2.11. Терморезисторы

Известно, что большинство металлов и полупроводников меняют при нагреве электрическое сопротивление. Химически чистые металлы, как правило, обладают положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), т.е. с ростом температуры их сопротивление растет. В интервале температур 0... 100 °С ТКС составляет 0,35...0,68 %/К.

Рис. 3.27. Платиновый термометр сопротивления: 1 — проволока; 2 — пластина; 3 — серебряная полоска; 4 — слюдяные накладки; 5 — катушка; 6 — серебряные выводы; 7 — защитный чехол

четырьмя выводами для подключения к измерительной цепи двух-, трех- или четырехпроводной линией.

Платиновые термометры ТСП изготавливаются с сопротивле­нием при О "С R₀ = 10 Ом (так называемая градуировка 20) для измерения температур 0...650 "С, и с R₀ = 46 Ом и R₀ - 100 Ом для температур от 200...500 °С. Медные термометры ТСМ изготавливаются с R₀= 53 Ом или R₀=100 Ом для измерения температур в диапазоне —50... + 180 "С.

На рис. 27 приведено устройство платинового термометра сопротивления. Платиновая проволока 1 намотана на слюдяную пластину 2 с нарезкой. Снаружи проволока накрыта слюдяными накладками 4 и закреплена серебряной полоской 3. Катушка 5 и серебряные выводы 6 помещены в металлический защитный чехол 7.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) из германия, индия, смеси меди с марганцем (тип ММТ), смеси кобальта с марганцем (тип КМТ) обладают по сравнению с металлическими терморезисторами меньшими габаритными размерами и большим ТКС. Рабочий температурный диапазон составляет —60... +300 °С. С ростом температуры сопротивление падает (α < 0), причем зависимость сопротивле­ния от температуры существенно нелинейна.

О 40 80 t, °С

Рис. 28. Зависимость сопротивления от температуры для кобальто- во-марганцевого термистора типа КМТ и медного терморезистора

На рис. 28 для сравнения приведена температурная зависимость для меди и полупроводника, хорошо аппроксимируемая формулой

R_T= A exp {B/θ}

где A — коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В — коэффициент, имеющий размерность температуры; θ — абсолютная температура в К.

Коэффициенты А и В, как правило, не зависят от температуры и определяются экспериментально.

Если А и В неизвестны, но известны R₁ и R₂ при температурах θ₁ и θ₂, то для температуры θ

θ- )}

ln

Полупроводниковые терморезисторы имеют номинальное сопротивление в диапазоне 0,33... 1000 кОм, предельная рабочая температура медно-марганцевых термисторов (ММТ) — 120 °С, ко- бальтово-марганцевых термисторов (КМТ) — 180 °С.

Основным недостатком полупроводниковых терморезисторов (помимо нелинейной характеристики) является значительный разброс от образца к образцу как номинального сопротивления (±20%), так и постоянной В (±17%). Это требует индивидуальной градуировки преобразователей, что затрудняет их массовое использование.

Конструктивное исполнение терморезисторов может быть различным. Металлические терморезисторы часто выполняют подобно тензорезисторам (см. рис. .17, а) в виде высокотеплопроводной подложки 1, чувствительного элемента из медной или платиновой проволоки 2 и выводных электродов 3.

Серийно выпускаемые полупроводниковые терморезисторы внешне подобны обычным высокоомным резисторам. Они состоят из полупроводникового стержня (или таблетки), покрытого краской или герметичной металлической или стеклянной оболочкой диаметром 3...7 мм и металлических выводных проводников. На рис. .29 приведены примеры конструкций термисторов, со­стоящих из полупроводникового стержня 1, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Стержень 1 часто защищается фольгой 4 и стеклянным изолятором 6 и помещается в корпусе 5.

В качестве измерительных цепей для термосопротивлений, как правило, используют обычные неравновесные мосты. Во избежание нагрева чувствительного элемента измерительным током напря­жение питания моста выбирается в диапазоне 1,5...5 В, обеспечивающее ток через элемент порядка нескольких миллиампер.

Особенностью металлических термосопротивлений является сравнительно узкий диапазон изменения и малое сопротивление чувствительного элемента, что требует учета сопротивления соединительных проводов и изменения при их нагреве. Например, если используется медный терморезистор с сопротивлением R,_тр = = 53 Ом совместно с медной соединительной линией сопротивлением R„ = 5 Ом, то изменение общего сопротивления цепи

Δ R_S = (R_тр.об + R_л._о6)αθ = R_{тр o6} αθ + αθ R_{л oб} = Δ + ΔR_Л.

Относительная погрешность за счет нагрева линии составит ΔR_Л/ΔRтр = 5 Ом/53 Ом, т. е. око­ло 10%.

Рис. 29. Конструкции термисторов: 1 — стержень; 2 — контактный колпачок; 3 — токоотвод; 4 — фольга; 5 — корпус;

6 — стеклянный изолятор

Рис. 30. Схема включения терморезистора

Уменьшение погрешности за счет сопротивления линии возможно путем включения их по четырехпроводной линии связи, соединяющей чувствительный элемент с измерительным мостом. На рис. 30 приведена схема включения терморезистора R₂, когда сопротивления проводов R_Л2 и R_Л3 одинаково влияют на сопротивление плеч моста R₂ и R_4, компенсируя друг друга (сопротивление линии питания R_Л1 вызывает незначительные потери электроэнергии и не влияет на работу измерительного моста).

3. Усилители

Усилители — это преобразователи, предназначенные для усиления слабого сигнала от датчика (порядка 10~⁴... Ю^-5 Вт) до уровня, требуемого для его обработки, и усиления маломощного управ­ляющего сигнала до мощности, необходимой для управления исполнительным устройством системы (порядка 10³ Вт) за счет внешнего источника энергии. По виду используемой энергии усилители, как и другие преобразователи, делят на электрические, гидравлические и пневматические.

В группу электрических усилителей входят электронные, магнитные, электромашинные и другие устройства, изменяющие параметры электрического сигнала. Усиление происходит за счет ис­пользования энергии стороннего источника питания: гидронасоса, пневмосети и в конечном счете электросети.

В ряде случаев усилители наряду с функцией усиления мощности выполняют функцию преобразования сигнала в другой вид, более удобный для работы системы управления (например, золотниковый гидрораспределитель с электромагнитным приводом).

Усилители выполняются как самостоятельные элементы либо входят в состав измерительных или исполнительных устройств и являются в этом случае их неотъемлемой частью. Как и другие элементы систем управления, усилители характеризуются статическими и динамическими характеристиками, перечисленными ранее.

Основными параметрами усилителей помимо коэффициента усиления (по току, напряжению, мощности) постоянной времени (инерционность) и рабочего диапазона частот являются:

• линейность статической характеристики;

• величина зоны нечувствительности;

• энергетические параметры (входная, выходная и потребляемая мощность);

• стабильность параметров при изменении условий внешней среды и по времени и их воспроизводимость при серийном производстве;

•долговечность, надежность, вибростойкость и т.д.

Возможный коэффициент усиления по мощности усилителей, применяемых в системах управления, лежит в диапазоне от 10 до 10⁷. Выходная мощность усилителей, применяемых в системах управле­ния, лежит в пределах от долей ватт до десятков киловатт. При мощности до 100 Вт обычно применяют электронные усилители, при большей требуемой мощности гидро- и пневмоусилители.

Так как слабый сигнал от датчика или сравнивающего органа на пути до исполнительного устройства претерпевает серию преобразований и усиливается в миллионы раз, усиление происходит в несколько этапов, а сами усилители строят часто многокаскадными, состоящими в свою очередь из нескольких соединенных последовательно усилителей.

Важной характеристикой являются величина запаздывания и инерционность усилителя. Обычно можно считать безынерционными электронные усилители, гидравлические золотники, струйные реле. Наибольшим запаздыванием обладают магнитные и гидроусилители.

Усилители представляют обычно инерционным звеном первого порядка, характеризуемым передаточным коэффициентом (коэффициентом усиления усилителя) и постоянной времени. Дина­мические характеристики усилителей основных классов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Вид усилителя	Основное применение усилителя	Коэффициент усиления по мощности	Постоянная времени, с
Полупроводниковые	Усилительный каскад на постоянном токе Усилительный каскад на переменном токе Оконечный усилитель мощности	103...105 104...106 102...103	10-6...10-7 10-2...10-2 10-2...10-4
Магнитные	Усилительный каскад на переменном токе	103...105	10-1... 10-4
Электромашинные	Оконечный усилитель мощности	102...104	1...10-2
Гидравлические	Дроссельные Струйные	104...106 103...104	10-1...10-2 10-1...10-2
Пневматические	Дроссельные Струйные	105...107 103...105	10-2...10-3 10-3... 10-4