Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов

Как известно, сопротивление металлов растет с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов, см. рисунок 18 а, б, обычно применяются медь или платина. Проводниковые термометры сопротивления изготавливаются из чистых металлов (платина, медь, никель), имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления.

 

 

1 – позисторы; 2 – металлы; 3 – электролиты; 4 – термисторы Рисунок 17 – Зависимость сопротивления различных ТС от температуры

 

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

Рисунок 18 – ТС и схема его включения а – общий вид ТС; б – схема включения

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

, (14)

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 19 б) для измерения температуры помещений и газовых потоков имеют каркас, выполненный в виде тонкостенной перфорированной трубки из нержавеющей стали.

Чувствительный элемент медного терморезистора (рисунок 19 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 19 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.

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.

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 19 – Схема медного терморезистора

 

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:

, (15)

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:

. (16)

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:

. (17)

Решив эти уравнения относительно коэффициента В, находят его значения:

. (18)

По известному значению В находят величину А:

. (19)

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 :

. (20)

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:

. (21)

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

. (22)

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

Ход работы

Оборудование и приборы: лабораторная установка; термометр сопротивления; ртутный термометр; вольтамперомметр; нагревательный элемент.

 

1) Ознакомиться с устройством никелевого и медного термометров сопротивления.

2) Определить сопротивление термометра при температуре 20⁰С.

3) С помощью термостата создать температуру среды в 40, 60, 80, 100⁰С.

4) Измерить вольтамперомметром сопротивление термометра при температурах 20, 40, 60, 80, 100⁰С. Измерения повторить не менее трёх раз.

5) Построить характеристику зависимости сопротивления терморезис-тора от температуры среды.

6) Рассчитать погрешности аналитического и эмпирического способов определения сопротивления термометра.

7) Результаты исследования и расчетов занести в таблицу 8. Написать отчет.

 

 

Таблица 8 – Результаты исследования и расчетов

Параметр	Температура среды, ^ОС.
Измеренное сопротивление термометра, Ом
Расчетное сопротивление термометра, Ом
Абсолютная погрешность, Ом
Относительная погрешность, %

 

Содержание отчета:

‒ название pаботы;

‒ цели;

‒ результаты обработки косвенных измерений температуры;

‒ общие выводы.

Контрольные вопросы и задания

1) Охарактеризуйте назначение термисторов.

2) Опишите назначение и устройство термометров сопротивления.

3) Что такое абсолютная и относительная погрешность? Единицы их измерения.

4) Какие факторы способствуют уменьшению погрешности и повышению чувствительности термисторов?

5) Назовите основные характеристики термометров сопротивления.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4