Тепловые преобразователи
Тепловой преобразователь представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффициен- том, находящийся в теплообмене с окружающей средой. Имеется несколько путей теплообмена: конвекцией, теплопроводностью среды, теплопроводностью самого проводника, излучением.
Интенсивность теплообмена проводника с окружающей сре- дой зависит от следующих факторов: скорость газовой или жид- кой среды, физические свойства среды (плотность, теплопровод- ность, вязкость), температура среды, геометрические размеры проводника.
Эту зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно использо- вать для измерения различных неэлектрических величин, харак- теризующих газовую или жидкую среду: температуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума).
Материал преобразователей. Тепловым преобразователем может служить проводник с высоким и стабильным температур- ным коэффициентом электрического сопротивления. Этим требо- ваниям удовлетворяют в основном проводники из химически чи- стых металлов, так как большинство из них обладает положи- тельным температурным коэффициентом, колеблющимся (в ин- тервале 0... 100°С) от 0,35 до 0,68 % на 1 °С.
Наибольшее распространение в качестве преобразователей получили платина, медь и никель. Вопрос о выборе материала для того или иного преобразователя решается в основном хими- ческой инертностью металла в измеряемой среде и пределом из- менения температуры.
Так, медный преобразователь можно применять при темпера- туре в пределах (-50... + 180°С) в атмосфере, свободной от влаж- ности и газов. При более высоких температурах медь окисляется. Изоляцией для меди могут служить эмаль, винифлекс, шелк. Не- достатком меди является ее малое удельное сопротивление.
Никель при условии хорошей изоляции от воздействия среды можно применять при температуре до 250...300°С, а при более вы- соких температурах зависимость R = f(t) для него неоднозначна. Линейная зависимость R = f(t) у никеля выполняется только для температур не выше 100 °С. Недостатком никелевых преобразова- телей является различный для каждой марки никеля температур- ный коэффициент (0,51...0,58% на 1°С). Поэтому последовательно с никелевой проволокой обычно включают манганиновое сопро- тивление, снижающее температурный коэффициент до расчетного и стабилизирующее его. Достоинством никеля является большая величина его удельного сопротивления (ρ=0,075...0,085 Ом мм2/м).
Наилучшими свойствами обладает платина, так как она, во- первых, химически инертна, а во-вторых, может быть использо- вана в диапазоне температур -200...+650°С. Однако платину нель- зя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т.д.).
В настоящее время все чаще применяются полупроводнико- вые терморезисторы (термисторы), которые изготовляют из сме- си оксидов различных металлов: меди, кобальта, магния, марган- ца и др. В процессе изготовления преобразователь подвергают обжигу при высокой температуре. При обжиге оксиды спекаются
в плотную массу в виде шарика, столбика или шайбы, на нее напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной про- волоки. Для зашиты от внешних воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметически металлический корпус или запаивают в стекло.
С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Зависимость сопротивления от температуры выра- жается формулой
Rt Ae B / T ,
(4.3)
где A – постоянная, зависящая от материала, его размеров и формы; В – постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника; Т – температура преобразователя в градусах абсолютной шкалы.
Промышленность выпускает термометры сопротивления в раз- нообразном конструктивном исполнении типов ММТ, КМ Г-4 МКМТ.
Д о с т о и н с т в а : очень высокий (отрицательный) темпера- турный коэффициент сопротивления (2,5...4% на 1°С); чувстви- тельность в 6...10 раз выше, чем чувствительность металлическо- го терморезистора; малая теплоемкость и инерционность.
Н е д о с т а т к и : нелинейная зависимость их сопротивления от температуры (рис. 4.18) и большой разброс и нестабильность ха- рактеристик от образца к образцу. Это затрудняет получение ли- нейной шкалы прибора и замену вышедшего из строя полупро- водника. Кроме того, у них довольно мал температурный диапа- зон (-100...+120°С).
При работе с преобразователями нужно стремиться к тому, чтобы все факторы как можно меньше влияли на изменение со- противления преобразователя. Следовательно, требования к пре- образователю, его погрешности и свойства будут определяться с зависимости от их использования. Ниже рассмотрим принцип
использования тепловых преобразователей для измерения раз- личных неэлектрических величин.
ΔR/R,%
240
160
1
80 2
0
-80
0 40 80 120 t,°C
Рис. 4.18. Функция преобразования термистора: 1 – типа ММТ; 2 – медного
Термоанемометры. Если нагреваемый током тепловой пре- образователь погружен в жидкую или газовую среду, то его тем- пература определяется режимом теплового равновесия между количеством теплоты, подводимой к проволоке и отдаваемой в окружающую среду.
Если среда движется, т.е. представляет собой поток жидкости или газа, то отдача теплоты путем конвекции превосходит все другие охлаждающие факторы и зависит от скорости потока.
Приборы, измеряющие скорость газового потока, называются термоанемометрами (рис. 4.19).
1
2
3
4
Рис. 4.19. Устройство термоанемометра: 1 – платановая проволока; 2 – манганиновые стерженьки; 3 – ручка; 4 – выводы
Термочувствительным элементом такого прибора служит пла- тиновая проволока 1, прикрепленная к манганиновым стержень- кам 2, которые, в свою очередь, крепятся к ручке 3 из изолирую- щего материала. Для включения преобразователя в измеритель- ную цепь служат выводы 4.
Работа основана на изменении сопротивления проволоки 1 в зависимости от скорости газового потока.
Потеря проволокой теплоты путем конвекции выражается формулой
I 2R F( tпр tср ),
где ε – коэффициент теплоотдачи; F – поверхность проволоки в среде;tпр и tср – соответственно температура проволоки и среды.
Здесь величина е зависит не только от скорости движения
среды, но и от вязкости, теплоемкости и теплопроводности сре- ды, поэтому ее рассчитывают с помощью теории подобия. Пре- образователь термоанемометра включается обычно в мостовую цепь (рис.4.20).
R1 Rпр
Г
R2 R3
V
I
U
Рис. 4.20. Схема включения преобразователя термоанемометра в мостовую цепь
Измерение можно производить, поддерживая постоянным либо ток I в неразветвленной части моста, либо напряжение питания моста U (при работе в неравновесном режиме) или непрерывно
поддерживая соответствующее равновесию моста значение сопро- тивления RПр термоанемометра путем изменения тока I (тогда мост будет находиться в режиме равновесия для каждого значения ско- рости V). Градуировочная кривая R=f(v) при I = const показана на рис.4.21. Очевидно, что шкала прибора получаетсянелинейной.
R,Ом
4,8
4,4
4,0
3,6
3,2 10 14 18 V,мс
Рис. 4.21. Градуировочная кривая шкалы прибора термоанемометра
Иногда для получения более линейной шкалы измеряют не ток I, а падение напряжения на платиновой проволоке RK. Так как значение RK вследствие нагревания проволоки током увеличива- ется при возрастании I, то зависимость IRK = f(v) оказывается бо- лее линейной, чем зависимость I = f(v), но при этом увеличивает- ся инерционность.
Температуру проволоки термоанемометра можно также изме- рить с помощью термопары (рис. 4.22).
U
RТП
ТП
mV
A
U
Рис. 4.22. Схема измерения температуры нагревателя термоанемометра
термопарой
Рабочий спай термопары приварен к середине нагреваемой проволоки RТП, и милливольтметр mV измеряет развиваемую термопарой термо-ЭДС, зависящую от температуры сопротивле- нияRТП, а следовательно, от скорости потока V, т.е.
E f (t)
f1 ().
Для того чтобы обеспечить достаточную чувствительность прибора, необходимо нагревать проволоку термоанемометра до температуры 600...800°С. Особенно это важно для термоанемо- метров с термопарой, так как термо-ЭДС растет с увеличением температуры рабочего спая.
Так как не все материалы можно нагревать до такой темпера- туры, то чаще всего в качестве термопреобразователя термоане- мометра используют платину.