Терморезистивні перетворювачі

Принцип дії терморезистивних перетворювачів оснований на властивості провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при зміні температури.

Для терморезистивних перетворювачів використовують матеріали, що характеризуються високою стабільністю ТКО, високим відтворенням електричного опору при даній температурі, значним питомим електричним опором, високим ТКО, стабільністю хімічних і фізичних властивостей при нагріванні, інертністю до досліджуваного середовища. До таких матеріалів в першу чергу відносяться платина, мідь, нікель, вольфрам і ін. Але найбільш широко використовуються платинові і мідні терморезистори.

Опір платинових терморезисторів в діапазоні температур від 0 до 6500 С описується рівнянням

RQ = R0 (1+AQ+BQ 2),

де RQ, R0 – опір перетворювача

при робочій і нульовій температурі; А і В – постійні коефіцієнти.

Для платинової проволоки, що використовується в промислових терморезисторах, А= 3,96847×10–3 К–1; В= -5,847×10–7 К–2. В інтервалі температур від 0 до -2000 С залежність опору платини від температури має вигляд

RQ = R0[1+AQ+BQ2+C(Q-100)3],

де C=–4,356×10–12 К–3.

До недоліків платинових перетворювачів температури відноситься досить висока забрудненість платини парами металів (особливо заліза) при високих температурах, порівняно невелика хімічна стійкість у відновлювальному середовищі, внаслідок чого матеріал стає крихким, втрачає стабільність характеристик.

Мідні терморезистивні перетворювачі широко використовуються в діапазоні температур від 50 до 1800 С завдяки низькій вартості, досить високій стійкості до корозії. Залежність опору від температури описується лінійним рівнянням

RQ = R0(1+aQ),

де a=4,26×10–3 К–1.

До недоліків мідних перетворювачів температури відносяться висока окисність міді при нагріванні, внаслідок чого їх використовують у визначеному порівняно невеликому діапазоні температур в середовищах з низькою вологістю і при відсутності агресивних газів.

Нікель, хімічно стійкий матеріал навіть при високих температурах, має складну залежність опору від температури і невисоку її відтворюваність. Тугоплавкі метали – вольфрам, молібден, тантал, ніобій – використовують мало через вплив температури на структуру металу, що робить його крихким. Сплави, які характеризуються більш високим питомим опором, ніж чисті метали, в якості металів для перетворювачів не використовують через порівняно невисокий ТКО, значення якого в значній мірі залежить від кількісного і якісного складу домішок.

Терморезистори зазвичай використовують для вимірювання температур. При цьому струм навантаження, що проходить через перетворювач, повинен бути малим. Якщо через терморезистори пропускати великий фіксований струм, то перегрів терморезистора по відношенню до навколишнього середовища може стати значним. Усталене значення перегріву і, відповідно, опору при цьому буде визначатись умовами тепловіддачі поверхні терморезистора. Якщо нагрітий терморезистор помістити в середовище зі змінними теплофізичними характеристиками, то з’являється можливість вимірювання ряду фізичних величин, наприклад, швидкості потоку рідин і газів, щільності газів і т.п.

Чутливість мідних терморезисторів

image002

платинових –

КSП = R0 (a +2BQ).

Чутливість мідних терморезисторів постійна, а чутливість платинових змінюється зі зміною температури. При однакових значеннях R0 чутливість мідних терморезисторів вище.

Основним джерелом похибок терморезистивних перетворювачів температури є неточність підгонки опору R0 при температурі 00 С і відхилення відношення W100 опору R100 при 1000 С до опору R0, нестабільність цих параметрів в часі, додатковий нагрів від проходження робочого струму, нестабільність опору знімальних дротів, що підходять від вимірювальної схеми до перетворювача та інші.

Відносні похибки dПІДГ і dВІД (у відсотках), зумовлені неточністю підгонки R0 і відхилення W100 від номінального значення, визначають за виразом (для платинових терморезисторів):

image004

де image006– відносне відхилення R0 від номінального значення; DА – відхилення коефіцієнта А від номінального значення.

Нестабільність терморезистивних перетворювачів пояснюється зміною значень R0 і W100, внаслідок забруднення чутливого елементу конструкційними матеріалами. Похибки, що виникають за рахунок зміни R0 і W100, мають різні знаки, тому частково компенсуються.

За динамічними властивостями терморезистивні перетворювачі ідентичні термоелектричним перетворювачам.

Термоперетворювачі температури, які випускаються виробництвом, з платиновими (ТОП) і мідними (ТОМ) чутливими елементами призначені для вимірювання температур в діапазоні від -200 до +11000 С

Промислові термоперетворювачі випускають в вигляді чутливих елементів в захисних корпусах. Чутливі елементи сучасного платинового терморезистора мають вигляд спіралі, яку розміщують в каналі дво- або чотири канального керамічного каркасу і ущільненого порошкоподібним оксидом алюмінію. Оксид алюмінію є якісним електричним ізолятором, що характеризується великою теплостійкістю і високою теплопровідністю. Чутливий елемент мідних терморезистивних перетворювачів опору являє собою безкаркасну обмотку з мідного ізольованого проводу, покритого фторопластовою плівкою і поміщеного в металевий захисний корпус.

Терморезистори з напівпровідникових матеріалів, які називаються термісторами, знаходять широке використання в системах автоматичного контролю і управління.

В якості матеріалу для термісторів використовують окиси металів — марганцю, міді, заліза, нікелю, кобальту і інших, які спікають при високій температурі. Оксиди, карбіди, сульфіди металів, що утворюються, характеризуються негативними температурними коефіцієнтами опору, що характерно для напівпровідників.

Опір термістора зменшується з підвищенням температури за експоненційним законом:

image008

де Ro — опір термістора при початковій температурі; a — температурний коефіцієнт опору термістора; зазвичай a = (0,03¸0,06) град–1 ; q — перегрів термістора відносно початкової температури.

Характеристики термістора мають яскраво виражену нелінійність (рис. 2.7.1). Основними з них є залежність опору термістора від температури, тобто температурна характеристика (рис. 2.7.1, а) і вольт-амперні характеристики (рис. 2.7.1, б), які встановлюють залежність між напругою на термісторі UT і струмом ІТ, що протікає через нього при заданій температурі qо. Вольт-амперна характеристика має максимум, оскільки з ростом струму термістор нагрівається і його опір падає. На рис. 2.7.1, б наведені вольт-амперні характеристики термістора при різних значеннях температури зовнішнього середовища q03>q02>q01. Внаслідок зменшення опору термістора з підвищенням температури вольт-амперна характеристика при більш високій температурі зовнішнього середовища q03 буде розташована нижче характеристик при q02 і q01.

image010
Конструктивно термістори являють собою тіло дискової, кульової чи інших форм з металевими виводами. Для захисту від вологи робоче тіло покривають шаром лаку або скла, а іноді поміщують його в герметичний скляний балон або металевий корпус. Але це значно збільшує теплову інерцію термістора.

При певній зміні температури опір термісторів може змінюватись в декілька разів (див. рис. 2.7.1, а), що дозволяє створювати пристрої для вимірювання температури з високою чутливістю. Чутливість термісторів в 5¸30 разів більша, ніж чутливість терморезисторів.

Зміна опору термісторів в значних межах обумовлена високим температурним коефіцієнтом опору напівпровідників, що сягає 3% і вище на 1оС при кімнатній температурі (а для металевих провідників 0,35¸0,65% на 1оС). Крім того, перевагою термісторів є можливість виготовлення їх з великим опором і малими габаритами. Недоліки термісторів — нелінійність і значний розкид характеристик.

Нелінійність характеристик обумовлює використання термісторів при вимірюванні температури в вузьких межах або при спільній роботі з пристроями лінеаризації.

Відмінність характеристик термісторів від зразка до зразка, наприклад, розкид по опору ±20% від номінального значення, робить важкою їх взаємну замінність.

Вітчизняною промисловістю випускаються різні конструкції термісторів: мідно-марганцеві (тип ММТ), кобальто-марганцеві (тип КМТ) з захисним корпусом і без нього, непрямого підігріву (ТНП) і інші. Вони виконуються на номінальні опори від десятків ОМ до сотень тисяч ОМ. Робочий діапазон вимірюваних температур складає -100¸+180оС. В якості термісторів використовуються також германієві діоди і тріоди, зворотний опір яких змінюється в залежності від температури. Так, наприклад, чутливість перетворювача на діодах складає декілька Ом на градус.

Термістори знаходять використання не тільки для контролю і заміру температур, але і для обмеження пускового струму електродвигунів, баретерів, потужних ламп накалювання, для температурної компенсації, а також в якості керованого струмом змінного резистора з зовнішнім підігрівом без ковзного контакту.

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”

Оставьте комментарий к статье