§21.2. Термочувствительные преобразователи

Термочувствительные преобразователи основаны на зависимости сопротивления проводника или полупроводника от температуры.

Интенсивность теплообмена со средой определяется геометрическими размерами терморезистора, физическими свойствами газовой или жидкой среды (плотность, теплопроводность, вязкость), скоростью газовой или жидкой среды, температурой среды.

Обычно терморезистор представляет собой тонкую проволоку диаметром 0,02 ÷ 0,06 мм и длиной 5 ÷ 50 мм.

Термочувствительные преобразователи делятся на

1. Преобразователи без преднамеренного перегрева.

2. Перегревные.

В первых ток, проходящий через терморезистор, почти не вызывает нагрева, и температура терморезистора определяется в основном температурой среды. Такие терморезисторы применяются для измерений температуры.

В перегревных терморезисторах ток, наоборот, вызывает значительный нагрев. Такие терморезисторы применяются для измерения скорости, плотности, вязкости среды и т.п.

Терморезисторы для измерения t° (термосопротивления)

Основными требованиеми, предъявляемым к материалу для терморезисторов, являются α → max, α = const при одновременном ρ → max, где α — температурный коэффициент, ρ — удельное сопротивление.

Поэтому обычно используются «чистые» металлы:

Pt — 200 ÷ 650° C

Cu (Ni) — 50 ÷ 260° C

Для терморезисторов составлены таблицы функции преобразования, устанавливающие связь между сопротивлением и температурой.

Стоит заметить, что в индивидуальных случаях используются и полупроводниковые терморезисторы.

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Расстояние l между свободными концами, к которым подключается приборы, составляет от 20 до 50 мм.

Виды термопар: ПП (платина–платина), ХК (хромель–копель), ХА (хромель–алюмель) и некоторые другие.

Температура определяется по таблицам, в которых предполагается t₂ = 0 (температура свободных концов равна нулю).

Электрические термометры сопротивления

Это уже измерительные приборы. Получаются соединением терморезистора и измерительной схемы. Причем наибольшее распространение получили ИС в виде неуравновешенных одинарных мостов с магнитоэлектрическим логометром в качестве измерителя, а также автоматические мосты.

Схема:

На схеме R_л1, R_л2 — сопротивления линии связи, r₁, r₂ — сопротивления катушек логометра. Как известно, для логометра угол отклонения не зависит от напряжения:

.

Запишем условие равновесия моста:

.

Основной погрешностью термометра сопротивления погрешность, обусловленная изменением сопротивления линии:

(*)

где ∆R_л — изменение сопротивления проводов линии, β — температурный коэффициент.

Для уменьшения этой погрешности может быть использована трехпроводная линия связи:

Для нее условие равновесия запишется в виде

.

(Сопротивление третьего провода не вошло в условие, так как он находится в диагонали питания).

При R₁ = R₂ и ∆R_л1 = ∆R_л2 в равновесном режиме (0 по показаниям индикатора) погрешность (*) отсутствует, а в неравновесном режиме — резко уменьшается по сравнению с двухпроводной линией. Минусом такой схемы является ее дороговизна (дополнительный провод).

Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические термометры представляют собой соединение термопары со средством измерения, обычно — чувствительным вольтметром.

Обозначения на схеме: СП — соединительные провода, УП — удлиннительные провода, ТП — термопара.

СП — провода из любого доступного материала (дешевые).

УП — провода, не создающие дополнительных термопар с термоэлектродами (дорогие, короткие). Существуют таблицы соответствия стандартных электродов и УП. УП тянут до тех пор, пока температура не установится на некотором стабильном значении t₂.

Так как в реальности t₂ ≠ 0, а таблицы соответствия для ТП приводят при t₂ = 0, производятся поправки на температуру свободных концов. Существует полуавтоматический способ введения поправки, при котором при отключенной ТП стрелка милливольтметра корректором устанавливается на отметку шкалы, соответствующую температуре свободных концов t₂. При автоматической коррекции ТП включается в мост:

При этом медное сопротивление R₁ (термозависимое) устанавливается в зоне t₂. Сопротивления R₂–R₄ изготавливаются из манганина. При градуировке (t₂ = 0) мост находится в равновесии; в рабочем состоянии он выходит из равновесия, и компенсирующее напряжение добавляется к e_ТП. Резистор R₅ используется для регулировки чувствительности моста.