9.5 Тепловые преобразователи

В качестве параметрических тепловых преобразователей используются терморезисторы – проводниковые или полупроводниковые резисторы с большим температурным коэффициентом сопротивления. Материалы, используемые для создания терморезисторов, должны отвечать следующим основным требованиям: возможно больший температурный коэффициент сопротивления ТКС и его постоянство, достаточная термостойкость, большое удельное сопротивление и устойчивость к агрессивным воздействиям внешней среды. Терморезисторы могут изготавливаться из проводниковых или полупроводниковых материалов.

Из проводниковых материалов могут использоваться медь, платина, никель. Медные терморезисторы изготавливаются из медной проволоки. В диапазоне темпера­тур (-200 ÷ +200 ) ^оС уравнение преобразования линейное

R_i=R₀(1+αt),

где t – температура; α - температурный коэффициент, равный 4,25*10^-3 1/^оС; R₀ - сопротивление при 0 ^оС. Выше 200 ^оС медные терморезисторы применять не следует во избежание окисления.

Платиновые терморезисторы могут работать при высоких темпера­турах до 1200 ^оС. Зависимость сопротивления от температуры нелиней­ная. Платину нельзя использовать в восстанавливающей среде (углерод, водород, пары кремния, калия, натрия).

Никелевые терморезисторы могут быть использованы до 300 °С. В интервале 0÷100 °С уравнение преобразования линейное с α =5*lO^-3 1/°С, при более высоких температурах нелинейное.

Температурный коэффициент проводниковых терморезисторов положительный.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют значи­тельно более выраженную зависимость сопротивления от температуры. Они обладают большим удельным сопротивлением и поэтому могут быть изготовлены миниатюрных размеров и, следовательно, иметь малую инерционность. Рабочий диапазон полупроводниковых терморезисторов от 100 до ÷ 300 ^оС. Температурный коэффициент сопротивления терморе­зисторов отрицателен. В последнее время промышленностью освоены по­лупроводниковые резисторы (позисторы), обладающие в определенном диапазоне температур положительным коэффициентом. Недостатком по­лупроводниковых термосопротивлений является нелинейность преобра­зования и разброс параметров. Функция преобразования термисторов имеет экспоненциальный характер

R_t=Ae ^В/tk,

где А, В - const; t_k - абсолютная температура.

Рабочий ток терморезисторов должен быть мал, чтобы не вызывать дополнительный нагрев, обычно до 10 мА для проводников и до 0,5 мА для полупроводников.

Номинальные значения сопротивлений при 0 ^оС терморезисторов стандартизированы в пределах от 1 до 500 Ом. Инерционность терморезисторов составляет oт нескольких секунд до нескольких минут.

Терморезистор совместно с измерительным устройством, обычно мостовой схемой, представляет собой термометр сопротивления. Простейшая двухпроводная мостовая схема для измерения температуры с помощью терморезистора показана на рис.9.7. В этой схеме существует погрешность, обусловленная изменением сопротивления подводящих проводов при колебаниях температуры окружающей среды.

Для уменьшения этой погрешности применяется трехпроводная линия – рис.9.8. В этой схеме два соединительных провода включены в соседние плечи моста, а третий – в диагональ питания. При равновесии моста и при выполнении условий R₁=R₃, R_n1=R_n2 погрешность от подводящих проводов отсутствует.

Существуют и другие измерительные схемы термометров сопротивления. Широко применяются автоматические регистрирующие мосты.

R_Л1 R₁

R_Л2 mV

R_t R₂ R₃

Un

Рис.9.7 - Схема включения терморезистора в двухпроводную мостовую измерительную цепь

R_Л1 R₁

R_Л2 mV

R_Л3

Rt R₂ R₃

Un

Рис.9.8 - Схема включения терморезистора в трехпроводную мостовую измерительную цепь

2 3

1

Рис. 9.9 - Термопара: 1 – горячий (рабочий) конец; 2,3 – холодные (свободные) концы

В качестве генераторных тепловых преобразователей используются термопары, обладающие теромоэлектрическим эффектом. Сущность термоэлектрического эффекта заключается в том, что в месте соединения двух разнородных металлов или полупроводников возникает термо ЭДС, величина которой зависит от вида материалов и от температуры места соединения, вернее, от разности температур рабочего и свободных концов термопары. На рис.9.9 показано условное обозначение термопары. Здесь 1 - рабочий конец термопары, а 2 и 3 - свободные концы термопары. Чтобы термо ЭДС зависела только от температуры горячего конца, температуру свободных концов необходимо поддерживать одинаковой и неизменной.

Устройство, состоящее из термопары, линии связи и измерительной схемы, называется термоэлектрическим термометром. Градуировка термоэлектрических преобразователей производится при температуре свободных концов 0^оС. При других условиях измерения надо вводить поправку на температуру свободных концов. Такие поправки вводятся автоматически при использовании специальных схем измерения. например, схемы по рис.9.10. Термопару включают в измерительную диагональ моста, питаемого стабильным напряжением U_п . Три плеча моста изготовлены из манганиновой проволоки и поэтому имеют стабильное сопротивление, а четвертое R_t изготовлено из медной проволоки и расположено рядом со свободным концом термопары и имеет температуру t₀ свободных концов. Мост уравновешен при температуре резистора R_t , равной 0 ^оС. Изменение температуры среды t₀ вызовет разбалланс моста на величину ΔU, компенсирующую рост ЭДС термопары от изменения температуры свободных концов.

ΔU

mV Un

t_c t_c R_c

t_p

Рис.9.10 - Схема включения термопары с автоматической компенсацией погрешности от температуры свободных концов

Для измерения ЭДС термопар используются милливольтметры и потенциометры, в т.ч. автоматические.

Инерционность термопар в арматуре составляет единицы минут.

Основные, наиболее употребляемые термопары, их состав и величина удельной термо ЭДС Е_t :

1. Платина-Платинородий (ПП), 90% Pt+10% Rh – Pt, E_t=0,64 мВ/^оС, t_max=1700 ^oC.

2. Хромель-Алюмель (ХА),

3. Хромель-Копель(ХК)

4. Железо-Копель(ЖК)

5. Медь-константан

При использовании термоэлектрических преобразователей на низких температурах используются специальные термопары: серебро-золото (до 800^оК), сплавы Кондо (твердые растворы редкоземельных металлов в обычных металлах) (до 20^оК), медь-константан(2 – 273 ^оК). На очень высоких температурах (до 2200 – 2500^оК) используются специальные термопары иридий-рений, вольфрам-рений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цюцюра В.Д. Метрологія та основи вимірювань – Навчальний посібник “Знання”, 2003р.

2. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 1999.

3. Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии. – М.: Издательство стандартов, 1995.

4. Брянский Л.Н., Дойников А.С. Краткий справочник метролога. – М.: Издательство стандартов, 1991.

5. Исакович Р.Я. Технологические измерения и приборы. – М.: Недра, 1979.

6. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. – Л.: Энергия, 1988.

7. Измерения в промышленности. Справочник / Под ред. П. Профоса. Перевод с немецкого языка. – М.: Металлургия, 1990.

8. Шупов В.П., Шайда Р.П. Метрология и основы измерений. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов, №74 – Кривой Рог: Национальная металлургическая академия Украины, 2005.

2