Терморезисторы

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого измелется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор.

Датчики температуры с терморезисторами называются терморезисторами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов.
Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

(3.10.1)

коэффициент.

Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен α = 3,91·10^-3 К^-1.

Чувствительный элемент медного терморезистора (рис. 3.10.1,а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0-1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис. 4.41,б), который представляет собой закрытую с ситного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.

При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы.

Основные параметры наиболее распространенных терморезисторов и обозначения их градуировок по ГОСТ 6651-84 приведены в табл. 3.10.1.

Номинальные функции преобразования (статические характеристики) медных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСГ 6651-84.

Схемы включения металлических терморезисторов. Термометр
сопротивления и провода, соединяющие его со вторичным прибором,

Таблица 3.10.1

Рис.3.10.1 Рис.3.10.2

включены последовательно. Обычно используются медные провода,
сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные
изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры.

Вторичные преобразователи термометров сопротивления выполняются такими, чтобы максимально уменьшить эту погрешность. Если требуется наибольшая точность измерения температуры, например при метрологических работах, используется компенсационная схема, приведенная на рис. 3.10.1. По этой схеме применяют четырехзажимные платиновые терморезисторы. Провода 1-1 используются для подвода тока, а два других 2-2 служат для измерения падения напряжения U_t на термочувствительной обмотке. Падение напряжения U_t, измеряется с помощью потенциометра. Измеряется также падение напряжения U_t0 на образцовой катушке R₀. Сопротивление терморезистора при этом равно

(3.10.2)

Благодаря компенсационному методу измерения отсутствует падение напряжения на проводах, соединяющих термометр с потенциометром, и их сопротивление не влияет на результат измерения.

В менее ответственных случаях для измерения сопротивлений терморезисторов используются мосты: в лабораторной практике — с ручным уравновешиванием, в производственных условиях — автоматические. Упрощенная схема автоматического моста показана на рис. 3.10.2. Измерительная цепь представляет собой мост, состоящий из манганиновых резисторов R1-R3 и терморезистора R_t. Напряжение питания моста Е. Перемещением движка реохорда R_p добиваются уравновешивания моста. Если мост не уравновешен, напряжение измерительной диагонали усиливается и подается на реверсивный двигатель PД. Вал двигателя через редуктор соединен с движком реохорда и перемещает сто так, чтобы напряжение разбаланса уменьшалось. Перемещение продолжается до тех пор, пока мост не будет уравновешен. В автоматических мостах движок реохорда связан с ore четным устройством, с записывающим устройством, регистрирующим текущие значения температуры на диаграммной бумаге, с устройством регулирования температуры, а также с устройством дистанционной передачи показаний. Погрешность автоматических мостов аналогична погрешности автоматических потенциометров.

Термометр сопротивления может подключиться к мосту с помощью
двух- или трехпроводного кабеля. Двухпроводный кабель дешевле, однако при его использовании сопротивления обоих проводов включаются последовательно с термометром в одно плечо. Токоведушие жилы кабеля выполнены из медного провода: при изменении температуры их сопротивление изменяется, что вносит погрешность в измерение. Двух upon един к кабель используется в тех случаях, когда его температура постоянна и погрешность, обусловленная ее изменением, незначительна.

При включении термометра по трехпроводной схеме (рис. 3.10.2) по одной жиле кабеля к термометру подводится напряжение питания. К течам моста термометр подсоединяется с помощью двух других жил, включенных в смежные плечи моста. Одинаковые изменения их сопротивлений практически на разбалансируют мост. Таким образом, исключается погрешность, которая могла бы быть при изменении температуры кабеля.

В качестве вторичных приборов для термометров сопротивления
в промышленности применяются также логометрические приборы.

Сопротивление терморезистора определяется его температурой. Последняя зависит не только от температуры окружающей среды, но и от проходящего по нему тока. Перегрев медного термометра током не должен превышать 0,4 °С, а платинового – 0,2°С. Для этого ток не должен превосходить 10-15 мА.

Полупроводниковые терморезисторы. Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора – термистора – изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помешают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло.

С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Их функцию преобразования (рис. 3.10.3) обычно аппроксимируют выражением

(3.10.3)

где R_t - сопротивление термистора при температуре Т в Кельвинах;
А и В — постоянные, зависящие от материала и технологии, причем
А зависти, кроме того, от размеров термистора и его формы.

Рис.3.10.3

Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20 °С) от 1 до 200 кОм. В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от -100 до 120-600 °С. Их чувствительность в 6–10 раз больше, чем чувствительность металлического терморезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры. Имеются термисторы, выполненные в виде шариков диаметром от 0,006 до 2,5 мм. Тетплоемкостъ таких термисторов на несколько порядков меньше, чем у металлических терморезисторов. Малая теплоемкость обусловливает малую инерционность термисторов. Имеются термисторы с постоянной тепловой инерцией несколько миллисекунд. Недостатком термисторов является нелинейность функция преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность характеристик. В течение первой недели ах сопротивление может измениться на 1– 1,5%, а за несколько месяцев еще на 1%. В дальнейшем изменение сопротивления термистора происходит медленнее, не превышая 0,2% в год.

Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста. Приборы имеют индивидуальную градуировку, что обусловлено большим разбросом параметров и характеристик преобразователей. Ко вторичному прибору термисторы подсоединяются с помощью двухпроводного кабеля. Погрешность, вызванная изменением параметров кабеля, ничтожна, поскольку сопротивление и чувствительность термистора много больше сопротивления линии связи и ее чувствительности к изменению температуры.

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью. Они широко используются, например, в биологии. С помощью термистора, смонтированного на острие иглы, можно измерить температуру внутренних органов живого организма. Широкое применение термисторы находят в различных приборах для температурной коррекции характеристик приборов.

Измерение давлений. Приборы для измерения давления - манометры - можно разбить на три группы. Первую группу составляют жидкостные манометры. Эти приборы имеют два сообщающихся сосуда, заполненных жидкостью. На поверхность жидкости в одном сосуде действует измеряемое давление. Это изменяет уровень жидкости в другом. Разность уровней Δh пропорциональна разности давлений р₁- р₂, действующих в одном и другом сосуде:

(3.10.4)

где ρ- плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести.

Жидкостный манометр является дифференцмтьным манометром, измеряющим разность давлений. Однако с его помощью можно произвести и другие измерения давления. Если во втором сосуде над жидкостью создан вакуум, то манометр измеряет абсолютное давление р_а. Если второй сосуд соединен с атмосферой, то прибор измеряет избыточное давление р_и. Если измеряемое абсолютное давление р_а меньше атмосферного р_ат, то разность уровней будет пропорциональна вакууму р_в:

(3.10.5)

Рис.3.10.4

В электрических жидкостных манометрах изменение уровня жидкости преобразуется в электрическую величину. На рис. 3.10.4,а показана схема дифференциально-трансформаторного поппавкого датчика разности давлений ДПЭМ-2. В этом датчике уровень жидкости с помошмо поплавка постоянного погружения I преобразуется в перемещение плунжера дифференциально-трансформаторного преобразователя 2 с последующим преобразованием в ЭДС. Заполнителем могут быть вазелиновое или трансформаторное масло, вода, ртуть.

Ко второй группе относятся пружинные манометры. В этих манометрах измеряемое давление подастся в манометрическую пружину и деформирует ее на величину (перемещение), пропорциональную давлению. В качестве манометрической тружины используются сильфон, мембрана или трубчатая пружина (трубка Бурдона). Деформация пружины с помощью преобразователя перемещения преобразуется в электрическую величину. На рис. 3.10.4,б показана схема дифференциально-трансформаторного датчика разности давления типа ДМ. Давления р₁ и р₂ подаются в камеры, содержащие мембранные коробки 1, 2.

Рис.3.10.5

Полости коробок сообщаются и заполнены дистиллированной водой. Измеряемая разность давлений деформирует коробки и перемещает плунжер дифференциально-трансформаторного преобразователя 3. Перемещение плунжера, следовательно, н выходная ЭДС пропорциональны разности давлений. Диапазоны измерения таких дифференциальных манометров лежат в пределах от 1,6 до 630 кПа. Основная погрешность в комплекте с вторичиым прибором не превышает ± 2 %.

Работа манометров третьей труппы основана на изменении свойств газа (плотности, теплопроводности, ионизационного тска и т. д.) под действием давления. Изменение свойств газа преобразуется в изменение электрической величины. Манометры этой группы в основном служат для измерения абсолютного давления и с успехом применяются для измерения вакуума.

Градуировка и поверка манометров производятся с помощью грузопоршневого манометра (рис. 3.10.5). Он представляет собой гидравлическую систему, давление в которой создается поршнем 1, вставленным в цилиндр грузовой колонки 2. Поршень нагружается дисковыми гирями 3. Давление

(3.10.5)

где G -вес поршня с гирями, Q - площадь сечения поршня. В гидравлическую систему включается поверяемый манометр 4. Грузопоршне вой манометр заполняется трансформаторным маслом через воронку 5. Для регулирования высоты поршни с гирями имеется вспомогательный поршень 6, который вытесняет масло из своего цилиндра в цилиндр грузовой колонки. Для увеличения темности создания давления поршень 1 с гирями 3 приводится во вращение. При вращении значительно уменьшается трение. Образцовые грузопершневые манометры имеют класс точности 0,05.

Рис.3.10.6

Измерение скорости. Измерение скорости при малых линейных перемещениях может производиться с помощью индукционных вибродатчиков. Одна часть датчика (катушка или магнитная система с постоянным магнитом) монтируется на подвижном объекте, друтая соединястся с каким-либо неподвижным объектом. ЭДС на выходе датчика пропорциональна скорости перемещения.

В качестве неподвижной точки может служить сейсмическая масса сейсмического датчика вибрации. Сейсмический датчик вибрации схематически показан на рис. 3.10.6. Он состоит из корпуса 1, в котором на плоских пружинах 2 укреплена ферромагнитная сейсмическая м;кха 3. На корпусе смонтирован кольцевой постоянный магнит 4 с полюсными наконечниками 5. Магнитный поток постоянного магнита проходит через полюса и сейсмическую массу. На последней в магнитном поле находятся две катушки 6, соединенные встречно (дифференциально). При движении сейсмической массы относительно корпуса в катушках наводится ЭДС, пропорциональная скорости ее движения. Она пропорциональна измеряемой скорости вибрации корпуса относительно неподвижной точки. Диапазон рабочих частот определяется частотными характеристиками сейсмического вибродатчика. Для улучшения частотных характеристик и уменьшения частотных погрешностей в датчике имеется воздушный демпфер 7.

Индукционный вибродатчик может использоваться также для измерения амплитуды вибрации и ее ускорения. Поскольку выбрационные перемещения равны интегралу от скорости, то для получения напряжения, пропорционального перемещению, достаточно проинтегрировать Выходное напряжение датчика. Интегрирование может производиться с помощью интегрирующего усилителя (рис. 3.10.7.а), построенного на базе операционного усилителя. Последний представляет собой стабилизированный

Рис.3.10.7

с помощью обратной связи усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления К. Он имеет большое входное сопротивление и инвертирует входное напряжение. Пусть от датчика на схему рис. 3.10.7,а поступает гармоническое напряжение U _вх; под его действием через резистор R и конденсатор С течет ток I. Можно считать, что в операционный усилитель он не ответвляется. Это обусловлено следующим. При нормальной работе усилитель не перегружается и его выходное напряжение не превосходит некоторого конечного значения, определяемого номинальным режимом. На входе усилителя напряжение в К раз меньше. При большом К можно считать, что напряжение на входе усилителя равно нулю, и входной ток усилителя отсутствует. Усилитель регулирует ток I так, чтобы точка а была практически при нулевом потенциале. В силу этого

(3.10.6)

(3.10.7)

Выходное напряжение пропорционально интегралу от входного.

Выражение (4.196) справедливо, если можно пренебречь входным сопротивлением операционного усилителя. С уменьшением частоты согротивления конденсатора Х_с = 1/ωС возрастает и становится соизмеримым с входным сопротивлением усилителя. Это вызывает погрешность. Ее относительное значение

(3.10.8)

Для получения напряжения, пропорционального ускорения вибрации, необходимо продифференцировать напряжение датчика. Это можно сделать с помощью дифференциального усилителя (рис. 3.10.7,б).
Анализируя его работу аналогично предыдущему, можно получить, что выходное напряжение дифференцирующего усилителя, пропорциональное производной от входного,

(3.10.9)

При измерении скорости на больших линейных перемещениях, когда нельзя применить индукционный преобразователь, линейная скорость преобразуется в угловую. Для преобразования могут использоватся колеса и рейки с зубчатым или фрикционным соединением. Подобным же образом в угловую скорость преобразуется линейная скорость наземных транспортных средств.

Дата добавления: 2017-02-01