствами. Типичные виды зависимости сопротивления от температуры представлены на рисунке 3.1. Как видно, ТКС (температурный коэффициент сопротивления) сравнительно невелик (0,3 - 0,6 %•К^-1) и, как правило, положителен для металлов (кривая 2 рисунок 3.1). Для полупроводников он в среднем на порядок больше, чем для металлов; он отрицателен для термисторов (кривая 4 рисунок 3.1) и положителен для позисторов (кривая 1 рисунок 3.1). Электролиты (кривая 3 рисунок 3.1) характеризуются ступенчатым переходом сопротивления при температуре начала ионной проводимости.

Как известно, сопротивление металлов растет с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов, см. рисунок 3.2 а, б, обычно применяются медь или платина.

1 – позисторы; 2 – металлы; 3 – электролиты; 4 – термисторы Рисунок 3.1 – Зависимость сопротивления различных ТС от температуры

1 – головка: 2 – штуцерная гайка; 3 – арматура; 4 – чувствительный элемент

Рисунок 3.2 – ТС и схема его включения а – общий вид ТС; б – схема включения Проводниковые термометры сопротивления изготавливаются из чистых металлов (платина, медь, никель), имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

, (3.1)

где R₀ - сопротивление при температуре 0⁰С;

a₀ - температурный коэффициент для интервала температур, начинающихся от t₀.

Минимальная глубина погружения промышленных термометров сопротивления с обмоткой из платиновой, никелевой, медной проволоки в среду, температура которой измеряется, равна 15мм, максимальная - 190 мм.

Инерционность термометров сопротивления зависит от способа установки и материала провода, используемого в качестве обмотки, и достигает 300 – 600 с. Тепловая инерционность термометров сопротивления уменьшается с помощью металлических вкладышей, помещаемых в корпус.

Медные преобразователи (рисунок 3.3 б) для измерения температуры помещений и газовых потоков имеют каркас, выполненный в виде тонкостенной перфорированной трубки из нержавеющей стали.

Чувствительный элемент медного терморезистора (рисунок 3.3 а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0 – 1,5 мм. Они изолированы друг от друга асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Она, в свою очередь, помещается в защитный чехол (рисунок 3.3 б), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На ее открытом конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.

Обычная медь, поставляемая системой снабжения в виде проволоки и проводов всех требуемых размеров, недефицитна, дешева, чиста и гомогенна, а потому вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалу чувствительных элементов ТС.

Однако существенный недостаток меди в том, что при температуре выше 300⁰С она начинает окисляться. Поэтому медь применяется в чувствительных элементах ТС для измерения температур не выше 200⁰С. Изоляционное покрытие медных проводов – лак или шелк – также не выдерживает воздействия высоких температур.

К числу недостатков меди следует отнести и ее низкое удельное сопротивление (r = 1,7 • 10^-8 Ом•м).

В диапазоне температур от -50 до 200°С зависимость сопротивления меди от температуры носит линейный характер. Медные термометры сопротивления применяются для длительного измерения температуры в диапазоне от -200 до 200⁰С.

а б

а – чувствительный элемент; 1 – пластмассовый цилиндр; 2 – медная проволока; 3 – выводные провода; 4 – металлическая гильза; б – защитный чехол: 1 – трубка; 2 – клеммная головка; 3 – фланец

Рисунок 3.3 – Схема медного терморезистора

Полупроводниковые терморезисторы, называемые термисторами, имеют температурный коэффициент электропроводимости, в 6 - 10 раз больший, чем у металлических терморезисторов, вследствие чего чувстви-тельность термисторов к изменению температуры значительно выше, чем у терморезисторов.

Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора – термис-тора – изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотые в порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. Там, где необходимо, напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается.

Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением от 1 до 200 кОм (при 20⁰С). В зависимости от типа могут применяться для измерения температур от - 100 до 600⁰С. Они имеют значительно меньшие массы и размеры, чем металлические термометры сопротивления.

Основной характеристикой термисторов как датчиков автоматической системы управления является зависимость их сопротивления от температуры:

, (3.2)

где А – постоянная, зависящая от размеров и формы термистора;

В – постоянная, зависящая от физических свойств материала полупроводника;

Т – температура термосопротивления в градусах абсолютной шкалы, ^оК;

e – основание натурального логарифма.

Температурный коэффициент чувствительности a термистора имеет отрицательное значение и зависит от температуры:

. (3.3)

Величины А и В для параметров определяются опытным путём, так как для одной партии датчиков их значения могут сильно различаться. Для этого экспериментально определяют сопротивление термистора при двух значениях температуры Т₁ и Т₂:

. (3.4)

Решив эти уравнения относительно коэффициента В, находят его значения:

. (3.4)

По известному значению В находят величину А:

. (3.5)

К недостаткам термисторов относятся нелинейность температурной характеристики, недостаточная стабильность характеристик, большой разброс значений сопротивления в одной и той же партии (более 30%) и характер зависимости сопротивления от температуры (отклонения температурного коэффициента достигают ±5% и более). Это затрудняет получение линейных шкал и не обеспечивает взаимозаменяемости термисторов, используемых в системах автоматического управления производственными процессами. Чтобы устранить недостатки термисторов в системах автоматики, они включаются в измерительную цепь параллельно термонезависимым сопротивлениям. Подобные комбинации, используемые для исправления характеристики термистора, называются корректированными термоэлементами.

Автоматическое управление технологическими комплексами имеет большую зависимость от точности работы первичных преобразователей – датчиков. Важное значение в каждом конкретном случае имеет погрешность датчика измеряемой величины.

Погрешности измерения делятся на следующие виды: абсолютные; относительные; приведенные.

Абсолютная погрешность (обозначается ∆) выражается в единицах измеряемой величины и является отклонением результата измерения Хот истинного значения величины Х_и :

. (3.6)

Она характеризует величину и знак полученной погрешности, но не определяет качество проведенного измерения.

Относительная погрешность (обозначается δ) измеряется в процентах и является отношением абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:

. (3.7)

Приведенная погрешность (обозначаетсяδ_пр.) выражает потенциальную точность измерения и является отношением абсолютной погрешности к некоторому нормируемому значению Х_N (например, сумма конечных значений шкалы):

. (3.8)

Оценка погрешности датчика, установленного на производственном оборудовании, позволяет применить компенсационные мероприятия для снижения ее влияния на результаты преобразования измеряемой величины.

Дата добавления: 2015-04-30