Урок 2. Параметрические тепловые и ионизационные преобразователи. Раздел 1. Тепловые преобразователи (термосопротивления)

Термосопротивление представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффи­циентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой.

Имеется несколько путей теплообмена:

1) конвекцией;

2) теплопроводностью среды;

3) теплопроводностью самого проводника;

4) излучением.

Интенсивность теплообмена проводника с окружающей средой зависит от следующих факторов:

1) скорости газовой или жидкой среды;

2)физических свойств среды (плотности, теплопроводно­сти, вязкости);

3) температуры среды;

4) геометрических размеров проводника.

Эту зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно использовать для измерения различных неэлектрических ве­личин, характеризующих газовую или жидкую среду: темпе­ратуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума).

Материал преобразователей

Как уже указывалось выше, термосопротивлением может служить проводник с высоким и стабильным температурным коэффициентом электрического сопротивления.

Этим требованиям удовлетворяют в основном проводники из химически чистых металлов, так как большинство из них обладает положительным температурным коэффициентом, колеблющимся (в интервале 0…100°С) от 0,35 до 0,68% на 1 градус.

Наибольшее распространение в качестве термопреобразо­вателей получили платина, медь и никель. Вопрос о выборе материала для того или иного преобразователя решается в основном химической инертностью металла в измеряемой среде и пределом изменения температуры.

Так медный преобразователь можно применять при темпе­ратуре в пределах (- 50 … 180°С) в атмосфере, свободной от влажности и коррелирующих газов. При более высоких тем­пературах медь окисляется. Изоляцией для меди могут слу­жить эмаль, винифлекс, шелк.

Недостатком меди является ее малое удельное сопротив­ление.

Никель, при условии хорошей изоляции от воздействия среды, можно применять до 250 - З00С; при более высоких температурах зависимость R=f(t) для него неоднозначна. Линейная зависимость R=f(t) у никеля можно принять только для температур не свыше 100°С.

Недостатком никелевых преобразователей является раз­личной для каждой марки никеля температурный коэффи­циент (0,51—0,58% на 1°С). Поэтому последовательно с ни­келевой проволокой обычно включают манганиновое сопро­тивление, снижающее температурный коэффициент до рас­четного и стабилизирующее его.

Большим достоинством никеля является большая величина его удельного сопротивления (=0,075-0,085 Оммм²/м).

Наилучшими свойствами обладает платина, так как она, во-первых, химически инертна, а во-вторых, может быть использована в диапазоне температур от —200 до +650°С.

Однако платину нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. д.).

В настоящее время все чаще применяются полупроводни­ковые термосопротивления, которые изготавливают из смеси окислов различных металлов (CuO, CoO, MuO и др.). В про­цессе изготовления термосопротивления подвергают обжигу при высокой температуре. При обжиге окислы спекаются в плотную массу, образуя химическое соединение.

Зависимость сопротивления полупроводников от темпера­туры выразится следующей формулой:

(4.5)

где А - постоянная, зависящая от физических свойств полу­проводника, размеров и формы термосопротивления;

В - постоянная, зависящая от физических свойств полу­проводника;

Т - температура термосопротивления в градусах абсолютной шкалы.

Промышленность выпускает термосопротивления в разно­образном конструктивном исполнении типов ММТ, КМТ-4, МКМТ.

Достоинством таких термосопротивлений является очень высокой (отрицательный) температурный коэффициент сопро­тивления (2,5—-4% на градус).

Недостатками полупроводниковых термосопротивлений является нелинейная зависимость их сопротивления от тем­пературы (рис. 4.15) и большой разброс характеристик от об­разца к образцу. Это затрудняет получение линейной шкалы прибора и замену вышедшего из строя полупроводника. Кро­ме того, у них довольно мал температурный диапазон (—100…+120°).

Рис. 4.15. Вольтамперная характеристика полупроводникового термосопротивления.

Применяя преобразователи для измерения различных ве­личин, нужно стремиться к тому, чтобы все факторы, кроме измеряемой величины, как можно меньше влияли на измене­ние сопротивления термопреобразователя. Следовательно, требования к преобразователю, его погрешности и свойства будут определяться в зависимости от того, что измеряет при­бор.

Поэтому целесообразно рассмотреть применение термосо­противлений на конкретных примерах.

Применение. Тепловые преобразователи используются в приборах для измерения скорости газового потока (термоанемометрах); для определения процентного содержания компонента газовой смеси (газоанализаторах); для измерения температур (термометрах сопротивления); в измерителях плотности газа (вакуумметрах).

Рассмотрим применение тепловых преобразователей для измерения различных неэлектрических величин.

Термоанемометры.

Если нагреваемое током термосопро­тивление погружено в жидкую или газовую среду, то его тем­пература определяется режимом теплового равновесия меж­ду количеством тепла, подводимого к проволоке и отдаваемого в окружающую среду.

Если среда движется, т. е. представляет собой поток жидкости или газа, то отдача тепла путем конвекции превос­ходит все другие охлаждающие факторы и зависит от скоро­сти потока.

Приборы, измеряющие скорость газового потока, назы­ваются термоанемометрами. На рис. 4.16 представлено принци­пиальное устройство термоанемометра.

Рис.4.16. Устройство термоанемометра.

Термочувствительным элементом служит платиновая проволочка 1, прикрепленная к манганиновым стерженькам 2, которые, в свою очередь, крепятся к ручке 3 из изолирующего материала. Для вклю­чения преобразователя в измерительную цепь служат выво­ды 4.

Работа основана на измерении сопротивления проволоки 1, изменяющегося в зависимости от скорости газового потока.

Потеря проволокой тепла путем конвекции выражается следующей формулой:

где  - коэффициент теплоотдачи; F - поверхность проволоки в среде; t_пр и t_ср - соответственно температура проволоки и среды.

Здесь величина  зависит не только от скорости движения среды, но и от вязкости, теплоемкости и теплопроводности среды и поэтому величину  рассчитывают с помощью тео­рии подобия.

Измерительные цепи термоанемометров

П реобразователь термоанемометра включается обычно в мостовую цепь (рис. 4.17).

Рис. 4.17. Схема включения преобразователя термоанемометра в мостовую цепь.

Измерение можно производить, под­держивая постоянным либо ток I в неразветвленной части моста, либо напряжение питания моста (при работе в нерав­новесном режиме) или непрерывно поддерживая соответ­ствующее равновесию моста значение соопротивления R_ПР термоанемометра путем изменения тока I (тогда мост будет находиться в режиме равновесия для каждого значения ско­рости V).

Градуировочная кривая R = f(V) при I = const показана на рис. 4.18. Как видно из рисунка, шкала прибора получается нелинейной.

Рис. 4.18. Градуировочная кривая шкалы прибора термоанемометра.

Иногда для получения более линейной шкалы измеряют не ток I, а падение напряжения на платиновой проволоке R_к. Так как значение R_k вследствие нагревания проволоки током увеличивается при возрастании I, то зависимость IR_к=f(V) оказывается более линейной, чем зависимость I=f(V), но при этом увеличивается инерционность.

Т емпературу проволоки термоанемометра можно еще из­мерить с помощью термопары (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Схема измерения температуры нагревателя термоанемометра термопарой.

Рабочий спай термопары приварен к середине нагревае­мой проволоки R_T и милливольтметр mV измеряет термо-э.д.с., развиваемую термопарой в зависимости от температу­ры сопротивления R_T, а, следовательно, от скорости потока V.

E = f(t) = f₁(V)

Материал преобразователя термоанемометра.

Для того чтобы обеспечить достаточную чувствительность прибора, необходимо нагревать проволоку термоанемометра до температур 600—800°С. Особенно это важно для термоанемометров с термопарой, так как термо-э.д.с. растет с уве­личением температуры рабочего спая.

Однако, как указывалось выше, не все термосопротивления можно нагревать до такой температуры. Поэтому чаще всего в качестве термопреобразователя термоанемометра служит платина.

В качестве примера термоанемометра можно привести электронный термоанемометр 8901, представленный на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Электронный термоанемометр 8901

Портативные термоанемометры (рис. 4.20) предназначены для измерения температуры окружающей среды, скорости потока воздуха и объема воздушного потока. В зависимости от эксплуатационных требований приборы различаются по дизайну и набору функциональных возможностей, например: с выносной и встроенной крыльчаткой, в портативном складном корпусе, с RS232 интерфейсом и др. Приборы оснащены различными измерительными функциями: запись максимального и минимального значения, измерение объема воздушного потока заданной площади, индикация разряда батарей, выбор единицы измерения, определение коэффициента охлаждения воздуха и др.

Погрешности термоанемометра

Как указывалось выше, для получения более точных ре­зультатов измерения нужно, по возможности, исключить влия­ние всех факторов, кроме измеряемой величины.

Погрешностью от потерь, обусловленных теплопроводностью самого проводника можно пренебречь, если взять отно­шение его длины к диаметру равным (обычно берется проволока длиной 5—20 мм и диаметром 0,02—0,06 мм).

Потерями на излучение можно также пренебречь, если термосопротивление работает в от­крытом газовом потоке или, когда температура проволоки отличается от температуры окружающей среды или стенок камеры не больше, чем на 100С.

Когда потерями на теплопроводность и лучеиспускание пренебречь нельзя, их можно учесть градуировкой, если, ко­нечно, эти потери сохраняют свое значение во время работы.

Погрешность от изменения теплопроводности газового по­тока.

Как известно, коэффициент теплоотдачи  зависит не только от скорости, но и от теплопроводности среды. Поэтому, если в процессе эксплуатации прибора состав, а следователь­но, и теплопроводность исследуемого газового потока будет меняться, то будет меняться  и температура проволоки, что может внести заметную погрешность в измерения.

Поэтому нужно следить за тем, чтобы состав среды во время градуировки и эксплуатации прибора был один и тот же.

Проволока термоанемометра должна быть расположена по возможности перпендикулярно направлению потока. Изме­нение угла наклона от перпендикулярного больше чем на 10С вызывает значительное изменение показаний.

Термометры сопротивления.

Приборы, предназначенные для измерения температуры, и использующиеся в качестве преобразователя термосопротив­ления, называются термометрами сопротивления.

Требованию возможно большего и стабильного темпера­турного коэффициента удовлетворяют полупроводниковые термосопротивления. Однако их применение ограничено недо­статками, указанными выше.

В преобразователях промышленных термометров сопро­тивления применяются проводниковые термосопротивления: медь, платина, никель.

Р ассмотрим устройство термометров сопротивления на примере проводникового (платинового) преобразователя (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Устройство термометра сопротивления.

Преобразователь представляет собой голую платиновую проволоку 2, намотанную на слюдяной каркас 1. Обмотка укладывается в зубчатую нарезку на краях каркаса.

К концам обмотки припаиваются выводы 3 из серебряной проволоки. В термометрах сопротивления, предназначенных для измерения температуры до 100°С, возможно применение выводов из меди. При более высокой температуре спай меди с платиной образует термопару и термо-э.д.с., развиваемая ею, будет служить источником погрешности.

Каркас зажимается между двумя более широкими пла­стинами 4 из слюды, служащими для изоляции проволоки от арматуры.

Весь пакет из слюдяных пластинок перевязывается сереб­ряной лентой 5 и вставляется в арматуру (защитные трубки). Медные преобразователи выполняются из изолированной медной проволоки, наматываемой на пластмассовый каркас.

Измерительные цепи. Во всех термометрах сопротивления используется принцип измерения сопротивления, изменяюще­го свою величину в зависимости от изменения окружающей температуры. Поэтому в термометрах сопротивления может быть использована любая цепь, предназначенная для измере­ния сопротивления.

Наибольшее распространение получили неравновесные мостовые схемы измерения (рис. 4.22) с логометром в качестве измерителя.

На рисунке R₁, R₂, R₃ - сопротивления плеч моста, выполненные из манганина; - сопротивления рамок логометра; R₅ - сопротивление, компенсирующее температурную погрешность логометра; R₀ - сопротивление для подгонки нулевой точки шкалы; R_Д - сопротивление, дополняющее сопротивление проводов, соединяющих термометр с измерительной цепью до значения, принятого при градуировке термометра (обычно это значение равно 5 Ом); R_T - преобразователь термометра сопротивления.

Часто применяются также автоматически уравновешиваемые мосты, у которых при выходе из равновесия напряжение разбаланса U, усиленное усилителем У, приводит в движение якорь двигателя Д. Двигатель перемещает движок реохорда Rp до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие при новом значении измеряемой температуры. С реохордом связан указатель отсчетного устройства, отградуированного в t°С (рис. 4.23).

Рис. 4.22. Неравновесный мост Рис. 4.23. Схема а автоматически логометрическим измерителем уравновешиваемого моста

Рис. 4.24. Термометр сопротивления ТП-2

Термометр сопротивления ТП-2 предназначен для дистанционного измерения температуры воды и масла энергетических узлов.

Выдерживает вибрацию с ускорением 1 g частотой 15-80 Гц. Состоит из измерителя типа ТУЭ – 8А и приемника типа ПП-2.

Технические характеристики:

Диапазон измерения 0-120 °С

•Основная погрешность в диапазонах ±4 °С

•Напряжение питания постоянного тока 27±2,7 В

•Ток потребления 75 мА

•Условия эксплуатации:

температура окружающего воздуха от - 40 до + 40 °С

относительная влажность, 30-80 %

температура среды, измеряемой приемником 0-120 °С

•Время установления показаний не более 4 с

•Габаритные размеры:

измерителя 65,4х120 мм

приемника 30х160 мм

•Масса:

измерителя 0,15 кг

приемника 0,5 кг