Разновидности термосопротивлений, применяемые материалы и основы расчета

Приборы для измерения температуры, в которых в качестве пре­образователя используются термосопротивления, называются тер­мометрами электрического сопротивления или термометрами сопротивления. Термосопротивления, используемые в при­борах для измерения температуры, работают при малой нагрузке током, с тем, чтобы тепло, выделяемое током в термосопротивлении, было минимальным по сравнению с теплом, получаемым от испытуе­мой среды.

Основным требованием к свойствам материалов, применяемых в термометрах сопротивлений, является обеспечение возможно большего и стабильного температурного коэффициента электрического сопротивления при достаточно большом удельном сопротивлении материала. В этом отношении большой интерес представляют объемные полупровод­никовые термосопротивления, имеющие значительно боль­ший температурный коэффициент электрического сопротивления по сравнению с проводниковыми термосопротивлениями.

Проводниковые термосопротивления применяются в преобра­зователях промышленных термометров сопротивления. Такие пре­образователи изготовляются главным образом из чистых металлов. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, колеблющимся (в ин­тервале 0—100°С) от 0,35 до 0,68% на 1 град.

Проволока из сплавов высокого сопротивления не может быть использована для намотки преобразователей термометров сопро­тивления, так как температурный коэффициент ее незначителен. Наибольшее распространение для изготовления преобразовате­лей термометров сопротивлений имеют платина, медь и никель.

Для градуировки приборов с термометрами сопротивления термосопротивление заменяется магазином сопротивлений. Сопротив­ление преобразователя подсчитывается для каждой градуируемой точки шкалы и устанавливается на магазине, заменяющем преобра­зователь в цепи прибора.

Вопрос о выборе преобразователя термометра сопротивления из того или другого металла решается в основном химической инерт­ностью металла в измеряемой среде в интересующем интервале температур.

С этой точки зрения медный преобразователь можно применять только до температур порядка 180°С в атмосфере, сво­бодной от влажности и других взаимодействующих с медью газов. При более высоких температурах медь окисляется. Изоляцией для медной проволоки могут служить эмаль, шелк. Кроме того, недостатком меди является ее малое удельное сопротивление. Нижний предел температуры для медных преобразователей термометров сопротивления равен -50°С.

Никель, при условии хорошей изоляции от воздействия среды, можно применять до 250—300°С, так как при более высоких тем­пературах зависимость R=f(t) для него неоднозначна. Линейную зависимость сопротивления от температуры можно принять только для температур не выше 100°С. Ввиду неопределенности температурного ко­эффициента никеля последовательно с никелевой проволокой обычно включают манганиновое сопротивление, снижающее темпе­ратурный коэффициент преобразователя термометра до расчетного значения. Основным преимуществом никеля является большая величина удельного сопротивления (ρ=0,075 - 0,085 ом×мм²/м).

Наиболее часто для намотки термометров сопротивления исполь­зуется платиновая проволока вследствие ее химической инертно­сти. Однако платину нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. д.). Платиновые термо­метры сопротивления используют обычно от -200 до +650°С (хотя верхним пределом их применения можно считать 1000 — 1200°С), так как при температурах выше 500°С более практичны термопары.

Полупроводниковые термосопротивления. Полупроводниковые объемные термосопротивления изготовляют из смеси окислов раз­личных металлов (например, CuO, CoO, MnO). В процессе изготовления термосопротивления подвергают обжигу при высокой темпе­ратуре. При обжиге окислы спекаются в прочную массу, образуя химическое соединение.

а)

б)

Рисунок 3.24  Устройство полупроводниковых термосопротивлений: а) ММТ-1, КМТ-1 и б) ММТ-4, КМТ-4

 

Конструктивно термосопротивления изгото­вляют в виде стержней, шайб, дисков и буси­нок. На рисунке 3.24 показано устройство полупро­водниковых термосопротивлений типов ММТ и КМТ.

Термосопротивления типов ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками 2 и выводами 3. Эти типы термосопротивлений могут быть использованы лишь в сухих помещениях.

Термосопротивления типов ММТ-4 и КМТ-4 смонтированы в металлических корпусах 2 и герметизированы, благодаря чему они могут быть применены в условиях любой влажности и любой среды, не являющейся агрес­сивной относительно корпуса термосопротивления. Герметизация осуществлена стеклом 3 и оловом 4. Стержень 1 в термосопротивле­нии ММТ-4 обернут металлической фольгой 5. Эти термосопротив­ления выпускаются на номинальные значения сопротивления от 1000 до 200 000 ом (при + 20°С) и пригодны для работы в диапазоне температур от -100 до + 120°С.

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые термосопротивления, применяемые для измерения температуры ма­лых объектов и измерения переменных во времени температур. В качестве примера миниатюрного термосопротивления на рисунке 3.25  изображено термосопротивление МКМТ-16 бусинкового типа.

Рисунок 3.25  Устройство термосопротивления МКМТ-16

 

Объемное сопротивление выполнено в виде шарика диаметром около 0,8 мм с выводами из платиновой проволоки диаметром 0,05 мм, к концам которых приварены проводники из нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм. Корпус термосопротивления сделан из стекла.

Термосопротивления МКМТ-16 изготовляют на номи­нальные значения сопротивлений 2700 и 5100 ом при 20°С (коэффи­циент B=3400°К). Они предназначены для работы в диапазоне температур от -60 до + 120°С, в диапазоне давлений от 1 мм рт.ст. до 100 ат, в условиях вибрации с ускорениями до 15 g и в условиях ударной тряски при ускорениях до 12 g. Миниатюрные полупроводниковые тер­мосопротивления обладают малой теп­ловой инерцией — порядка нескольких секунд.

Недостатками полупроводниковых термосопротивлений являются нелинейность зависимости их сопротивления от температуры и значительное отклонение от образца к образцу как номи­нального значения сопротивления (более ±30%), нормируемого обычно при 20°С, так и характера зависимости сопротивления от температуры (отклонения значений температурного коэффи­циента достигают ± 5% и более). Это затрудняет получение линей­ных шкал термометров и обеспечение взаимозаменяемости термосо­противлений, необходимой при массовом производстве термометров с термосопротивлениями.

Чтобы улучшить вид шкалы и обеспечить взаимозаменяемость, термосопротивление приходится включать в измерительную цепь в виде комбинации с термонезависимыми сопротивлениями (манганиновыми, МЛТ, БЛП и т. д.). Подобную комбинацию термосопротивления с другими сопротивлениями, включаемыми для исправления его характеристики, назы­вают корректированным термоэлементом.

Схемы корректированных термоэлементов приведены на рисунке 3.26. Простейшей схемой корректированного термоэлемента является схема рисунок 3.26.а. Здесь параллельно термосопротивлению Rт под­ключено термонезависимое сопротивление Rш. Выбирая соответст­вующим образом значение сопротивления Rш, можно получить зна­чительное спрямление зависимости сопротивления Rэ корректиро­ванного термоэлемента от температуры. Для сопротивления Rэ если воспользоваться обозначениями рисунка 3.26.а можно написать

                (3.36)

 

Рисунок 3.26 Схемы корректированных термоэлементов

 

Правая часть этого выражения написана с учетом зависимости (3.36) сопротивления Rт от температуры и с учетом коэффициента шунтирования k, который равен 

 .                                (3.37)

Зависимость Rэ=f(T) согласно выражению (3.37) показана на рисунке 3.27. Как видно из рисунка, при низких температурах сопротив­ление Rэ практически не зависит от температуры. При повышении температуры оно начинает уменьшаться, причем, степень этого умень­шения вначале мала, затем возрастает и. наконец, опять уменьша­ется. Поэтому кривая Rэ=f(T) имеет точку перегиба. Участок кривой в районе точки перегиба оказывается близким прямой. Это обстоятельство можно использовать при расчете корректиро­ванного термоэлемента для измерения температуры, изменяющейся в небольшом диапазоне.

Рисунок 3.27 Зависимости сопротивлений Rт и Rэ от температуры

 

Температура, которой соответствует точка перегиба, может быть найдена из уравнения

получаемого, если дважды продифференцировать выражение (3.36) и приравнять результат нулю. Полагая в этом уравнении Т=Тср, имеем

Находя отсюда значение k при заданном Тср и определяя при этом k значение Rш из выражения (3.37), получим корректированный термоэлемент, у которого зависимость сопротивления от темпера­туры будет иметь перегиб при температуре Тср.

Для получения более или менее линейной зависимости сопро­тивления Rэ от температуры для большого температурного диапа­зона значение k целесообразно рассчиты­вать из условия нахождения трех точек кривой Rэ=f(T) на одной прямой линии. Это совмещение кривой Rэ прямой можно осуществить, например, при температурах: Tн — начальной температуре, Tср — сред­ней температуре и Tк — конечной темпера­туре измеряемого диапазона температур.

Указанное условие будет выполнено, если приращения сопротивлений ΔRэн и ΔRэк корректированного термоэлемента при температурах TН и TК равные

                             (3.38)

где Rэн Rэср и Rэк — сопротивления корректированного термо­элемента при температурах Tн, Tср и Tк будут пропорциональны соответствующим отклонениям Θн и Θк температуры, т. е. если будет равенство

                                   (3.39)

где Θн=Tн-Tср и Θк=Tк-Tср.

Знак минус поставлен потому, что Θн — отрицательное.

Отсюда

, причем  .

Разделив левую и правую части (3.39) на Кэср и учитывая (3.38), получаем

.                          (3.40)

Подставив сюда соответствующие значения Rэ из (3.36) и Rш из (3.37), после преобразований будем иметь

,                    (3.41)

где

.                    (3.42)

Из уравнения (3.40) при заданном диапазоне температур и вы­бранном значении термосопротивления однозначно определяется коэффициент k, при котором указанные выше три точки кривой Rэ лежат на одной прямой. При этом точка перегиба кривой Rэ обяза­тельно находится в заданном температурном диапазоне. К сожалению, корректированный термоэлемент (рисунок 3.26.а), позволяя получить более или менее линейную шкалу тер­мометра, не обеспечивает взаимозаменяемости. Для обеспече­ния взаимозаменяемости, т.е. для получения повторяющихся зна­чений сопротивлений корректированных термоэлементов при при­менении в них отличающихся друг от друга по характеристикам Rт=f(T), термосопротивлений, необходим не один, как в схеме (рисунок 3.26а), а несколько регулируемых элементов.

В корректированных термоэлементах (рисунок 3.26б, в) имеется по два термонезависимых сопротивления (Rш и Rд), при помощи которых можно обеспечить соответствующие повторяющиеся значения сопротивления Rэ различных температурах, например Rэн при Тн Rэк при Тк для термосопротнвлений, отличаю­щихся друг от друга по характеристикам Rт=f(T).

Для получения соответствующих повторяющихся значений Rэ, отдельных корректированных термоэлементов при трех, температурах необходимы три регулируемых элемента (рисунок 3.26). При по­мощи трех регулируемых элементов можно обеспечить также совмещение в трех точках кривой Rэ=f(T) с прямой.

При совмещении кривой Rэ прямой в двух точках (рисунок 3.26 б и в), т.е. при двух температурах, отклонение Rэ от прямой может достигать значительных величин (20—30%). При совмещении в трех точках (рисунок 3.26г) отклонение Rэ от прямой незначительно (доли процента), однако температурный коэффициент подобного корректированного термоэлемента по сравнению с температурным коэффициентом термосопротивления резко уменьшается (в 5—6 раз).

Температурный коэффициент корректированного термоэлемента при совмещении в двух точках уменьшается по сравнению с температурным коэффициентом термосопротивления примерно в два раза.

 

⇐ Предыдущая27282930313233343536Следующая ⇒

Поделиться: