Классификация ппт и общая характеристика

По используемым физико - техническим эффектам ППТ можно разделить на:

• термоэлектрические;

• термочастотные;

• терморезистивные;

• терморезистивные;

• термошумовые.

§ 61. Терморезистивные преобразователи

Терморезистивными преобразователями, или терморезисторами, называют металлические или полупроводниковые резисторы, со­противления которых существенно зависят от температуры. Они применяются в качестве первичных измерительных преобразовате­лей терморезистивных (электрических) термометров сопротивлений. Находясь в тепловом контакте со средой, температура которой измеряется, терморезисторы воспринимают эту температуру и преобразуют ее в активное сопротивление. Функции преобразо­вания зависят от вида терморезистора. Основными показателями таких преобразователей являются их чувствительность к тем­пературе, характеризуемая температурным коэффициентом сопро­тивления, стабильность этой чувствительности во времени и сте­пень зависимости ее от значения измеряемой температуры.

Терморезистивные измерительные преобразователи обоих ви­дов состоят из металлического или полупроводникового терморезистора, помещенного в герметичный, обычно металлический, кор­пус цилиндрической формы. Корпус обеспечивает электрическую изоляцию терморезистора от контролируемой среды, защиту от внешних коррозирующих воздействий и герметичный вывод прово­дов для включения его в измерительную цепь термометра сопро­тивления. Очевидно, что точность измерения любого термометра тем больше, чем ближе температура первичного элемента измери­тельного преобразователя, в данном случае терморезистора (или ртути у ртутного термометра), к температуре контролируемой сре­ды. Ввиду этого корпус измерительного преобразователя выполня­ется тонкостенным из достаточно прочного металла, обладающего возможно большей теплопроводностью, – меди, латуни. Метал­лические терморезисторы выполняются в виде обмотки, большей частью из медного или платинового провода.

Функция преобразования терморезисторов из медного провода близка к линейной в широком диапазоне температур и выража­ется уравнением

(183)

где R_t – сопротивление термометра при температуре t: R₀ – сопротивление при начальной температуре; ₀ – температурный коэффициент сопротивления, соответствующий начальному сопротивлению R₀, равный

1/°С.

Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от температуры практически линейна в пределах температуры от ну­ля до +90°С и выражается уравнением (183) при значении 1/°С. Отклонение функции R_t=f(t) от линейной зависимо­сти при температуре +150°С для типовых платиновых термомет­ров соответствует (по температуре) 1,5–2°С. Температурная зави­симость платиновых терморезисторов для диапазона температур от нуля до +660°С характеризуется уравнением

где R₀ – сопротивление при 0°С; t – температура, которой соответствует R_t;

;

₀ – указана выше.

Температурный диапазон применения медных термопреобразователей составляет –50, +180°С, платиновых –200, +660°С.

Полупроводниковые терморезисторы изготавливаются из смеси окислов металлов путем обжига при высокой температуре. Функ­ция преобразования таких резисторов:

(184)

где R₀ – сопротивление при некоторой абсолютной температуре Т₀; R_Т – то же, при абсолютной температуре Т; – коэффициент, зависящий от рода полупроводника.

Из уравнения (184) следует, что в случае повышения темпера­туры (Т>Т₀) показатель степени становится от­рицательным и R_t<R₀, т. е. сопротивление полупроводниковых терморезисторов, в противоположность металлическим, уменьша­ется с повышением температуры. Их температурный коэффициент, а следовательно, и чувствительность к температуре, резко умень­шаются с повышением температуры. Это, в частности, ограничива­ет применение рассматриваемых терморезисторов диапазоном температур от –100 до +120°С.

Ввиду высокого удельного сопротивления полупроводниковые резисторы имеют малые габариты, измеряемые единицами куби­ческих миллиметров. Указанное свойство позволяет изготавливать терморезисторы цилиндрической формы длиной около 10 мм, диа­метром 3–4 мм и в виде стеклянной бусинки диаметром около 1,5 мм, с объемом, полупроводникового материала менее 1 мм3. Та­кие первичные преобразователи малоинерционны и ввиду малого размера применяются для измерения температуры контролируе­мого объекта в заданной точке его поверхности.

В целях приближения зависимости R_T = f(t°) к линейной парал­лельно полупроводниковым терморезисторам включают активные сопротивления из манганина. На рис. 127 в качестве примера [2] приведены указанные зависимости для полупроводникового терморезистора типа ММТ-4 (график 1), этого же резистора, но шунти­рованного сопротивлением 25 кОм (график 2) и платинового тер­морезистора типа ПТС-500 (графики). Из сравнения графиков рис. 127 следует, что шунтирование терморезистора ММТ-4 суще­ственно линеаризует зависимость R_T = f(t°) при сохранении этим преобразователем значительного температурного коэффициента по сравнению с платиновым терморезистором ПТС-500 (график 3). Изменение сопротивления первого составляет от 19 до 7 кОм, второго, в том же диапазоне температуры, – только от 440 до 570 Ом.

Существенным параметром всех резистивных термопреобразо­вателей является мощность Рмакс, выделяемая в терморезисторе измерительным током, максимально допустимая с точки зрения нагрева этого термопреобразрвателя. Значение Рмакс зависит от ряда факторов: от требуемой точности измерения, длительности процесса измерения от теплоотдачи терморезистора в контролируе­мую среду и т. п. Обычно Рмакс измеряется милливаттами. Так, для терморезистора ММТ-4 при точности измерения температуры воды около 0,3°С она составляет не более 5 мВт. Этот параметр является одним из основных при расчете измерительных схем с терморезисторами.

Для преобразования анало­га температуры – сопротивле­ния терморезистора в откло­нение указателя прибора или в отсчет температуры на бло­ке индикации цифрового при­бора терморезисторы включа­ются в схемы для измерения активных сопротивлений. Та­кими схемами могут быть: схе­мы омметров (см.рис.24), логометрического омметра (см.рис.27), уравновешенного (см. рис. 92), неуравновешенного или автоматически уравновешивае­мого (см. рис. 101) измерительных мостов постоянного тока. В эти схемы терморезистор R_Т включается вместо сопротивления, обозначенного там R_Х. Для регистрации быстро изменяющейся температуры какой-либо среды терморезисторы специальных ти­пов включают в схему регистрирующего прибора. Конструкция таких термопреобразователей значительно отличается от рассмот­ренных ранее. Для уменьшения тепловой инерции их обмотку или полупроводниковую массу не помещают в защитный металличес­кий корпус и выполняют минимального объема. Металлические термопреобразователи такого назначения большей частью пред­ставляют собой короткий отрезок тонкого платинового провода или небольшую обмотку из медного микропровода. Такие малоинерционные терморезисторы способны изменять сопротивление соответственно мгновенным значением температуры контролиру­емой среды с ничтожным осреднением ее.

Рис. 127. График зависимости сопротивления терморезисторов от температуры

С помощью малоинерци­онных терморезисторов, включенных в схему регистрирующих приборов, в частности светолучевых осциллографов (см. гл. XI), быстроизменяющаяся температура может быть представлена в ви­де графика изменения со временем при минимальном отличии осциллограммы от действительного изменения температуры.

Нагрев терморезисторов измерительным током – явление, ухудшающее их работу в качестве электрических термометров – положен в основу измерительных резистивных преобразователей скорости движения газов, в частности воздуха, и жидкостей. Для этого терморезистор в виде тонкой платиновой проволоки диамет­ром 0,015–0,03 мм, натянутой на стойках из манганиновой прово­локи, помещается в контролируемую среду и нагревается током до температуры от 200 до 800°С. Этот же ток используется для опре­деления сопротивления нагреваемого терморезистора. При задан­ном постоянном значении тока температура терморезистора зави­сит от его теплоотдачи в окружающую среду, в частности от скорости движения и температуры среды. Температура платиновой проволоки и среды, скорость движения среды, мощность, выделя­емая в терморезисторе и теряемая им путем теплоотдачи, объеди­няются уравнением теплового равновесия терморезистора

(185)

где I_T и R_T – ток и сопротивление терморезистора; и F – коэффициент теплоотдачи и наружная поверхность со­ответственно; t_T и t_CР – температура терморезистора и среды. Коэффициент теплоотдачи сложно зависит от ряда тепловых и механических характеристик среды, формы и размеров терморе­зистора. Его связь со скоростью движения среды V, учитывающая указанные выше характеристики, определенная с помощью крите­риев Рейнольдса и Нуссельта,

 = kV^m, (186)

где k–коэффициент, постоянный для данной среды и данного терморезистора, m–для терморезистивных измерителей скорости воздуха – термоанемометров равно 0,4.

Учитывая равенство (186), уравнение (185) принимает вид

(187)

Из уравнения (187) следует, что, установив в терморезисторе ток I_Т, практически не изменяющийся по величине, измерив его и сопротивление R_Т терморезистора (следовательно, и его тем­пературу), температуру среды, зная величины F, k и m, можно подсчитать скорость движения среды. Постоянство I_Т достигает­ся, в частности, последовательным соединением R_T с мангани­новым сопротивлением R₁ при условии R₁>>R_T, что легко дости­жимо, так как значение R_Т мало. Измерение падения напря­жения в терморезисторе (для определения R_Т и t_Т) может вы­полняться, вольтметром с высоким входным сопротивлением, например электронным, или потенциометром.

Терморезисторы применяются также для электрического изме­рения перемещений деталей и узлов механизмов. У таких преобра­зователей (рис. 128) температура терморезисторов, а следователь­но, и сопротивление зависят от положения контролируемого объек­та (КО). На рис. 128, а представлен преобразователь, у которого перемещение объекта П вызывает поворот теплового элемента 1, нагреваемого не изменяющимся током I_Н на некоторый угол ; 2– здесь терморезистор R_T. При повороте теплового элемента изменя­ется расстояние между элементом и терморезистором. Это вызы­вает изменение его температуры, сопротивления R_Т, а значит, и уг­ла отклонения  прибора, измеряющего это сопротивление. Таким прибором может быть, например, омметр или неуравновешенный мост.

Рис. 128. Принцип устройства резистивных термопреобразователей перемещений:

а–преобразователя угла поворота; б–преобразователя поступательного перемещения

На рис. 128, б представлен другой преобразователь, выполняю­щий подобные же функции. Однотипные терморезисторы R_Т1 и R_Т2 нагреваются измерительным током I неуравновешенного моста. Тепловой экран 1 с помощью тяги 2 перемещается поступательно при перемещении контролируемого объекта и занимает то или иное положение по отношению к терморезисторам. При таком положении теплового экрана, когда он в равной мере охватывает оба терморезистора (соответствующие изображенному на рис. 128, б), нагрев, а значит и сопротивления терморезисторов, оди­наковы. При условии R_Т1=R_T2 и R₃=R₄ мост будет уравновешен. В случае же перемещения экрана в ту или иную сторону под вли­янием контролируемого объекта терморезисторы будут нагреваться измерительным током неодинаково и сопротивление R_Т1 станет не равно R_T2. Это нарушит равновесие моста и вызовет откло­нение указателя прибора, включенного в измерительную диаго­наль, на некоторый угол . Так, приборы на рис. 128 осуществляют электрическое измерение перемещений с помощью терморези­сторов. Преимуществом этого способа измерения перемещений яв­ляется отсутствие трущегося контакта в измерительной цепи. Не­достатком, как правило – нелинейная зависимость =f(П) меж­ду углом отклонения указателя и перемещением контролируемого объекта, а также более сложная конструкция преобразователя по сравнению, например, с реостатным преобразователем.