Термочувствительные резистивные преобразователи

Принцип действия термочувствительных резистивных преобразователей, называемых часто терморезисторами (ТР), основан на зависимости электрического сопротивления проводника (или полупроводника) от температуры. Для получения информации о сопротивлении ИП через терморезистор необходимо пропустить электрический ток, который выделяет в ТР тепло. Происходит теплообмен между преобразователем и средой, и сопротивление ТР определяется тепловым равновесием между ИП и средой.

Тепловое равновесие можно записать в виде уравнения [14]

,

где Q – количество тепла, получаемое ИП за счет протекающего по нему электрического тока;  – количество тепла, отдаваемое через конвекцию, т. е. переносом тепла – естественно или принудительно – перемещающихся слоев среды под влиянием их различных температур;  – количество тепла, отдаваемое через теплопроводность среды;  – количество тепла, отдаваемое через теплопроводность самого ТР;  – количество тепла, отдаваемое через излучение.

Интенсивность теплообмена определяется геометрическими размерами и формой ТР, состоянием его поверхности, а также физическими свойствами окружающей среды (вязкостью, плотностью, теплопроводностью), скоростью движения среды и ее температурой. Зависимости интенсивности теплообмена от свойств и характеристик среды положены в основу построения средств измерений различных параметров среды. При создании ИП той или иной величины следует стремиться к тому, чтобы все факторы, за исключением преобразуемой величины, как можно меньше влияли на температуру ТР при тепловом равновесии. Во всех случаях стремятся уменьшить потери тепла через теплопроводность самого ТР () и на излучение ().

Термочувствительные преобразователи делятся на преобразователи без преднамеренного перегрева и перегревные, т. е. с относительно малым и большим токами, пропускаемыми через ТР. В преобразователях с малым током через ТР количество тепла, пропорциональное квадрату тока,близко к нулю и температура ТР в основном определяется температурой окружающей среды. Такие ИП используются для создания термометров сопротивления, т. е. приборов, измеряющих температуру окружающей среды.

В преобразователях с преднамеренным перегревом плотность тока в ТР такова, что температура ТР значительно превосходит окружающую и практически не зависит от нее. При тепловом равновесии температура ТР определяется параметрами среды (скоростью, плотностью и т. д.), поэтому такие ТР нашли применение в различных средствах измерений для анализа физико-химических свойств среды.

В качестве термочувствительных преобразователей в настоящее время используются металлические и полупроводниковые ТР. К металлическим ТР предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики и ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготавливаемых ТР. Помимо основных требований желателен высокий температурный коэффициент электрического сопротивления при одновременно высоком удельном сопротивлении материала ТР.

Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным требованиям (особенно основным). Металлы  имеют    положительный    температурный    коэффициент   в     пределах .

Для изготовления стандартных ТР применяют в настоящее время платину и медь (в редких случаях – никель). Платина является наилучшим материалом для ТР, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах и имеет достаточно высокое удельное сопротивление (  Ом∙м). Следует, правда, иметь в виду, что в восстановительной среде платину применять нельзя (пары кремния, натрия, калия и т. п.). Недостатком платины является ее высокая стоимость.

Стандартные платиновые ТР используются для измерения температуры от –260 до 1100 ºC, причём в диапазоне температур от –260 до 750 ºC используют платиновую проволоку диаметром 0,05…0,1 мм, а для измерения температур до 1100 ºC в силу распыления платины при таких температурах диаметр проволоки составляет около 0,5 мм [4].

Недостатком платиновых ТР, применяемых для измерения температуры в указанном диапазоне, кроме высокой стоимости является нелинейность функции преобразования. Существует градуировочная таблица, в которой приведена статическая характеристика преобразования. Аналитически функция преобразования для диапазона отрицательных температур (от  ºC) имеет вид

,

а для диапазона положительных температур (до 650 ºC)

,

где – сопротивление ТР при 0º C; ; ; .^­

На рис. 2.1 приведено устройство платинового термопреобразователя. Платиновая неизолированная проволока 1, к концам которой припаяны выводы из серебряной проволоки 3, намотана бифилярным способом (для исключения индуктивности) на каркас 2, выполненный из термостойкого изоляционного материала (фарфор, слюда, кварц). Обмотка с каркасом помещается между слюдяными прокладками 4, и всё вместе размещается в тонкостенной алюминиевой трубке. Для защиты чувствительного элемента от внешних воздействий его помещают в защитную арматуру из нержавеющей стали. Выводы изолируются от корпуса фарфоровыми бусинками и подключаются к зажимам специальной платы, установленной в защитном чехле.

Стандартные ТР из меди применяются для измерения температуры от –200 до 200 ºC, т. е. в более узком температурном диапазоне. Объясняется это тем, что при более высоких температурах медь легко окисляется, и ТР меняет свои свойства. В диапазоне температур от –50 до 180 ºC зависимость сопротивления ТР от температуры считается линейной, а именно

,

где  – температурный коэффициент меди. Медная проволока, используемая в ИП, диаметром до 0,1 мм имеет эмалевую или шелковую изоляцию и наматывается на пластмассовый каркас. В остальном конструкция медного термопреобразователя такая же, как и на рис. 2.1.

Помимо платины и меди иногда для изготовления металлических терморезисторов используют никель.

Кроме металлических ТР получили распространение полупроводниковые ТР, которые применяются для измерения температуры от –100 до 300 ºC. В качестве материалов для них используются различные полупроводники – оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия. Основным преимуществом полупроводниковых ТР, так называемых термисторов, является их большой температурный коэффициент сопротивления (в отличие от металлических ТР в основном отрицательный).

Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому могут выполняться очень малых размеров при заданном номинальном сопротивлении.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в интервалах, не превышающих 100 ºC, определяется выражением

.

В узких интервалах температур (не более 25 ºC) используется более простое выражение

.

В этих выражениях  – сопротивление при температуре T, K; A, b, B – постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала полупроводника.

Недостатком полупроводниковых ТР является значительная нелинейность характеристики преобразования и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. В связи с этим полупроводниковые ТР даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.

Исключением являются германиевые термопреобразователи сопротивления,   которые  при технических измерениях в диапазоне температур 30…90 K имеют погрешность ±(0,05…0,1) K, а также специальный германиевый преобразователь, служащий в качестве эталонного термометра для воспроизведения температурной шкалы в интервале 4,2…13,81 K с погрешностью не более ±0,001 K [4].

Чувствительные элементы из полупроводников выполняют в виде цилиндров, шайб, бусинок малого размера.

В силу указанных недостатков термисторы редко используются для измерения температуры. Они находят широкое применение в системах температурной сигнализации вследствие присущего им релейного эффекта – скачкообразного изменения сопротивления при достижении определенной температуры. Также термисторы используют в качестве чувствительных элементов в различных газоаналитических приборах.

По динамическим свойствам металлические ТР значительно уступают термисторам из-за своей инерционности. Для металлических ТР инерционность может составлять от нескольких десятков секунд до нескольких минут, в то время как у термисторов из-за их малых габаритов этот параметр может быть меньше по крайней мере на порядок.

 

Реостатные преобразователи

 

Принцип действия реостатных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входного перемещения. Преобразователь представляет собой реостат, подвижный контакт (движок) которого перемещается под действием измеряемой (преобразуемой) величины. Такие преобразователи бывают каркасные и реохордные.

Наиболее распространены каркасные преобразователи, в которых тонкая проволока из материала с высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом намотана на каркас из текстолита, пластмассы или алюминия, покрытого тонкой оксидной пленкой. Изменение выходного параметра преобразователя R происходит посредством перемещения движка (рис. 2.2).

Форма каркаса может быть различной. На рис. 2.2, a представлен реостатный преобразователь углового перемещения, на рис. 2.2, б – преобразователь с линейной зависимостью сопротивления R от преобразуемого параметра (перемещения) x, а на рис. 2.2, в – преобразователь с нелинейной зависимостью R от x.

Каркас из алюминия обеспечивает прочность конструкции и позволяет повышать плотность тока в обмотке за счет лучшей теплопроводности для увеличения чувствительности ИП.

Материал проволоки должен быть устойчив к истиранию. Обычно используются сплавы: константан, фехраль, а при повышенных температурах – нихром. Наилучшим образом указанным требованиям отвечает платиноиридиевый сплав ПИ-10, обладающий повышенной износоустойчивостью и антикоррозийностью.

Движок может быть щеточным или пластинчатым и изготавливается из нескольких проволок платиноиридиевого, платинобериллиевого сплава или пластин из серебра или фосфористой бронзы. При изготовлении преобразователя провод диаметром 0,03…0,1 мм равномерно наматывается на каркас.

 Поверхность проволоки, по которой скользит движок, освобождается от изоляции и полируется. Каркасные реостатные ИП имеют ступенчатый характер изменения выходного параметра R от входного преобразуемого перемещения x. Это вызывает погрешность преобразования, погрешность дискретности, максимальное значение которой (в процентах) определяется по формуле: , где  – максимальное сопротивление одного витка;  – полное сопротивление преобразователя; w – число витков обмотки ИП. Погрешность дискретности современных реостатных преобразователей лежит в пределах ±(0,05…0,5) %. Порог чувствительности этих ИП 0,1…0,5 мм при линейном и 0,2...2º при угловом перемещении [15].

В реохордных реостатных ИП погрешность дискретности отсутствует. В этих преобразователях для увеличения хода движка и полного сопротивления высокоомная проволока располагается по спирали (геликоидальные ИП).

Кроме погрешности дискретности, являющейся методической погрешностью, в реостатных ИП возможны и другие источники погрешностей, а именно шумы, наводки, возникающие при изменении переходного контакта движка, ударах его о поверхность проволоки, паразитные термоЭДС в месте соприкосновения движка и обмотки ИП. В то же время влияние температуры окружающей среды на параметры преобразователя незначительно.

Наличие подвижного контакта ограничивает динамические свойства реостатных ИП, которые обычно используются для преобразования медленно меняющихся перемещений или других величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (давление, усилие, уровень и т. д.). Выходной параметр реостатного ИП R измеряется с помощью мостовых или потенциометрических схем.

Достоинства реостатных ИП – относительная простота конструкции, возможная высокая точность и возможность получения значительного по уровню выходного сигнала.

К недостаткам реостатных ИП можно отнести ограниченную надежность из-за наличия скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений  движка, а иногда и значительных усилий для его перемещения.