книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

Большая часть ФС имеет заметную инерционность. Мини­ мальная инерционность у сернистосвпнцовых сопротивлений, кото­ рые могут быть использованы для работы с модулированным све­ товым потоком на частотах до 10 000 гц. Эти ФС, в частности, используются в звуковом кино. Сернистокадмиевые ФС имеют значительную инерционность и могут быть использованы лишь

на частотах до 10 гц. Это, однако, не является препятствием для применения этих ФС в большей части схем автоматики.

ФС характеризуются большой стабильностью параметров, которые изменяются лишь в течение первых дней эксплуатации, а затем стабилизируются и остаются неизменными. Срок службы современных ФС в нормальных условиях эксплуатации практи­ чески неограничен.

Рис. 44. Спектральные характеристики ФС.

1 — селенового; 2 — сернпстокадмиевого; 3 — сернистовисмутового; 4 — серннстосвмнцового.

Наряду со значительной инерционностью существенным не­ достатком ФС является зависимость их параметров от темпера­ туры. Чувствительность и темновое сопротивление ФС с повыше­ нием температуры уменьшаются. Несмотря на это, фотосопротпвления благодаря своей высокой чувствительности н стабиль­

71

ности, хорошим спектральным характеристикам, малым габарит­ ным размерам, низкой стоимости, исключительной надежности

ибольшому сроку службы вытесняют из схем промышленной автоматики фотоэлементы других типов. Выпускаемые в настоя­ щее время сернистокадмиевые ФС позволяют создавать простые

инадежные схемы автоматики, состоящие в основном из малога­ баритного ФС, включенного последовательно с электромагнитным реле в сеть переменного тока. Фотосопротивлеппя типов ФС-К1 допускают включение их в схему, работающую при напряжении

Обратному переходу препятствуют вентильные свойства запираю­ щего слоя. Вследствие этого появляется избыток электронов на одном из электродов, т. е. возникает разность потенциалов между электродами, фото-э. д. с. У селеновых фотоэлементов отрицательно заряжается полупрозрачный металлический слой, у сернисто-серебряных— полупроводник п металлическое основа­ ние (рис. 45, а). Характерная особенность применения вентильных фотоэлементов — отсутствие внешнего источника напряжения, фотоэлемент сам является генератором фото-э. д. с. При замыка­ нии электродов фотоэлемента по внешней цепи (при освещении запирающего слоя) протекает фототок. На рйс. 45, б приведены световые характеристики вентильного элемента. Они показывают

72

зависимость фото-э. д. с. Еф при разомкнутой внешней цепи (режим холостого хода) и фототока / ф при закороченной внешней цепи (режим короткого замыкания) от величины светового потока Ф. Фото-э. д. с. имеет непрямолипейную зависимость, а фототок при малом внешнем сопротивлении, наоборот, строго прямолиней­ ную зависимость от светового потока. Поэтому вентильные фото­ элементы, как правило, используются в режиме короткого замы­

ные фотоэлементы по чувствительности превосходят фотоэлементы с внешним фотоэффектом и зна­

ближаясь этим к свойствам сернистосвпнцовых фотосопротивлсннй.

Вентильные фотоэлементы имеют значительную собственную емкость и поэтому заметно инерционны. Сернисто-серебряные фото­ элементы целесообразно использовать на частотах не выше 50 ггг,

селеновые — не выше 1000 гц. Сернпстоталлиевые фотоэлементы могут применяться па частотах до 1 0 кгц.

Чувствительность серпистосеребряных фотоэлементов, особенно в режиме холостого хода, сильно зависит от температуры, т. е. падает при ее повышении. Чувствительность селеновых фотоэле­ ментов мало зависит от температуры. Использовать вентильные фотоэлементы при температуре окружающей среды выше 60— 80° С нельзя; в таких случаях нужно применять охлаждение.

Вентильные фотоэлементы имеют хорошую стабильность при освещенности, не превышающей 100 лк. При значительной осве­ щенности фотоэлемент «утомляется», падает его чувствительность. Срок службы вентильных фотоэлементов при нормальных усло­ виях эксплуатации значителен.

73

Вентильные фотоэлементы имеют небольшое внутреннее со­ противление и развивают сравнительно небольшие фото-э. д. с. Это чрезвычайно затрудняет усиление фототоков, получаемых в цепи вентильных фотоэлементов. Преимущество же этих фото­ элементов — отсутствие необходимости в источнике напряжения. Эти особенности определяют использование вентильных фотоэле­ ментов в тех случаях, когда для измерения фототока можно при­ менить чувствительные низкоомные электроизмерительные при­ боры (гальванометры, микроамперметры) или отметить появле­ ние фототока при помощи чувствительных электромагнитных реле. В схемах промышленной автоматики вентильные фотоэле­ менты применяются сравнительно редко.

§ 5. Полупроводниковые термочувствительные сопротивления

Параметры термосопротивлений. Полупроводниковые термо­ чувствительные сопротивления или, как их сокращенно называют, термосопротивления нлн термисторы представляют собой полу­ проводниковые приборы, электрическое сопротивление которых резко уменьшается с повышением температуры.

Термосопротивления (ТС) обычно изготовляют путем спекания порошкообразных полупроводниковых материалов в твердую компактную массу. При этом применяется смесь нескольких полу­ проводниковых матерпалов, дозировкой которых достигаются нужные параметры ТС. Изготовляют ТС самых разнообразных форм и размеров. Для устранения влияния атмосферы полупро­ водниковые элементы покрывают лаком, красками, остекловывают или помещают в герметичные металлические корпуса. Для включения в цепь ТС имеют выводы в виде металлических прово­ лок или ленточек. ТС некоторых типов помещают в стеклянный баллон, воздух из которого откачивают.

Несмотря на то, что ТС стали применять лишь в течение последних 2 0 лет, по разнообразию использования они, пожалуй, превосходят полупроводниковые приборы всех других видов. Это объясняется их выгодными параметрами и широкими возмож­ ностями изменять их в процессе производства.

Наиболее существенными параметрами ТС являются следую­ щие.

1.Величина электрического сопротивления ТС при темпера­ туре 20° С, которая обозначается Rw (указывается в омах или килоомах) и называется номинальным или холодным сопроти­ влением ТС.

2.Величина температурного коэффициента сопротивления аго

(указывается в процентах на 1° С при 20° С).

3. Постоянная времени т (указывается в секундах). Она равна времени, в течение которого температура ТС изменится на 63% от разности температур окружающей среды н ТС, н характери­ зует тепловую инерционность ТС. Чаще всего эту разность принимают равной 100° С.

74

4. Максимально допустимая температура (°ма,<с, при которой характеристики ТС еще длительное время остаются стабильными.

6 . Коэффициент энергетической чувствительности С (в вт/%), численно равный мощности, которую нужно рассеять на ТС для уменьшения его сопротивления на 1 %.

Номинальные сопротивления ТС R ю могут иметь значения (у разных типов) от единиц ом до сотен килоом. У ТС одного и

у ТС. Для иллюстрации этих величин приведем следующий при­ мер: при повышении температуры платинового термометра сопро­ тивления от нуля до 300° С его сопротивление возрастает примерно вдвое, а сопротивление ТС в тех же условиях уменьшается в не­ сколько тысяч раз. Такое резкое изменение сопротивления под влиянием непостоянства температуры позволяет при помощи ТС отмечать и измерять очень малые колебания температуры, равные тысячным и десятитысячным долям градуса. При измерении обыч­ ных в технике изменений температур ТС позволяют обходиться простыми и надежными приборами.

75

Постоянная времени ТС зависит от их конструкции и размера. Для ТС типов ММТ-4 и КМТ-4 т = 115 сек., для ММТ-1 и КМТ-1 т = 85 сек., для миниатюрных шариковых ТС т уменьшается до нескольких секунд. Максимальная допустимая температура для ТС отечественных типов 60—180° С 1. Выпускаемые в настоящее время ТС имеют большую стабильность параметров, что позволяет использовать их для измерений. Срок службы ТС при нормаль­ ных условиях эксплуатации в режиме малых нагрузок практи­ чески неограничен. В режиме больших нагрузок срок службы обычно равен нескольким тысячам часов.

Большой интерес представляют вольтамперные характеристики ТС, т. е. зависимость падения напряжения на сопротивлении от

ры. На рис. 48 приведена типич­ ная вольтамперная характеристика ТС, на которой ясно различимы три участка — ОА, АБ и БВ. Участок ОА соответств5гет такому режиму, когда ток I, протекающий по ТС, еще настолько мал, что заметно не нагревает ТС. В этом режиме сохраняется пропор­ циональность между U и I, характеристика прямолинейна. При дальнейшем повышении силы тока ТС нагревается п характери­ стика все больше отклоняется от прямой линии (участок АБ). Точка Б характеризуется максимальным падением напряжения на ТС; при дальнейшем возрастании тока напряжение умень­ шается. Кроме того, участок БВ характерен тем, что кривая все больше приближается к горизонтальной линии. Такая форма вольтамперной характеристики ТС позволяет использовать их для стабилизации напряжений. Это приводит иногда к возникно­ вению в цепях, содержащих ТС, явления, которое носит название релейного эффекта и получило широкое применение для контроля температуры.

Вид характеристики ТС зависит от параметров сопротивления, температуры окружающей среды и степени тепловой связи между

1 Начат выпуск ТС для рабочей температуры до 350° С.

76

ТС и средой. На рис. 49 приведено семейство характеристик ТС, снятых при различных температурах окружающего воздуха.

Релейный эффект заключается в следующем. Когда рабочая точка перемещается от начала вольтамперной характеристики (рис. 48) и достигает точки Б, дальнейшее возрастание тока носит скачкообразный характер. Такое же явление происходит и тогда, когда при неизменном напряжении на концах ТС увеличивается температура окружающей среды. При напряжении на концах ТС, равном максимальному напряжению данной вольтамперной характеристики, развивается релейный эффект. Величина скачка тока при появлении релейного эффекта зависит от того, в какую цепь включено ТС. Если оно подключено непосредственно к источ­ нику напряжения достаточной мощности, ток будет возрастать пока ТС не разрушится. Если же ТС подключено к источнику напряжения через добавочное сопротивление, бросок тока будет

больше пли меньше в зависимости от величины этого сопротивле­ ния. При достаточно большом добавочном сопротивлении релей­ ный эффект развиваться не будет, т. е. рабочая точка будет плавно перемещаться но участку БВ вольтамперной характе­ ристики.

Применение термоеопротивлений. На рис. 50 приведена обыч­ ная схема включения термосопротивления для сигнализации опре­ деленной температуры с использованием релейного эффекта. Тер­ мосопротивление подключено к источнику напряжения через обмотку электромагнитного реле. Сопротивление обмотки реле является одновременно и ограничителем броска тока. Одна пара контактов реле используется для закорачивания ТС после возник­ новения релейного эффекта и срабатывания реле. Это предусматри­ вается для защиты ТС от перегрева, так как после возникновения релейного эффекта мощность, рассеиваемая на ТС, обычно пре­ восходит допустимую, в результате чего может произойти необратимое изменение параметров ТС н даже разрушение его.

77

В приведенном примере (контроль температуры ) ТС исполь­ зуется в режиме больших нагрузок, т. е. рабочая точка заходит на участок ВВ вольтамперной характеристики (рис. 48). В ре­ жиме больших нагрузок ТС используются также для стабилизации напряжении, измерения мощности на ультравысоких частотах, применяются как реле времени, пусковые сопротивления, генера­ торы низкой частоты и т. д.

Но часто ТС используются в режиме малых нагрузок, когда рабочая точка ие выходит из пределов участка ОА вольтамперной характеристики, т. е. когда ток, протекающий по ТС, настолько мал, что не вызывает заметного нагрева ТС. В этом режиме ТС работают при использовании их для измерения и регулирования температуры окружающей среды и для температурной компенса­ ции параметров электрических цепей.

В ряде случаев пользуются участком АБ вольтамперной ха­

рали. Полупроводниковый элемент и спираль электрически не связаны между собой и имеют самостоятельные выводы. Конст­ руктивно ТС с косвенным подогревом оформлены в виде ламп с нормальным 8 -штырьковым цоколем. Эти ТС широко приме­ няются в качестве дистанционных бесконтактных переменных сопротивлений. Так как для удовлетворительной работы эти Т<1 должны иметь малую инерционность, полупроводниковые эле­ менты этих ТС изготовляются незначительного объема, т. е. они рассчитываются на небольшую мощность. На рис. 51 показана схема использования ТС с косвенным подогревом для автоматиче­ ского регулирования усиления электронного усилителя. При воз­ растании мощности на выходе усилителя повышается температура подогревателя ТС, благодаря чему уменьшается величина сопро­ тивления, шунтирующего вход усилителя.

78

значительно большую температурную чувствительность, малые инерционность н размеры. К преимуществам ТС, используемых в качестве термометров сопротивления, следует отнести также

1° С. Это создает затруднения при массовом изготовлении прибо­ ров с ТС, при замене и использовании нескольких ТС с одним измерительным прибором. Затруднения эти обычно устраняются

Широко применяются ТС для компенсации влияния темпера­ туры окружающей среды, чаще всего компенсации изменения со­ противления металлических проводников. Например, ТС исполь­ зуются для компенсации изменения сопротивления рамок стрелоч­ ных электроизмерительных приборов, для чего ТС включают последовательно с рамкой прибора. Так как металлическое со­ противление с возрастанием температуры увеличивается по ли­ нейному закону, а ТС уменьшается по экспоненциальному, ТС шунтируют постоянным сопротивлением определенной величины. При правильно подобранной величине шунта компенсация будет осуществляться в достаточном интервале температур с большой точностью.

Возможно применение ТС для компенсации температуры хо­ лодных спаев термопар. В этих случаях ТС включается либо в спе­ циальную мостовую схему на входе параметрического измери­ тельного прибора, либо в ветвь реохорда измерительной схемы компенсационного прибора. Погрешность компенсационного уст­ ройства с ТС при диапазоне изменения температуры холодных спаев 30° С не превосходит 0,1° С.

7»

Промышленностью в настоящее время выпускается значитель­ ное количество ТС различных типов. Ниже даются общие харак­ теристики ТС, наиболее применяемых в схемах автоматики и вы­ пускаемых промышленностью.

Термосопротивления для измерения и регулирования темпера­ туры. Для использования в качестве термометров сопротивления промышленностью выпускаются ТС пяти основных типов: ММТ-1, ММТ-4, ММТ-6 , КМТ-1 и КМТ-4. Буквы ММ и КМ обозначают полупроводник, из которого изготовлен ТС. Для ТС типа КМТ температурный коэффициент сопротивления аго почти вдвое выше, чем для ТС типа ММТ. Цифры 1 , 4 и 6 характеризуют кон­ структивное оформление. Например, ТС ММТ-1, ММТ- 6 и КМТ-1

в котором герметизирован термочувствительный элемент. Первые

отличие от ММТ-1 имеют значительно меньшие размеры, что определяет меньшие допустимую мощность п постоянную вре­ мени (35 сек.).

Кроме основных ТС, для измерения и регулирования темпера­ туры промышленность выпускает малогабаритные дисковые со­ противления типа ТОСм. Они представляют собой диск диаметром 6 мм и толщиной 2,5 мм. В последнее время широкое распростра­ нение для специальных измерений температуры получили микро­ сопротивления бусинкового типа, представляющие собой шарик диаметром менее 0,5 мм.

Термокомпенсаторы. Для использования в схемах температур­ ной компенсации выпускаются ТС типов ММТ-8 , ММТ-9 и КМТ-12. ТС типа ММТ- 8 оформлены в виде шайб пз полупроводни­ кового материала с металлическими контактами, заключенными

вгерметичный металлический кожух. ТС типа ММТ-9 выпускаются

ввиде комплекта полупроводниковых шайб без кожуха. Кроме оформления, ТС этих двух типов отличаются друг от друга допу­ стимым диапазоном температур: для ТС типа ММТ- 8 он составляет от —40 до +60° С, для ТС типа ММТ-9 от —60 до

имеют высокую стабильность своих параметров, например ТС типа ММТ- 8 применяются для изготовления приборов клас­ са 0,5.

Термосопротивления для теплового контроля. Для целей сигнализации с использованием релейного эффекта выпускается ТС типа КМТ-10. Термочувствительным элементом этого ТС является полупроводниковый цилиндр длиной 2 —3 мм при диа­ метре 0,5 мм с никелевыми выводами. Этот термочувствительный элемент выпускается н отдельно под маркой КМТ-11. В КМТ-10

80