2.5. ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

Файл:

Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 163 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

а) б)

Рис. 2.9. Зависимость от температуры термоЭДС (а) и чувствительности (б)

термопар на основе сплавов платины с родием:

1 – ПР1/0; 2 – ПР6/0; 3 – ПР10/0; 4 – ПР13/0; 5 – ПР30/0; 6 – ПР100/0;

7 – Pt 20Rhl0W/Pt; 8 – ПР30/6; 9 – ПР13/1

2.5. ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления. Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Действие термопреобразователей сопротивления (ТС) основано на температурной зависимости сопротивлений. Указанным свойством обладает множество материалов, но ли ряют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т.п.). Всему комплексу метрологических и эксплуатационных требований удовлетворяет относительно узкая номенклатура материалов, предоставленных разными видами веществ, заметно способных пр

оводить электрический ток: металлами, полу-

проводниками, электролитами. ТС обладают хорошими термомет-

шь немногие из них удовлетво-

рическими свойствами. Типичные виды зависимости сопротивления от температуры представлены на рис. 2.10. Как видно из рисунка, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) срав-

–1

нительно невелик (0,3...0,6%⋅К

) и, как правило, положителен для металлов (кривая 2). Для полупроводников ТКС

Рис. 2.10. Зависимость

сопротивления различных

ТС от температуры:

1 – позисторы; 2 – металлы;

3 – электролиты;

4 – термисторы

в среднем на порядок больше, чем для металлов, отрицателен для термисторов

(кривая 4) и положителен для позисторов (кривая 1). Электролиты (кривая 3)

характеризуются ступенчатым переходом сопротивления при температуре начала ионной проводимости.

2.5.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЯ

Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

где R0 – сопротивление при 0 °С; α = 4,28⋅10–3 К–1 – температурный коэффициент.

Функция преобразования платинового тepморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трёхчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен α = 3,91⋅10

Простые схемные решения позволяют получить широко растянутый малый диапазон измерения на любом уровне. Благодаря высоким метрологическим качествам платиновые ТС используются для воспроизведения МПТШ-68 (международная практическая температурная шкала) в диапазоне температур от 13,81 до 903,89 К. Полупроводниковые и электролитные ТС обладают экстремальными характеристиками, поддающимися конструктивной вариации в широких пределах. По тивно используются в системах измерения, контроля и автоматизации в промышленных технологических комплексах.

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

Rt = R0 (1 + αt), (2.3)

–3 К–1

этому они, наряду с металлическими термометрами, эффек-

ТС состоит из чувствительного элемента соответствующей конструкции, защитной арматуры и соединительных проводов. Изменение сопротивления чувствительного элемента в виде падения напряжения или тока, передаваемых электрической линией связи непосредственно или при помощи ИПТ, фиксируется показывающим прибором или регулятором. Способ включения ТС определяется схемой вторичного прибора и диапазоном измеряемой температуры.

Чувствительный элемент медн

ого терморезистора (рис. 2.11, а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоёв намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0…1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставля

ется в тонкостенную металлическую

а) б)

Рис. 2.11. Металлический

терморезистор

гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис. 2.11, б), который представляет собой закрытую с одного конца

трубку 1. На открытом её конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3. При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы.

Номинальные функции преоб

разования (статические характеристики) медных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСТ 6651–84.

Для измерения низких температур платиновыми ТС с соблюдением требований метрологической культуры целесообразно пользоваться зависимостью Т = f(W) в виде стандартной таблицы. При измерении низких температур сопротивление ТС уменьшается и остаточное сопротивление составляет уж

е несущественную часть всего сопротивления цепи. При этом наблюдается значительный разброс номинальных статических характеристик ТС, обусловленный степенью чистоты применяемой платиновой проволоки, способом её получения, видом термической обработки, конструкцией преобразователя и т.п. Это усложняет применение платиновых ТС в низкотемпературной термомет-

рии, так как возникает необходимость индивидуальной номинальной статической характеристики ТС и вторичных приборов, работающих в комплекте с ними. В целях обеспечения взаимозаменяемости ТС они разбиваются на группы с похожими характеристиками и комплектуются вторичными приборами, имеющими соответствующие статические характеристики. При этом вторичные приборы могут иметь вставки для подстройки измерительной схемы к фиксир

ованным но-

минальным статическим характеристикам.

В зависимости от условий применения, требований, предъявляемых к точности измерения, промышленностью выпускаются платиновые ТС различных конструкций. Такое разнообразие конструкций объясняется тем, что все требования, предъявляемые различными объектами измерения, не могут быть обеспечены одной и той же конструкцией.

Для измерения температур до 63

0,74 °С применяются ТС, чувствительные элементы которых изготовляются из платиновой проволоки диаметром от 0,05 до 0,2 мм, свободной от натяжений, бифилярно намотанной на каркас для устранения влияния магнитных помех.

В качестве изоляционного каркаса применяются слюдяные пластины, керамические стержни крестообразной формы сечения из кварца или окиси алюминия с канавками, в к

оторых размещаются спирали. Слюда в естественном состоянии содержит связанную воду и адсорбированные газы. В процессе измерения выделяющиеся газы и водяные пары могут захватываться проволокой чувствительного элемента с одновременным изменением сопротивления. Во избежание этого слюдяные каркасы следует перед навивкой прокалить в вакууме. В общем, слюду не рекомендуется применять при температурах выше 450 °С. Квар тели. При 630 °С ток, протекающий по изолятору каркаса, обусловливает погрешность порядка 10

ц, алунд и фарфор лучше сохраняют изоляционные показа-

–3

К. При дальнейшем повышении темпера-

туры погрешность, вызванная потерями изоляционных характеристик каркаса, быстро растёт и в значительной мере зависит от технологии изготовления каркаса. Для измерения низких и средних температур каркасы чувствительных элементов изготовляются из стекла с близким к платине коэффициентом расширения. Для измерения температур в диапазоне от 630 до 1100 °С применяется плат

иновая проволока диаметром от 0,3 до 0,6 мм, так как проволока меньших диаметров подвергается большому влиянию посторонних газов и паров. При этом для каркаса используется керамика из синтетического сапфира. Для измерений умеренных температур применяются различные конструкции чувствительных элементов из платиновой проволоки, покрытой изоляционным лаком. Для защиты платиновой спирали от вз

аимодействия с выде-

лениями каркаса и других конструктивных элементов применяются ингибиторные засыпки из боратов и галогенидов щёлочно-земельных металлов. Концы измерительной спирали в образцовых ТС соединяются сваркой с U-образными короткими проводами из платины большего диаметра, к которым привариваются соединительные провода, идущие к головке. Материал соединительных проводов выбирается в зависимости от уровня измеряемой температуры и друг

их условий эксплуатации, для которых приборы предназначены. При низких температурах до 300 °С и умеренной вибрации используются медные проводники, при умеренных температурах до 5000 °С – серебряные, при температурах, превышаю- щих 5000 °С, по мере её роста, – золотые, палладиевые и платиновые проводники. В случае повышенной вибрации рекомендуются более жёсткие сплавные провода, напр

имер платино-родиевые. Сопротивление двух соединительных проводов чувствительного элемента при 0 °С не должно превышать 0,1% его номинального сопротивления. Для изоляции соединительных проводов применяются слюдяные или керамические шайбы с отверстиями, а также трубочки из фарфора, кварца или стекла. Для высокотемпературных ТС используется изоляционный материал из сапфира в виде шайб и бус ил

и другой керамики.

Основные параметры технических платиновых ТС по ГОСТ 6651

приведены в табл. 2.3.

2.3. Основные параметры платиновых и медных ТС

Тип

Номинальное

сопротивление

при 0 °C, Ом

Условное обозначение

НСХ преобразования

Диапазон измеряемой

температуры, °С

от до

ТСП

ТСМ

5 10 46 50

100 500

10 50 53

100

1П 5П

10П

гр.21

50П 100П 500П

10М 50М

гр.23

100М

–50 –100 –200 –260 –260 –260 –260

–50

–50 –200

1100 1100 1000 1000 1000 1000

300

–200 –200

180 200

ТС для исследовательских работ характеризуются повышенной

чувствительностью к изменению температуры, воспроизводимостью, стабильностью и удобством при эксплуатации. Эти свойства в известной степени зависят от сопротивления чувствительного элемента, определяющей величиной которого является сопротивление при 0 °С. По этому признаку ТС делятся на низкоомные и высокоомные. Увеличение сопротивления чувствительного элемента при 0 °С пр

иводит к увеличению его размеров и инерционности, упрощая, однако, работу с ТС, так как появляется возможность применения более простых измерительных схем. Эталонные и образцовые платиновые ТС, работающие в диапазоне температур от –182,97 до 630 °С, изготовляются

= 10 Ом.

с R

Для точных измерений температуры применяется конструкция с чувствительным элементом в виде спирали Стрелкова (рис. 2.12). Для измерения средних температур (от 0 до 6300 °С) применяется пла- тиновый ТС (ПТС-10) от 0 до 10 Ом; для измерения низких температур (от –182,97 до 0 °С) – от 0 до 100 Ом; для измерения сверхнизких температур (от 13,81 до 273,15 К) – от 25 до 1

000 Ом при температуре

тройной точки (ТСПН-1 и ТСПН-2, ГОСТ 12377–67).

Медные ТС. Обычная медь, поставляемая системой снабжения

в виде проволоки и проводов всех требуемых размеров, не дефицитна, дешева, чиста и гомогенна – вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалу чувствительных элементов ТС для измерения умеренных температур. Существенный практический недостаток меди – при темпер

атуре выше 300 °С она начинает активно окисляться. Поэтому медь применяется в чувствительных элементах ТС для измерения температур не выше 200 °С. Изоляционные покрытия медных проводов – лак или шёлк – также не выдерживают влияния высоких температур.

Рис. 2.12. Платиновый ТС конструкции Стрелкова:

1 – алюминиевый колпачок; 2 – клеммы; 3 – токовые провода;

4 – кварцевая оболочка; 5 – измерительная спираль; 6 – каркас;

7 – потенциальные выводы; 8 – подводящие провода

К числу недостатков меди следует отнести и её малое удельное сопротивление (r = 1,7⋅10 ниям R

и Rt чувствительного элемента медного ТС, измеренным соот-

–8

Ом⋅м). ТКС определяется по сопротивле-

ветственно при точке таяния льда и кипения воды. В диапазоне температур от –50 до 200 °С зависимость сопротивления меди от температуры носит линейный характер: R

= R0 (1 + αt). Согласно ГОСТ 6651–78

медные ТС применяются для длительного измерения температуры в диапазоне от –200 до 200 °С.

ТС с чувствительными элементами из других материалов.

В случаях, когда не требуется высокая точность измерения, например для технических целей, чувствительные элементы ТС изготовляются не из дорогой платины, а из других чистых металлов. Для измерения сверхнизких температу

р чувствительные элементы изготовляются главным образом из сплавов и полупроводников. Для измерения средних температур в качестве материала чувствительного элемента ТС применяются, наряду с платиной, медь, никель, вольфрам, железо, свинец, индий, олово, кадмий, ртуть, галлий.

Требования к конструкциям ТС с чувствительными элементами

из других материалов аналогичны требованиям, предъявляемым к пла-

вым чувствительным элементам. При этом необходимо учитывать

тино конкретные физические и химические свойства этих материалов.

Никелевые ТС. Преимущества никеля перед медью – высокие

ТКС (α = 6,4⋅10

–3

) и удельное сопротивление (ρ = 12,8⋅108 Ом⋅м), не-

достаток – большое влияние загрязнений на ТКС. Сопротивление никелевых ТС, предназначенных для измерения температур в диапазоне от 0 до 200 °С, описывается таким же уравнением, как и для платиновых ТС (А = 5,43⋅10

–3

К–1, В = 7,85⋅10–6 К–2). Нелинейные члены

в уравнениях сопротивления имеют разные знаки (для никеля – положительный, для платины – отрицательный). Это открывает возможность создания ТС с линейной характеристикой до 350 °С путём последовательного включения платиновой и никелевой обмоток с отношением сопротивлений, равным 12:1, при 0 °С. Никель претерпевает структурное превращение при 350 °С.

Железные ТС применяются для измер

не от 0 до 100 °С (А = 6,5⋅10

– 3 К–1

ения температур в диапазо-

Вольфрамовые ТС обеспечивают удовлетворительную точность

при измерениях температур до 1000 °С. При измерении высоких температур чувствительный элемент необходимо помещать в герметичную арматуру.

Свинцовые и индиевые ТС хорошо зарекомендовали себя при

измерении низких температур. При температуре ниже 50 К их ТКС (рис. 2.13) заметно больше, чем у платины, и они эффективно работают вплоть до пер

ехода в состояние сверхпроводимости (Pb – 7,2 К, In – 3,4 К).

Механические напряжения затрудняют использование ТС при измерениях высоких температур. Поэтому неоднократно предпринимались попытки применения в ТС жидких металлов, заполняющих кварцевые капилляры. Использование для изготовления капилляров плавленого кварца, имеющего малый коэффициент термического расширения, практически решает вопрос о влиянии вариации температуры на размеры чувствительного элемента. Для жидкометаллических ТС применялись также сплавы рту

ти с галлием и таллием. Ртуть хорошо зарекомендовала себя и в твёрдом состоянии для измерений вплоть до наступления сверхпроводимости.

По ряду характеристик сплавы имеют преимущества перед чистыми металлами для применения в качестве материала чувствительных элементов ТС: они более прочны, стойки при высоких температурах и в агрессивных ср

едах, их удельное сопротивление в несколько раз больше. Однако ТКС при средних и высоких температурах у них ниже, чем у чистых металлов – за исключением сплава никеля с железом, для которого α = 4,8⋅10

–3 К–1

. По сравнению с никелем удельное

сопротивление сплава никеля с железом в 3 раза больше, что позволяет упростить конструкцию чувствительного элемента и повысить её надёжность. Характеристики этого сплава не одинаковы от партии к партии, в связи с чем необходимо применять индивидуальную градуировку. Рабочий диапазон таких ТС – от 0 до 600 °С. При наличии магнитных полей их не рек

омендуется применять.

Константан и манганин широко используются как материалы, сопротивление которых в области нормальных температур пренебрежимо мало зависит от температуры.

Однако при температуре ниже 80 К эта зависимость настолько возрастает, что оба сплава используются для измерения температур вплоть до температуры кипения гелия. ТКС манганина изменяется от 6⋅10

–4 К–1

при 80 К до 8⋅10–4 К–1 при 10 К. В ТС с чувствительным

Рис. 2.13. Зависимость ТКС платины, олова, индия от температуры

элементом из манганина не наблюдается однозначная связь между сопротивлением при комнатной температуре и тех температурах, при которых производится измерение. Поэтому они требуют индивидуальной градуировки. Как большинство ТС из сплавов, они также чувствительны к влиянию магнитных полей.

2.5.2. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

Термометр сопротивления и провода, соединяющие его со вторичным прибором, включены последовательно. Термометры сопротивления работают в комплекте с вторичными приборами – омметрами (лагометрами), нормирующими преобразователями.

Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры. Для устранения влияния температуры на соп

ротивление соединительных проводов их собственное сопротивление выбирают малым по сравнению с сопротивлением чувствительного элемента. При 0 °С оно не должно превышать 0,1% для платиновых ТС и 0,2% – для медных. С этой же целью ТС подключают по трёх- и четырёхпроводной схеме (рис. 2.14, б, в). Для компенсации изменения сопротивления соединительных проводов промыш-

нностью выпускаются также ТС с дополнительными соединительными

ле компенсационными проводами (рис. 2.14, г).

а) б)

в) г)

Рис. 2.14. Схема измерительного пакета:

а – двухпроводного; б – трёхпроводного; в – четырёхпроводного;

г – с компенсационными выводами

Чувствительные элементы с соединительными проводами называются измерительными пакетами. Соединительные провода измерительного пакета должны быть электрически изолированы друг от друга. При измерении температуры до 300 °С в целях обеспечения надёжной изоляции пакетов ТС применяются изоляционные лакоткани, эмали, оплетки и др.; при измерении температуры выше 300 °С – бусы из электроизоляционной кера

мики.

Соединительные провода измерительного пакета подключаются к клеммам контактной колодки или контактам корпуса пластмассовой головки ТС. Подключение соединительных проводов измерительных пакетов к чувствительному элементу осуществляется посредством сварки. При измерении температуры измерительные пакеты вставляются в защитный чехол ТС, предохраняющий их от повреждений и загрязнений. Внутреннее пространство чехла засыпается ингибиторным порошком.

5.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТС

Учитывая опыт эксплуатации выпускаемых промышленностью ТС, представляется возможным разделить технические ТС на следующие укрупнённые группы:

• общепромышленные для измерения температуры в различных

отраслях народного хозяйства;

• для измерения температуры в условиях с повышенными меха-

ническими нагрузками;

• во взрывобезопасном исполнении для измерения температуры

в средах различных категорий взрывоопасности;

• для измер

ения температуры в атомных и энергетических уста-

новках;

• для измерения температуры поверхностей вращающихся

объектов;

• для измерения температуры поверхностей неподвижных

твёрдых тел;

• для измерения температуры в помещениях;

• для измерения температуры в криогенной технике;

• ТС для измерения температуры зерна;

• с унифицированным выходным сигналом 0…5 мА для изме-

рения те

мпературы в различных отраслях промышленности.

Основные требования, предъявляемые к техническим ТС: взаимозаменяемость, простота и надёжность в работе.

<<< < Предыдущая 1 23 / 163 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]