Реферат: Тепловые преобразователи

Однако следует иметь в виду, что из-за нелинейной зависимости между ЭДС термопары и температурой рабочего спая поправка DQ к показаниям указателя Q', градуированного непосредственно в градусах, не будет равна температуре Q0 свободных концов, что очевидно из рис. 9.

Для определения температуры необходимо воспользоваться градуировочной таблицей для данной термопары, определить ЭДС .Е как Е = Еизм + DЕ (Q0) и затем по скорректированному таким образом значению Е найти Q. Приближенно значение погрешности может быть определено как

DQ = kQ0,

где k — поправочный коэффициент на температуру свободных концов. Значение k различно для каждого участка кривой, поэтому градуировочную кривую разделяют на участки по 100 °С и для каждого участка определяют значение k.

В качестве примера устройства автоматического введения поправки на. температуру свободных концов на рис. 10 схематично показано устройство типа КТ-0,8. В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор RT, помещенный возле свободных концов термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре в0 мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю.

При повышении температуры свободных концов сопротивление R, изменяется, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на выходной диагонали моста компенсирует уменьшение термо-ЭДС термопары. Уравновешивание моста при температуре терморезистора, равной нулю, производится изменением сопротивления одного из манганиновых резисторов. Изменение выходного напряжения Uвых моста при температуре терморезистора Q до значения, равного уменьшению термо-ЭДС DЕ, так, чтобы ивых (0) — — АЕ (0) = 0, производится изменением напряжения питания моста, т. е. сопротивления R. Вследствие нелинейности характеристики термопар полной коррекции погрешности при помощи описываемого устройства получить не удается, однако погрешность значительно уменьшается.

Погрешность, обусловленная изменением сопротивления измерительной цепи. В термоэлектрических термометрах для измерения термо-ЭДС применяют как обычные милливольтметры, так и потенциометры с ручным или автоматическим уравновешиванием на предел измерения до 100 мВ.

В тех случаях, когда термо-ЭДС измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность из-за изменения сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо-ЭДС. Измерительная цепь термопары включает в себя рабочие термоэлектроды, удлинительные термоэлектроды и соединительные провода или линию. Сопротивление рабочих термоэлектродов из неблагородных металлов не превышает 1 Ом, сопротивление рабочих термоэлектродов из благородных металлов больше. Кроме того, термоэлектроды, за редким исключением, выполняются из материалов, имеющих относительно высокий ТКС, и при изменении температуры на несколько сотен градусов внутреннее сопротивление термопары существенно возрастает.

Чтобы уменьшить погрешность от падения напряжения на внутреннем сопротивлении термопары, милливольтметры, как правило, градуируются по температуре в комплекте с термопарой с указанием сопротивления линии (обычно 5 Ом), которое подгоняется изменением сопротивления добавочной катушки непосредственно при монтаже прибора. При соблюдении этих условий погрешность возникает при изменении сопротивления термоэлектродов в результате окисления в процессе эксплуатации, при изменении сопротивления термопары при разных глубинах ее погружения, при изменении сопротивления удлинительных термоэлектродов и соединительных проводов в зависимости от темлературы окружающей среды.

4. ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ, ОСНОВЫ ИХ РАСЧЕТА И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Для измерения температур используются терморезисторы из материалов, обладающих высокостабильным ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.

Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до +650 °С выражается соотношением RQ = R0 (1 + АQ + ВQ2), где R0 — сопротивление при 0 °С; Q— температура, °С. Для платиновой проволоки с отношением R100/Ro = 1,385 значения А = 3,90784·10-3 Кг-1; В = 5,7841-10-7 К-2. В интервале температур от 0 до —200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид RQ = R0 [1 + АQ + ВQ2 + С (Q — 100) Q3], где С = = —4,482-10-12 К-4. Промышленные платиновые термометры согласно ГОСТ 6651—78 используются в диапазоне температур от —260 до + 1100 °С.

Миниатюрные высокоомные платиновые терморезисторы изготовляют путем вжигания или нанесения иным путем платиновой пленки на керамическое основание толщиной 1—2 мм. При ширине пленки 0,1—0,2 мм и длине 5—10 мм сопротивление терморезистора лежит в пределах 200—500 Ом. Такого рода термочувствительные элементы при нанесении пленки с обеих сторон используются для измерения температурного градиента и имеют порог чувствительности (1 ¸ 5)10-5 К/м.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне температур от —50 до +180 °С можно пользоваться формулой RQ = R0 (1 + aQ), где a = 4,26-10-3 К-1; R0 — сопротивление при 0 °С. Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление RQ, (при температуре Q2) по известному сопротивлению RQ1

(при температуре Q1), то следует пользоваться формулой

RQ2 = RQ1 (1 + aQ2)/(1 + aQ1).

 Медный терморезистор можно применять только до температуры 200°С в атмосфере, свободной от влажности и корродирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивления равен —200°С, хотя при введении индивидуальной градуировки возможно их применение вплоть до —260 °С.

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным

током. В частности, В. И. Лахом для определения допустимого измерительного тока через термометр в диапазоне измеряемых температур до 750 °С приводится соотношение

I = 2d1,5DQ0,5, где I — ток, А; d — диаметр проволоки термометра, мм; DQ— допустимое приращение показаний термометра за счет его нагревания током. В диапазоне температур от —50 до +100 °С перегрев находящегося в спокойном воздухе провода диаметром d = 0,05 ¸ 0,1 мм определяется из формулы DQ = 5I2/d2.

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС.

ТКС полупроводниковых терморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры: a = В/Q2. При 20 °С ТКС составляет 0,02—0,08 К-1.

Температурная зависимость сопротивления ПТР (рис. 11, кривая 2) достаточно хорошо описывается формулой RQ = АеВ/Т, где Т — абсолютная температура; А — коэффициент, имеющий размерность Сопротивления; В — коэффициент, имеющий размерность температуры. На рис. 11 для сравнения приведена температурная зависимость для медного терморезистора (прямая 1).

Если для применяемого ПТР не известны коэффициенты А и В, Но известны сопротивления R1 и R2 при Т1 и Т2, то сопротивление и коэффициент В для любой другой температуры можно определить из соотношений:

Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры (рис. 11) и значительный разброс от образца к образцу как номинального сопротивления, так и постоянной В

CT4-16

Рис. 12

Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 12 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.

Терморезисторы типов ММТ-4а и КМТ-4а заключены в металлические капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы при любой влажности и даже в жидкостях, не являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 имеют каплевидную форму. Для герметизации чувствительный элемент в них оплавлен стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность. В терморезисторе СТЗ-25 чувствительный! элемент также помещен в стеклянную оболочку, диаметр которой доведен до 0,5—0,3 мм. Терморезистор с помощью выводов прикреплен к траверсам.

Терморезистор СТ4-16, в котором для герметизации термочувствительный элемент в виде бусинки оплавлен стеклом, обладает повышенной стабильностью и относительно малым разбросом номинального; сопротивления (менее ±5%). Терморезистор СТ17-1 предназначен для работы в диапазоне низких температур (от —258 до +60 °С).' При температуре кипения жидкого азота (—196 °С) его ТКС составляет от —0,06 до

—0,12К-1 при температуре —252,6 °С ТКС возрастает и достигает значения от —0,15 до —0,30 К-1, постоянная времени при погружении в жидкий азот не превышает 3 с. Терморезистор СТ18-1 рассчитан на работу в температурном диапазоне от +200 до +600 "С, его ТКС при +250 °С составляет —0,034 К-1, при 600 °С равен —0,011 К-1"1.

В табл. 11-5 приведены характеристики для некоторых типов ПТР, взятые из соответствующих стандартов. В графе «номинальное сопротивление» приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений.

Таблица 5

Минимальной мощностью рассеяния Рmin называется мощность, при которой у терморезистора, находящегося в спокойном воздухе при температуре (20 ± 1) °С, сопротивление уменьшается от разогревания током не более чем на 1 %. Максимальной называется мощность Ртах, при которой терморезистор, находящийся в тех же условиях, разогревается током до верхней допустимой температуры. Кроме этого, указывается допустимая мощность Рдоп при максимальной допустимой температуре. По стандартам для большинства терморезисторов допускаются отклонения от номинальных значений начальных сопротивлений в пределах ± 20%, при длительной выдержке ПТР при максимальной допустимой температуре допускается изменение сопротивления в пределах ± 3%, при хранении в течение 18 месяцев изменение сопротивления не должно превышать ± (1 ¸ 3)%, при хранении до 10 лет изменение сопротивления может достигать ±30%. Однако опыт работы с ПТР показывает, что стабильность характеристик ПТР оказывается в большинстве случаев значительно выше указываемой в стандартах.

В настоящее время не на все типы выпускаемых ПТР имеются стандарты. Основные характеристики некоторых из этих типов ПТР, не вошедших в табл. 5, даны в табл. 6. В графе «постоянная В» приводятся два диапазона возможных значений В: первая строка относится к низким температурам, а вторая — к высоким. Номинальные сопротивления ПТР типов КМТ-14, СТ1-18, СТ1-19 нормируются для 150 °С, остальные — для 20 °С.

Таблица 6

5. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

Измерительные цепи терморезисторов строят обычно или на основе уравновешенных мостов или используя преобразование сопротивления

в напряжение.

На рис. 13, а показана упрощенная схема измерительной цепи самопишущего термометра типа КС. Металлический терморезистор RQ включается здесь в мост, образованный резисторами Rt R2, R3 и реохордом Rр. Мост питается от источника переменного напряжения 6,3 В через добавочный резистор Rд. Выходное напряжение моста подается на усилитель неравновесия УН, управляющий работой двигателя Д, связанного с движком реохорда и пером самописца. Вращаясь, двигатель перемещает движок реохорда до тех пор, пока мост не придет в состояние равновесия. „ Перемещение движка пропорционально изменению сопротивления R, и шкала прибора градуируется по температуре.

Как видно из рис. 13, а, терморезистор в данном случае присоединен к мостовой цепи с помощью трехпроводной линии связи. Благодаря этому уменьшается погрешность, вызываемая изменением сопротивления проводов линии. Действительно, сопротивления проводов r1 и r3 включены в соседние плечи моста (последовательно с RQ и R3), а сопротивление провода r2 включено последовательно с источником питания. Таким образом, r2 вообще не влияет на состояние равновесия, а влияния сопротивлений r1 и r3 в значительной степени компенсируют друг друга.

Если обозначить буквой ц относительное перемещение движка реохорда от нижнего по схеме зажима, то условие равновесия моста в схеме рис. 11-14, а запишется следующим образом:

Из этого равенства соответственно найдем

Последнее соотношение позволяет количественно оценить влияние нестабильности сопротивлений rt и r3 на показания прибора h.

Широкое распространение цифровых вольтметров привело к тому, что в настоящее время получили применение измерительные цепи, основанные на преобразовании сопротивления в напряжение.

На рис. 13,6 показана схема преобразователя сопротивления в напряжение, содержащая неравновесный мост, в одно из плеч которого включен по трехпроводной схеме терморезистор RQ.. Благодаря использованию в цепи операционного усилителя ОУ достигается линейная зависимость выходного напряжения Uвых от сопротивления RQ.. Напряжение на выходе ОУ, которое является напряжением питания моста, равно

U = Uo (Rt + RQ + r1 + r3)/R1

Выходное напряжение моста определяется как

Если  = R2 = R3 = R и RQ = R +DR, то

Как видно из последнего выражения, сопротивления проводов r1 и r3 компенсируют друг друга и при r1 = r3 выходное напряжение Uвых = 0,5 U0DR/R. Напряжение питания Uo ограничивается значением допустимого тока через терморезистор, ток через терморезистор определяется формулой I = UO / R1.

Рис. 14

Радикальным методом борьбы с влиянием проводов соединительной линии является использование четырехпроводного включения терморезистора. Четырехпроводное включение показано на рис. 14, а. Через терморезистор протекает ток I0, задаваемый стабилизатором тока или специальным источником с большим внутренним сопротивлением. Таким образом, сопротивления проводов r1 и r4 а также изменение сопротивления RQ не влияют на ток I0. Если для измерения напряжения Uвых использовать вольтметр с высоким входным сопротивлением, то сопротивления проводов r2 и r3 также не повлияют на результат измерения. Так обеспечивается практически полное исключение погрешностей, вызванных нестабильностью сопротивлений проводов соединительной линии, а напряжение Uвых определяется простым соотношением Uвых = I0/RQ

Один из возможных вариантов цепи с источником тока и четырехпроводной соединительной линии показан на рис. 14, б. Источник тока здесь построен на основе операционного усилителя ОУ1 и резисторов с сопротивлениями Rt — R4. Как известно [1], если в такой цепи установить R4 /R3 — R2 /R1 , то ток I0, поступающий в терморезистор Re (при условии, что R7 = ¥), будет определяться соотношением

I=U0/R3 .

Операционный усилитель ОУ2 обеспечивает поддержание нулевого потенциала на нижнем зажиме терморезистора RQ вне зависимости от сопротивления проводов r3 и r4. Благодаря этому напряжение между проводом r2 и землей оказывается пропорциональным RQ и отпадает необходимость в использовании дифференциального усилителя.

Построенный на основе операционного усилителя ОУЗ неинвертирующий усилитель обеспечивает выходное напряжение, равное

 (7)

Если требуется, чтобы при начальном значении сопротивления терморезистора RQ = Ro обеспечивалось равенство выходного напряжения Uвых нулю, то отношение R6/R5 следует выбирать в соответствии с равенством R6/R5 = R0/(R3 — R0). Тогда

Uвых =. Uo (RQ - R0)/( R3 - R0).

Вводя в измерительную цепь (рис. 14, б) резистор R7, можно скорректировать в некоторых пределах нелинейность преобразования температуры в сопротивление RQ (если таковая нелинейность имеется). При введении R7 нужно скорректировать значения сопротивлений R1 - R4 так, чтобы выполнялось равенство /?4 (Ra + #7У(#з#7) — = R^Ri- При этом ток I0 оказывается равным I0 = Uo/R3 + UBbIX/R7.

Подобным путем при правильном выборе элементов цепи удается скорректировать погрешность линейности платинового термометра сопротивления и уменьшить эту погрешность в диапазоне измерения О—400 °С до значения 0,1—0,2 °С. Без линеаризации погрешность линейности составляет около 8 СС.

Полупроводниковые терморезисторы имеют весьма нелинейную зависимость сопротивления от температуры (кривая 1 на рис. 15, а). Для полупроводниковых терморезисторов разработаны специальные линеаризующие цепи.

Простейшая из таких цепей образуется при шунтировании полупроводникового терморезистора постоянным сопротивлением, как это показано на рис. 15,6. Линеаризованное сопротивление изменяется в зависимости от температуры в соответствии с кривой 2 на рис. 15, а. Для того чтобы получить точку перегиба кривой 2 при заданной температуре Тп (Тп целесообразно задать в середине диапазона измеряемых температур), нужно выбрать R1.

Часто одновременно с линеаризацией проводят также унификацию характеристик полупроводниковых терморезисторов, т. е. строят двухполюсники с одинаковыми характеристиками при использовании в них терморезисторов с несколько различающимися параметрами. При этом измерительная цепь, естественно, усложняется. Один из возможных вариантов унифицирующей цепи показан на рис. 15, в.

Рис. 15

Путем подбора сопротивлений резисторов Ru R2 и R3 можно совместить реальную характеристику с желаемой в трех точках. При этом средняя точка, соответствующая перегибу зависимости сопротивления от температуры, будет при температуре Тп, если выполнено условие R1 + R2 = Rтп (В - 2Тп)/(В + 2Тп).

Для линеаризации при работе с полупроводниковыми терморезисторами можно использовать также нелинейную зависимость напряжения от одного из сопротивлений в резистивном делителе или неравновесном мосте. На рис. 15, г показана цепь подобного рода, содержащая операционный усилитель ОУ. В этой цепи напряжение с делителя R1 RQ подается на неинвертирующий вход усилителя ОУ

б. РАЗНОВИДНОСТИ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Кроме широко распространенных и описанных выше термочувствительных преобразователей — термопар и терморезисторов, в последние годы в измерительных

устройствах находят применение термочувствительные элементы, основанные на иных физических эффектах.

В высокоточных термометрах и вакуумметрах используются термочувствительные пьезорезонаторы, в преобразователях тепловых излучений — пироэлектрические преобразователи, в приборах температурного контроля — сегнетокерамические емкостные преобразователи. Для измерения сверхнизких температур и для измерения очень высоких температур разрабатываются термошумовые преобразователи, выходной величиной которых является ЭДС шума резистивных элементов.

Термодиоды и термотранзисторы находят применение в датчиках температуры, работающих в диапазоне от —80 до +150 °С. Верхняя граница температурного диапазона ограничивается тепловым пробоем р-n-перехода и для отдельных типов германиевых датчиков достигает 200 °С, а для кремниевых датчиков — даже 500 °С. Нижняя граница температурного диапазона определяется уменьшением концентрации основных носителей и может достигать для германиевых датчиков —(240 ¸ 260) °С, для кремниевых —200°С.

Основными преимуществами термодиодов и термотранзисторов являются малые габариты, возможность взаимозаменяемости и, главное, дешевизна, позволяющая применять их в датчиках одноразового употребления.

 Рис. 16

На рис. 16 представлена схема преобразователя температуры в частоту с диодом ТД типа Д9 в качестве термочувствительного элемента. Диод; ТД подключен к иеинвертирующему входу операционного усилителя, выполняющему функцию интегратора. На инвертирующий вход этого усилителя подается напряжение с делителя R1. Делитель и термодиод питаются стабильным током (Iтд = 1 мА) от источника опорного напряжения, задаваемого диодом Д1. Интегратор сбрасывается через транзистор Т1, когда конденсатор С1 заряжается до напряжения 10 В. Время заряда конденсатора и, следовательно, частота импульсов на выходе интегратора зависят 6т температуры, так как с увеличением температуры уменьшается напряжение на диоде ТД и увеличивается разность напряжений на входах усилителя. Регулировка чувствительности (S = 10 Гц/К) осуществляется изменением сопротивления R2, регулировка нуля — изменением сопротивления R1. Диапазон измерений преобразователя 0—100 °С, погрешность не превышает ±0,3 °С.

Позисторы, критезисторы. В настоящее время известен ряд материалов, для . которых наблюдается резкое изменение проводимости в относительно узком диапазоне температур, близком к температуре фазового перехода для данного материала, т е. к температуре точки Кюри. Резисторы, которые характеризуются особенно большим значением ТКС в окрестности критической температуры, в ряде работ получили название критезисторов.

Рис. 17

В зависимости от материала проводимость в критической области температур может как уменьшаться, так и увеличиваться. Так, серия резисторов типа СТ6, разработанных на базе титаната бария ВаТЮ3, имеет высокие положительные ТКС в области температур 65—150 °С. Полупроводниковые резисторы с положительными ТКС получили название позисторов. Температурные зависимости сопротивления некоторых типов позисторов показаны на рис. 17, а.

Зависимости а от температуры приведены на рис. 17, б. Статические вольт-амперные характеристики, представляющие собой зависимость между током через позистор и напряжением на нем в условиях теплового равновесия с внешней средой, имеют за счет саморазогрева выраженный участок с отрицательным сопротивлением. На рис. 17, в показаны вольт-амперные характеристики 1, 2 и 3 позистора СТ6-1Б' снятые в спокойном воздухе при температурах 20, 40 и 70 °С соответственно. Там же для сравнения дана вольт-амперная характеристика 4 полупроводникового резистора

Резисторы на основе двуокиси ванадия VO2 имеют отрицательный температурный коэффициент в области температур 60—80 °С. На основе VOa выпускаются резисторы СТ9-1А и СТ9-1Б (критезисторы), выполненные в виде прямоугольных штабиков

Список используемой литературы

1.  «Электрические изменения физических величин» Левшина Е.С. Новицкий П.В.

2.  «Электрические измерения неэлектрических велечин» Туричи А.М.

3.  «Электрические измерения» Фремке А.М.

4.  Сведения из internet