Применение терморезисторов

В тех случаях, когда терморезисторы используют в качестве датчика, они могут работать в следующих двух режимах:

1) когда температура терморезистора прак­тически определяется только температурой окружающей среды (ток, проходящий через терморезистор, имеет очень малую величину);

2) когда терморезистор нагревается прохо­дящим по нему током, а температура терморе­зистора определяется изменяющимися уcловиями теплоотдачи, что связано с температу­рой окружающей среды.

В первом случае терморезистор ис­пользуется в качестве датчика температуры, который получил название термометра сопро­тивления. Термометры сопротивления широко применяются для измерения температуры жидких и газообразных сред в трубопроводах, резервуарах и помещениях. В авиации они применяются для измерения температуры во­ды, масла, окружающего воздуха и др. Наи­большее распространение получили платино­вые (типа ТСП) и медные (типа ТСМ) термо­метры сопротивления.

Во втором случае терморезисторы обычно применяются в качестве датчиков для измерения различных неэлектрических ве­личин, тем или иным способом изменяющих отвод тепла от терморезистора. На этом принципе построены различные датчики, изме­ряющие скорость потока газа, вакуума и др.

Платиновые термометры сопротивлений в зависимости от кон­струкции могут измерить температуру до 973 К. Характеристики платинового термометра сопротивления и медного термометра при­водятся в справочниках. Железо и никель как материал для тер­мометров сопротивлений применяются реже. Объясняется это тем, что характеристики этих металлов заметно отличаются от прямой, в то время как характеристики платинового и медного терморези­сторов практически прямо­линейны.

При использовании тер­мометров сопротивления мо­гут возникнуть следующие погрешности:

1) от колеба­ния питающего напряжения;

2) от изменения сопротивле­ния соединительных прово­дов под влиянием темпера­туры окружающей среды;

3) от самонагрева датчика под действием протекающего через него тока;

4) от теп­ловой инерционности дат­чика.

Для уменьшения первой погрешности в качестве из­мерительного прибора при­меняют приборы логометрического типа, у которых угол отклоне­ния подвижной системы пропорционален отношению токов двух подвижных катушек, одна из которых создает вращающий, а вто­рая— противодействующий моменты. На одну из катушек подает­ся напряжение разбаланса от мостовой измерительной схемы, а вторая питается непосредственно от источника; тогда при колеба­ниях питающего напряжения токи в обеих катушках будут изме­няться, а их отношение будет оставаться постоянным.

Вторая погрешность может быть значительно уменьшена пра­вильным выбором сопротивления датчика по сравнению с сопротив­лением соединительных проводов. Если сопротивление датчика выбрать из условия R _Д >>R _Л, где R _Л — сопротивление линии (сое­динительных проводов), то погрешность сводится к минимуму. Обычно R _Д = 46—100 Ом, a R _Лпри больших расстояниях (до не­скольких сотен метров) может достигать 5 Ом.

Вторым способом уменьшения температурной погрешности (от колебания температуры линии) является применение многопровод­ных линий связи: когда к датчику подводятся более двух проводов. На рис. 10. 5 приведена схема включения датчика в мостовую схему посредством трех проводов (а, б и в). Датчик R _T(термометр со­противления) включен в качестве плеча в мостовую схему; в противоположное плечо моста включен резистор R ₂. Одна из катушек логометра 1, по которой протекает ток I ₁, включена в диагональ моста, а другая катушка 2, по которой протекает ток I ₂, подключе­на к источнику питания U. Так как соединительные провода а и б включаются в смежные плечи моста (провод а последовательно включен с резистором R ₁, провод б — последовательно с резистором R _t), то одинаковые изменения сопротивлений соединительных про­водов, вызываемые колебаниями температуры окружающей среды, не будут сказываться на режиме мостовой схемы и вносить погреш­ности в результат измерения. На рисунке θ _x — измеряемая темпера­тура, 3 — шкала логометра, градуируемая в К; R _доб служит для ограничения тока.

Погрешность за счет самонагрева датчика протекающим по не­му током может быть учтена при градуировке термометра сопро­тивления.

Термометры сопротивлений обладают тепловой инерцией, зави­сящей от условий теплообмена между средой и датчиком. В этом случае возникает динамическая погрешность термометра, обуслов­ленная тем, что при изменении температуры измеряемой среды пе­редача тепла к приемнику (датчику) происходит не мгновенно, а с запаздыванием. Если холодный датчик поместить в среду с темпе­ратурой θ_ср, то его температура будет изменяться по следующему закону:

θ_д = θ_ср(1 - е^{- t/τ})(10. 13)

где t — время; τ — постоянная времени термометра сопротивления,

τ = C _Д M/KS, (10. 14)

где С _Д— удельная теплоемкость датчика; M — масса датчика; К — коэффициент теплопередачи, зависящий от рода среды и скорости потока; S — поверхность соприкосновения датчика со средой.

На рис. 10. 6 показан график запаздывания показаний двух тер­мометров сопротивлений с различными постоянными времени (τ₁ и τ₂). График дает зависимость изменения показаний прибора от времени при переносе датчика из среды с температурой T = 273 К в среду с некоторой температурой θ_СР. Если эта зависимость снята экспериментально, то величина постоянной времени может быть определена из графика. Из формулы (10. 13) следует, что при t = τ

θ_Д = θ_ср(1 —1/е) = 0, 63θ_СР.

Таким образом, отложив на графике значение θ_д = 0, 63 θ_ορ, мож­но найти соответствующую этому значению величину t=τ. Для это­го необходимо провести горизонтальную линию на расстоянии от оси абсцисс, равном 0, 63 θ_ср; время, соответствующее точкам пересечения этой линии с кривыми I и 2, равно постоянной времени со­ответствующего термометра сопротивления. Из графика следует, что чем меньше постоянная времени τ, тем быстрее температура датчика приближается к установившемуся значению, равному тем­пературе среды.

Из формулы (10. 14) следует, что для уменьшения запаздыва­ния термометра сопротивления его масса M и теплоемкость С_д должны быть как можно мень­ше, а коэффициент теплопере­дачи К и поверхность S — по возможности большими.

Явление самонагрева по­зволяет использовать терморе­зисторы для определения ско­рости газового потока (термо­анемометр), а также для оп­ределения состава газа и др. Рассмотрим некоторые приме­ры использования терморези­сторов для измерения неэлект­рических величин.

Термоанемометр — устрой­ство, служащее для измерения и контроля скорости газовых потоков. Датчик (рис. 10. 7, а) состоит из терморезистора, выпол­ненного из тонкой платиновой нити 1, которая припаяна к двум манганиновым стерженькам 2, последние укреплены в ручке 3 из изолирующего материала. Выводы 4 подключаются в измеритель­ную цепь. Принцип работы термоанемометра основан на том, что при изменении скорости газового потока ν, смывающего платино­вую нить, меняется температура нагрева нити, так как меняется степень ее охлаждения. Это приводит к изменению сопротивления нити. Например, при изменении скорости газового потока от 6 до 3 м/с сопротивление платиновой нити уменьшается примерно от 5, 2 до 4, 3 Ом (см. градуированную кривую на рис. 10. 7, б). Обыч­но платиновая нить включается в мостовую схему, которая дает возможность уменьшить погрешность от изменения температуры движущегося газа.

Вакуумметр с терморезистором представлен на рис. 10. 8, а. Этот прибор служит для измерения глубокого вакуума. Принцип дейст­вия его основан на изменении теплопроводности газа в зависимо­сти от его давления. Ваку­умметр представляет собой стеклянный баллон 1 (или металлическую колбу) с укрепленным внутри него терморезистором 2 (тонкая платиновая или никелевая нить). Терморезистор разо­гревается током, величина которого поддерживается неизменной при помощи рео­стата и амперметра.

К числу достоинств датчиков относятся:

а) большая точность и надежность измерения, так как отсут­ствует трение между нагревателем и терморезисторами;

б) отсутствие сил обратного воздействия на нагреватель;

в) возможность питания нагревателя и терморезисторов как постоянным (U ₁), так и переменным током (U ₂), что объясняется активным характером этих резисторов.

Такой преобразователь нашел применение в приборах с цифро­вым отсчетом для измерения перемещений.

К недостаткам относятся инерционность и зависимость чувствительности от параметров окружаю­щей среды (температуры, давле­ния, влажности и т. д.).

ГЛАВА XI

Дата добавления: 2015-05-09