3. Терморезистивные преобразователи

3.1. Принцип действия. Измерительные цепи.

_{Электрические термометры сопротивления применяются в авиации для измерения температу­ры масла и воздуха внутри и снаружи кабин.}

Принцип действия термометра сопротивления основан на изменении электрического сопротивления металлов или полупроводников в зависимости от температуры.

Принципиальная схема термометра сопротивления показана на рис.4.

Рис.4. Принципиальная схема термометра сопротивления:

1 – приемник, 2 – указатель.

Прибор состоит из приемника 1 с теплочувствительным элементом, воспринимающий измеряемую температуру, и указателя 2, расположенного на приборной доске и соединенного с приемником электропроводкой.

Выбор материала для термочувствительного элемента обусловливается удобством изготовления, надежностью, чувствительностью, однозначной зависимостью R() и отсутствием воздействия среды на чувствительный элемент. Этим требованиям удовлетворяют металлы – медь, никель, железо и платина и полупроводниковые – хлориды и карбиды; окислы урана, никеля, марганца, бор, кремний, германий, теллур и др.

Измерение температуры в электрическом термометре сопротивления сводится к измерению электрического сопротивления, которое может быть осуществлено с помощью гальванометра, логометра или компенсационным методом.

Гальванометрические схемы не применяются из-за погрешностей, вызываемых колебаниями напряжения бортовой сети. Наиболее точен компенсационный метод, но он относительно сложен, поэтому преобладающее применение в авиации нашли логометрические схемы, обеспечивающие необходимую для термометров точность (порядка 2 %).

Термометры сопротивления с логометрическими указателями широко применяются в авиации для измерения температуры воды, масла, окружающего воздуха и т.п.

Терморезисторные термометры строятся на принципе прямого (рис.5) и уравновешивающего (рис.6) преобразования. В первом случае цепочка преобразования имеет вид

,

где ΔR- изменение сопротивления первичного преобразователя; ΔU- напряжение рассогласования моста; - отношение токов в рамках логометра и φ - отклонение стрелки.

В термометре уравновешивающего преобразования последовательность преобразования будет

,

где ΔR_ и ΔR - изменение сопротивлений терморезистора и схемы; ΔU- разбаланс схемы; U - напряжение на выходе усилителя; I - сила тока в обмотке двигателя; φ₁- угол отклонения вала двигателя.

Преимущество приборов уравновешенного преобразования – независимость показаний от напряжения питания моста и от температуры окружающей среды.

Рис.5. Схема прямого преобразования:

R₀- терморезистор;R₁,R₂,R₃,R₄,R₆,R₇-сопротивление моста;R_д– добавочное сопротивление;R_к1,R_к2- сопротивление рамок логометра.

Рис.6. Схема уравновешивающего преобразования: R– терморезистор;R₁,R₂,R₃,-сопротивление моста;R- балансировочное сопротивление; Д- двигатель уравновешивания.

3.2. Термопреобразователи сопротивления на основе металлов

Для металлов обычно принимают, что сопротивление является линейной функцией температуры, т.е.

, (20)

где R и R₀ – сопротивления, соответствующие температурам θ и θ₀; α– тем­пературный коэффициент сопротивления.

Уравнение (20) справедливо при малых отклонениях температуры.

На рис.7. приведены функции R/R₂₀ =f() для меди, никеля, платины и полу­проводников.

Материалы, предназначенные для теплочустви­тельного элемента, должны удовлетворять ряду требований: иметь стабильную и хорошо воспроизводимую монотонную зави­симость сопротивления от температуры и доста­точно высокое значение ТКС, определяемого вы­ражением:

; (21)

их физические и химические свойства должны ос­таваться стабильными во времени в рабочем диа­пазоне температур. Не должны быть чувствитель­ными к изменениям других внешних параметров, таких как давление, влажность, напряжённость магнитного поля, загрязнение и др.

Рис.7. Характеристики сопротивлений

Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, никель. Полупроводниковые в настоящее время представляют широкий класс материалов также пригодных для изготовления чувствительного элемента термосопротивления.

Платиновые термопреобразователи сопротивления. Чистая платина - наилучший и наиболее распространенный материал для изготовления теплочувствительного элемента. К достоинствам платины следует отнести её сравнительно высокую химическую инертность вплоть до высоких температур, высокую температуру плавления, высокое удельное сопротивление (10 мкОм/см при комнатной температуре). Платиновые термосопротивления (ТСП) используют для измерения температуры в диапазоне от – 260 до 1100°С.

Зависимость сопротивления ТСП от температуры в диапазоне 0 – 630 °С хорошо аппроксимируется полиномом второй степени:

, (22)

где R и R₀ – сопротивления ТСП при температуре θ и 0 °С соответственно; А и В – коэффициенты (В<0).

Для температур ниже 0 С справедливо соотношение:

. (23)

Для чистой платины: А=3,940×10^-3; В=-5.8×10^-7; С=-4×10^-12.

Медные термопреобразователи сопротивления. Медная проволока, выпускаемая промышленностью, отличается достаточной степенью чистоты, и поэтому изготовленные из неё термометры обладают весьма хорошей взаимозаменяемостью. К достоинствам меди следует от­нести линейную или близкую к линейной зависимость сопротивления от температуры, достаточно высокий ТКС, а также дешевизну проволоки. Недостатком меди является её сильная окисляемость при повышенных температурах, что ограничивает температурный предел применения медных термосопротивлений (ТСМ). Серийно выпускаемые технические ТСМ применяются для температуры в диапазоне от – 200 до +200 °С.

Никелевые термопреобразователи сопротивления. Основными достоинствами никеля являются высокие значения ТКС (α=6,410^-3 К^-1) и удельного сопротивления. К числу недостатков никеля следует отнести значительную окисляемость при высоких температурах. Поэтому никелевые термосопротивления (ТСН) могут быть использованы для длительных измерений только до 150 °С, а для кратковременных - до 180 °С. Зависимость сопротивления ТСН от температуры описывается полиномом второй степени (20) с положительным коэффициентом при квадратичном члене. Наиболее существенным недостатком никелевой проволоки является зависимость её ТКС от наличия примесей. Поэтому для обеспечения взаимозаменяемости термопреобразователей обычно последовательно с резистором из никеля включается резистор из материала с малым ТКС (манганит).

­3.3. Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления

Перечень полупроводниковых материалов, в той или иной степени удовлетворяющих резистивной термометрии, в настоящее время чрезвычайно велик. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность сопротивления к температуре, на порядок и более превышающая чувствительность металлов. Промышленность серийно выпускает множество типов полупроводниковых термопреобразователей в различном конструктивном оформлении, называемых термисторами.

Термисторы широко используются для измерения температур в диапазоне (–100 +300) °С. Исходными материалами для изготовления термисторов служат смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со специальным веществом в нужном соотношении; прессованием им придают необходимую форму, их спекают при температуре, близкой к температуре плавления используемых оксидов.

Так, например, термисторы типа КМТ, СТ1, ПТ изготавливают на основе кобальто-марганцевых, ММТ и СТ2 – на основе медно-марганцевых, СТ3 и МКМТ – медно-кобальто-марганцевых и СТ4 – никель-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников.

Термисторы имеют большое номинальное сопротивление (от единиц до сотен кОм), большой ТКС и малую инерционность. К числу их недостатков следует отнести нелинейность температурной зависимости сопротивления, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, нестабильность СХ.

Зависимость сопротивления термисторов от температуры описывается выражением:

(24)

где R₀ – сопротивление термистора при Т=273, T=273° + θ – абсолютная температура; B – постоянная материала.

Сопротивление полупроводникового термопреобразователя измеряется неуравновешенным четырёхплечим мостом постоянного тока (рис.8). Индикатором состояния моста является магнитоэлектрический логометр с подвижным магнитом и двумя неподвижными катушками, имеющими активные сопротивления R₈ и R₉. При изменении температуры величина сопротивления R₁₅ изменяется, происходит перераспределение токов в рамках логометра и откло­нение его подвижной системы.

Сопротивления R₅ и R₆, включенные по последовательно-па­раллельной схеме, являются корректирующими. Они выравнивают характеристики приемника.

Рис.8 Схема неуравновешенного четырёхплечего моста постоянного тока