1,5, Во втором случае количество теплоты, получаемой или отдаваемой в одну секунду меньшим телом с поверхностью Su составляет

Со

к—о

>2 \ е₂ /

Для уменьшения лучеиспускания тела при заданных температурах уменьшают его степень черноты и применяют экран.

Уравнение теплового баланса преобразователей при неизменном агрегатном состоянии среды и постоянной температуре тел определя­ется как

в, °с	v. ыо-8 м2/с	Я, Вт/(М-К)	о, I-I0-7 М2/С
20 60 80	1,0 0,479 0,366	0,6 0,66 0,69	1,42 1,61 1,64

<?э + <7гп + <7тп + <7конв + Ям = 0,

где q_B = i²R — теплота Джоуля—Ленца, выделяющаяся в преобра* - зователе; q'_Tп, q_JUi q_KОНв ^и <7л.и — тепловые потоки соответственно в ре-, зультате теплопроводности через преобразователь, через окружаю­щую среду, вследствие конвекции и теплового излучения. Эти тепло­вые потоки показаны на рис. 11-2.

Выражая соответствующими формулами все виды тепловых потерь, уравнение теплового баланса можно представить как

I*R - Ое (© - ©_а) - Св(© - ©ер) - IS (© - ©_ср) -

- C_US [(в/100)⁴ ~ (©_ст/100)⁴] = 0, (11-4)

где ©_а, ©_ср, ©_ст — соответственно температуры внешней среды, среды, окружающей преобразователь, и стенок.

Как видно из этого уравнения, температура преобразователя зависит от температуры окружающей среды, от коэффициента тепло­отдачи зависящего от скорости дви­жения окружающей среды, от тепло­вой проводимости, среды, определяе­мой ее свойствами, от геометрической формы окружающих тел и расстоя­ния их до преобразователя. Подчерк­нув соответствующий эффект и сде­лав пренебрежимо малыми все осталь­ные, тепловые преобразователи мож­но использовать для измерения тем­пературы среды, скорости ее движе­ния, концентрации вещества, изме­няющего теплопроводность среды, и перемещения.

Принцип действия соответствую­щих преобразователей проиллюстри­рован рис. 11-3.

.Устройство датчика термоанемо­метра, служащего для измерения скорости газового потока, показано на рис. 11-3, а. Нить 1 нагрева­ется до 200—800 °С протекающим по ней током и одновременно охлаж­дается обдувающим ее газовым потоком. Если эффект сноса теплоты превосходит другие охлаждающие факторы, то уравнение теплового баланса (11-4) может быть представлено в виде PR = IS (© — ©_ср). Поскольку коэффициент теплоотдачи является функцией скорости i = f (v), то из приведенного уравнения следует, что в режиме задан­ного тока / = const температура нити © = / (v) является функцией скорости, а в режиме заданной температуры © = const требуемое из­менение тока А/ будет функцией скорости А1 = <р (у). В датчике, показанном на рис. 11-3, а, нить выполнена из платиновой проволоки (диаметр 5—20 мкм, длина 2—10 мм), сопротивление которой меняется с температурой, и припаяна к двум манганиновым стерженькам 2. Сквозь ручку 3 пропущены выводы 4 для включения датчика в измери­тельную цепь.

На рис. 11-3, б дано принципиальное устройство преобразователя газоанализатора. Платиновая проволока /, подогреваемая протекаю­щим по ней током до температуры © = 100 ч- 200 °С, натянута по оси камеры. В камеру через канал поступает с очень малой скоростью исследуемая газовая смесь. Размеры камеры и проволоки и скорость протекания газа выбраны таким образом, чтобы можно было прене­бречь всеми тепловыми потерями, кроме тепловых потерь в результате теплопроводности окружающей среды. Тогда уравнение (11-4) может быть представлено в виде I^ZR = G© (© — в_ср). Коэффициент тепло­проводности газа зависит от состава газа, и, следовательно, при токе ,/ = const температура проволоки и ее сопротивление зависят от со­става газа. В частности, для смеси воздуха с углекислым газом, тепло­проводность которого меньше теплопроводности воздуха, температура нити будет тем выше, чем больше концентрация углекислого газа.

а) 1 xl

Рис. 11-3

На рис. 11-3, е показан принцип действия вакуумметра. В герме­тичной колбе помещены нагреватель 2 и термопара 1_У измеряющая температуру нагревателя. Колба присоединяется к полости, вакуум в которой измеряется. Через нагреватель пропускается ток. В диапа­зоне давлений 1—10"⁴ Па теплопроводность газа уменьшается с умень­шением давления, поэтому при заданном токе температура нагрева­теля будет тем выше, чем выше вакуум.

На рис. 11-3, г представлено принципиальное устройство сигнали­затора уровня. Датчик представляет собой платиновую нить 2 диамет­ром 25 мкм и длиной 2 мм, закрепленную между двумя держателями 1 и спущенную на заданную глубину. В воздухе нить нагревается про­пускаемым по ней током до 250 °С. При соприкосновении с жидкостью теплоотдача с нити увеличивается и температура и сопротивление нити резко уменьшаются.

Переходный процесс нагревания или охлаждения тела описы­вается уравнением теплового баланса. В стадии регулярного тепло­вого режима в уравнении (11-4) появляется член, учитывающий допол­нительную теплоту, идущую на повышение теплосодержания тела:

l*R ^ а© (В - в J — G©(© — ©_ср) - is (в- ©_ср) -

- C_ns [(в/100)⁴ - (в_ст/100)⁴] ~ тс dB/dt = 0. (11-5)

Если пренебречь потерями на излучение, то из уравнения (11-5) видно, что тепловой преобразователь является апериодическим пре­образователем с постоянной времени Т = mc/g_s, где Is == G© + + G© + IS — суммарный коэффициент теплопередачи, определяемый теплопроводностью и конвекцией. Необходимо обратить внимание на то, что постоянная времени теплового преобразователя зависит от условий охлаждения и будет различной для одного и того же пре­образователя, находящегося в воздухе и в жидкости, в спокойной жид­кости и в движущейся жидкости и т. д. Чем больше тем быстрее протекает переходный процесс. При больших и малых постоянных времени Т необходимо учитывать стадию дорегулярного режима, ко­торой при описании переходного процесса обычно можно пренебречь, В этом случае для оценки переходного процесса нельзя пользоваться уравнением (11-5) и нужно прибегать к специальной литературе» В стадии регулярного теплового режима температура преобразователя в операторной*форме определяется уравнением

'(ge+O_e+6S)(»_+0&+ff_+6sp)'

Переходный процесс в преобразователе при внезапном скачко­образном изменении температуры на величину А©_ср описывается урав­нением

⁶ = °0 + 1 +Gy(G_e+lS) A®cpg"'^/ir,

где ©о — начальная температура преобразователя.

В большинстве случаев при описании переходного процесса пре­небрегают статической погрешностью из-за наличия теплопроводности через преобразователь С'_в и выражают переходный процесс уравне­нием

© = й₀ + Д©_ср£г-</Г; А© = Д©_сре-'/*\ (11-6)

Переходный процесс при внезапном изменении одного из коэффи­циентов теплоотдачи, например при изменении I вследствие изменения скорости движения окружающей среды, описывается уравнением ■

A £se_cp _

где

Г'-7*

11-2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ИХ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

(Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 11-4, а), причем температуру ©_L одного места соедине­ния сделать отличной от температуры 6₀ другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников:

Елв&1, во)=/(©1) —f(©o)-

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, — тер­моэлектродами, а места их соединения — спаями.

Термо-ЭДС при небольшом перепаде температур между спаями можно считать пропорцио­нальной разности темпе­ратур: Е_ав = S_AB Д©.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, значение тер­мо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль провод­ников.. Термоэлектричес­кий контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то не возникает никаких паразитных термо-ЭДС. ^

Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектро­дов А и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис. 11-4,6). Значение термо-ЭДС в этом случае определится как Е = Е_ав (©J + Е_вс (в₀) + Е_са (©о) = Е_ав (6J 4- Е_ва (в₀) - = Е_ав (©_г) — Е_ав (©о), так как если два любых проводника А и В имеют по отношению к третьему С термо-ЭДС Е_АС и Е_Вс, то термо- ЭДС термопары А В — Е_АВ — Е_Ас + Е_св.

Можно разорвать также один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник в место разрыва (рис. 11-4, в). Значение термо-ЭДС в этом случае будет тем же, что и в предыдущем. Действительно, Е - Е_АВ (©_а) + Е_вс (©₂) + Е_Св (®₂) + Е_ВА (6₀) =

«= ЕАВ (@I) — Е_АВ (©О).

Таким образом, прибор для измерения термо-ЭДС может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и наз­ван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных про­водников или полупроводников, пропустить электрический ток, то теплота выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и нагревание или охлаждение спая зависит от направления тока через спай.

Во второй половине XIX в. Томсоном был от­крыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего темпе­ратурный градиент, некоторой разности потенциа­ле лов и в выделении дополнительной тепловой мощ­ности при прохождении тока по этому проводни- ку. Однако ЭДС Томсона и дополнительная теп- lr~(mv)—¹ ловая мощность настолько малы, что в практи- к ' ческих расчетах ими обычно пренебрегают.

— Г^ На рис. 11-5 показана принципиальная схема {термоэлектрического преобразователя, который в

Рис. 11-5 зависимости от положения переключателя К мо-

♦ жет работать в режиме генератора электрической энергии (положение 1) и в* режиме переноса теплоты между спаями (положение 2).

КПД термоэлектрического генератора зависит от разности темпе­ратур и свойств материалов и для существующих материалов олень мал (при А© = 300 °С не превышает л = 13%, а при А© = 100 °С ц = 5%).

КПД термоэлектрического подогревателя или холодильника также очень мал: для холодильника КПД при Температурном перепаде 5 °С составляет 9%, а при перепаде 40 °С — только 0,6%. - Тепловой баланс охлаждаемого в результате эффекта Пельтье спая определяется уравнением

П₁₂/ - kI*R - Ое (©_нагр - ©охл) ~ О_е (©_окр - ©_охл) - 0,

где П₁₂/ — теплота, поглощаемая в спае за счет эффекта Пельтье; / — ток через спай; П_1а — коэффициент Пельтье, зависящий от мате­риалов спая; I²R —- выделяющаяся в термоэлементе теплота Джоуля, часть которой поступает на холодный спай; G© (©,_1агр —>• ©_охл) — тепло­вой поток, обусловленный разностью температур нагреваемого и охлаждаемого спаев; G© •— тепловая проводимость термоэлемента; Ge (©окр — ©охл) — тепловой поток, возникающий в результате теп­лообмена между окружающей средой и охлаждаемым спа^м.

Как видно из приведенного уравнения, температура тподного спая будет уменьшаться при увеличении тока за счет эффекта мелыъе,' в то же время с увеличением тока увеличивается теплота Джоуля, и эффект нагревания при больших токах снижает эффект охлаждения. Поэтому минимальная температура холодного с^_ая достигается \]ри некотором оптимальном ^toke»j

^/л В измерительной технике термопары получили широкое распро­странение для измерения температур. Кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток.

Таблица tt-4

Термо- ЭДС, мВ

Термо- ЗДС, мВ

Материал

Материал

Кремний

Сурьма

Хромель

Нихром

Железо

Сплав (90% Pt+10% 1г)

Молибден

Вольфрам

Манганин

Медь

Золото

Серебро

Иридий

Родий

-44,8 -4,7 -2,4 -2,2 -1,8 1,3 -1,2 -0,8 -0,76 -0,76 -0,75 -0,72 -0,65 -0,64 -0,64

Сплав (90% Pt+10 %Rh)

Свинец

Олово

Алюминий

Графит

Уголь

Ртуть

Палладий

Никель

Алюмель

Сплав (60%Аи +

+ 30% Pd-J- 10 %Pt)

Константен

Копель

Пирит

Молибденит

+0,44 +0,42 +0,40 +0,32 +0,30 0,00 —0,57 -1,5 —1,7 —2,31

—3,4 —4,5 —12,1 От —69 до —104

Гма

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 11-4 приведены тфмо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая Э_х = 100 °С и температуре сво­бодных концов в₀ — 0 °С. Зависи­мость термо-ЭДС от температуры в широком диапазоне температур обыч­но нелинейна, поэтому данные табли­цы нельзя распространить на более высокие температуры. В качестве при­мера на рис. 11-6 приведена зависи­мость £■ = /(©) для одной из наи­более распространенных термопар пла- тинородий — платина.

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать тер­моэлектроды, один из которых разви­вает с платиной положительную, а другой — отрицательную термо-ЭДС. При этом необходимо учитывать так­же пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, тем­пературы и т. д.).

Е
				_			Г
				/
			/
		/
	X							©

400 800 1200 • 1600 °С

иВ 16 U 12 Ю 8 Б 4

Рис. 11-6

Материалы, применяемые в промышленных термопарах (см. § 11-7), обусловлены ГОСТ 6616—74. Однако используется и ряд специальных термопар, например при измерениях тепловой радиации, для измере­

ний температуры нагревателей в термоанемометрах и вакуумметрах (см. § 11-1), в термоэлементах термоэлектрических амперметров, вольт-* метров и ваттметров. Термопары этого типа работают при сравни­тельно небольших температурах, но для по­вышения чувствительности преобразовате­лей мощности в температуру должны об­ладать минимальной теплоемкостью и ми­нимальным коэффициентом теплоотдачи. Поэтому такие термопары выполняются из тонкой проволоки диаметром d 5 ч- ^ 10 мкм.

Рис. 11-8

Для повышения выходной ЭДС исполь­зуется несколько термопар, образующих термобатарею. На рис. 11-7 показан чув­ствительный элемент радиационного пиро­метра. Рабочие спаи термопар располо­жены на черненом лепестке, поглощающем излучение; свободные концы — на массивном медном кольце, служащем токоотводом и при­крытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и

равной комнатной/j

11-3. УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ, ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАР

Удлинительные термоэлектроды. Свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре (рис. 11-8). Однако не всегда возможно сделать термоэлектроды термопары настолько длинными и гибкими, чтобы ее свободные концы размещались в до­статочном удалении от рабочего спая. Кроме того, при использовании бла­городных металлов делать длинные термоэлектроды экономически невы­годно, поэтому приходится применять провода из другого материала. Со­единительные провода Л_± и В_х (рис. 11-8), идущие от зажимов в головке термопары до сосуда объемом V, тем пературу в котором желательно под­держивать постоянной, называют уд­линительными термоэлектродами. Да­лее для соединения с измерительным прибором можно использовать обыч­ные провода.

Рис. 11-7

Чтобы при включении удлини­тельных термоэлектродов из мате­риалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изме­нилась термо-ЭДС термопары, необходимо выполнить два условия. Первое — места присоединения удлинительных термоэлектродов к ос­

новным термоэлектродам в головке термопары должны иметь одина­ковую температуру. И второе — удлинительные термоэлектроды дол­жны быть термоэлектрически идентичны основной термопаре, т. е. иметь ту же термо-ЭДС в диапа­зоне возможных температур ме- .. . tL

„ « j/".-i 1, 13

/ уd м У 1) 14

-в) 146

д 166

Vl 1 11 178

Rr _ \f 2 V \Г2 ■ 2,0 245

^ -(0,1 4-1,5) со- 277

Еш-чГ™ hKreOMy, 281

а) 1 xl 307

/ = у J [^sin(— + cpJJ = (12-2) 349

0,8 1,2 1,6 мкм 368

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 383

термопару, термоидентичную тер­мопаре платинородий — платина в пределах до 150 °С. Для термо­пары хромель — алюмель удлинительные термоэлектроды изготов­ляются из меди и константана.'Для термопары хромель — копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполнен­ные в виде гибких проводов.

При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает весьма существенная погрешность.

В качестве примера рассмотрим погрешность измерения температуры термо­парой хромель—алюмель, включенной: а) с удлинительными термоэлектродами из меди и константана (рис. 11-9); б) при неправильном подключении термоэлектродов; в) медными проводами без удлинительных термоэлектродов. Измеряемая температура 0j = 1000 °С, температура головки термопары ©₂ = 100 °С и температура термо­статированного сосуда О₀ = 0 °С.

ЭДС термопары хромель—алюмель Е_х__й — 41,269 мВ. ЭДС термопар, образо­ванных рабочими термоэлектродами и подключаемыми проводами без удлинитель­ных термоэлектродов и с ними, определим из табл. 11-4:

а) Е - £_х__а (1000 °С) + £ __к (100 °С) + Я_к__м (0 °С) + £_м__м (0 °С)+£ (100 °С)= = 41,269 + 1,7+ 0+ 0 — 1,64 — 41,269 + 0,06 = 41,329 мВ; ©_я = 1002 °С;

б) Е - Е^ (1000 °С) + £_а__м (100 °С) + Е_п (0 °С) + £ ^ (0 °С) + Е^ (100 °С) = = 41,269 — 2,46 + 0 + 0 — 5,8 = 41,269 — 8,26 = 33,0009 мВ; ©_б = 793 °С;

в) Е - £_х,_а (1000 °С) + £_а._м (100 °Q + Е^ (100 °С) = £_х._а (1000 °С) — — £_х__а (100 °С)== 41,269 — 4,1 = 37,169 мВ; ©_fl ^ 896 °С.

Температуру, соответствующую полученным термо-ЭДС, можно определить по таблицам ГОСТ 6616—74.

Как видно из полученных решений, при правильном подключении удлинитель­ных термоэлектродов погрешность не превышает2 ^сС, а при неправильном — погреш­ность почти вдвое больше, чем при подключении двух медных проводов. Поэтому при подключении удлинительных термоэлектродов необходимо быть особенно вниматель­ными к их соответствию рабочим термоэлектродам.

Погрешность, обусловленная изменением температуры свободных концов термопары. Градуировка термопар осуществляется при темпе­ратуре свободных концов, равной нулю. Если при практическом ис­пользовании термоэлектрического термометра температура свобод­ных концов будет отличаться от 0 °С на величину + ©₀, то измерен­ная ЭДС будет меньше и необходимо ввести соответствующую по­правку в показания термометра.

Однако следует иметь в виду, ]рто из-за нелинейной зависимости между ЭДС термопары и температурой рабочего спая поправка Дв

к показаниям указателя в', градуированного непосредственно в гра­дусах, не будет равна температуре ©₀ свободных концов, что очевидно * из рис. 11-10.

Для определения температуры необходимо воспользоваться гра- дуировочной таблицей для данной термопары, определить ЭДС Е как Е = Е_1}зм + АЕ (в₀) и затем по скорректированному таким обра­зом значению Е найти 0. Приближенно значение погрешности может

быть определено как ДО = &©_с, где k — поправочный коэффициент на тем-

Е(@,о) 1 7 пературу свободных концов. Значение k

1(®<&₀) —-7fi различно для каждого участка кривой,

поэтому градуировочную кривую раз­деляют на участки по 100 °С и для каж­дого участка определяют значение k. ®^г® В качестве примера устройства ав­

томатического введения поправки на температуру свободных концов на рис.

11-11 схематично показано устройство ти­па КТ-0,8. В цепь термопары и милливольтметра включен мост, од­ним из плеч которого является терморезистор R_ri помещенный возле свободных концов термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре ©_с мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю. При повышении температуры свободных концов сопротивление R_r изменяется, мост выходит из равновесия и возникающее напряже­ние на выходной диагонали моста компенсирует уменьшение тер­мо-ЭДС термопары. Уравновешивание мо­ста при температуре терморезистора, рав­ной нулю, производится изменением соп­ротивления одного из манганиновых рези­сторов. Изменение выходного напряжения U_BbK моста при температуре терморезисто­ра © до значения, равного уменьшению термо-ЭДС АЕ, так, чтобы £/_вых (©) — — АЕ (©) = 0, производится изменением напряжения питания моста, т. е. сопротив­ления R. Вследствие нелинейности харак­теристики термопар полной коррекции погрешности при помощи описываемого устройства получить не удается, однако погрешность значительно уменьшается.

Погрешность, обусловленная изменением сопротивления измери­тельной цепи. В термоэлектрических термометрах для измерения термо-ЭДС применяют как обычные милливольтметры, так и потенцио­метры с ручным или автоматическим уравновешиванием на предел измерения до 100 мВ.

АЕ

Рис. 11-И

Uj Е ^
				де
LfT i— 1				©

®0

Рис. 11-10

В тех случаях, когда термо-ЭДС измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность из-за изменения сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо-ЭДС» Измерительная цепь тер­мопары включает в себя рабочие термоэлектроды, удлинительные

.термоэлектроды и соединительные провода или линию. Сопротивление рабочих термоэлектродов из неблагородных металлов не превышает 1 Ом, сопротивление рабочих термоэлектродов из благородных ме­таллов больше. Кроме того, термоэлектроды, за редким исключением, выполняются из материалов, имеющих относительно высокий ТКС, и при изменении температуры на несколько сотен градусов внутрен­нее сопротивление термопары существенно возрастает.

В частности, термопара платина — платинородий, составленная из двух термо- блектродов диаметром d = 0,35 мм и длиной /= 1 м, имеет сопротивление R_T = = 1,11 + 2,09 = 3,2 Ом при 20 °С и #_т = 4,06 + 2,39 = 6,45 Ом при 1000 °С. Даже если пренебречь сопротивлением удлинительных термоэлектродов и соедини­тельных проводов, то при измерении термо-ЭДС милливольтметром с внутренним сопротивлением R_mi — 100 Ом падение напряжения на сопротивлении самой термо­пары R_r составит

, Rr _„ 6,45 Ят + Яви - 6,45+100

Таким образом, напряжение, измеренное милливольтметром, будет равно не U ==- 9,550 мВ, что соответствует термо-ЭДС при 1000 °С, a U_x ~ 8,905 мВ, что соот­ветствует © = 944 °С, и температурная погрешность составит 56 °С.

Чтобы уменьшить погрешность от падения напряжения на внут­реннем сопротивлении термопары, милливольтметры, как правило, градуируются по температуре в комплекте с термопарой с указанием сопротивления линии (обычно 5 Ом), которое подгоняется изменением сопротивления добавочной катушки непосредственно при монтаже прибора. При соблюдении этих условий погрешность возникает при изменении сопротивления термоэлектродов в результате окисления в процессе эксплуатации, при изменении сопротивления термопары при разных глубинах ее погружения, при изменении сопротивления удлинительных термоэлектродов и соединительных проводов в зави­симости от температуры окружающей среды.

11-4. ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ, ОСНОВЫ ИХ РАСЧЕТА И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Для измерения температур используются терморезисторы из мате­риалов, обладающих высокостабильным ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материа­лам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.

Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне темпера­тур от 0 до +650 °С выражается соотношением R© = R₀ (1 + Л© + +.Б©²), где R₀ — сопротивление при 0 °С; В — температура, °С. Для платиновой проволоки с отношением R₁₀₀/R₀ — 1,385 значения А = 3,90784- 1СГ³ К"¹; В = 5,7841-Ю"⁷ К"²,. В интервале температур от 0 до —200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид /?© = R₀ П + Ав + Б©² + С (© — 100) ©³], где С = — —4,482-10'¹² К"⁴. Промышленные платиновые термометры согласно

ГОСТ 6651—78 используются в диапазоне температур от —260 до + 1100 °С.

Миниатюрные высокоомные платиновые терморезисторы изготов­ляют путем вжигания или нанесения иным путем платиновой пленки на керамическое основание толщиной 1—2 мм. При ширине пленки 0,1—0,2 мм и длине 5—10 мм сопротивление терморезистора лежит в пределах 200—500 Ом. Такого рода термочувствительные элементы при нанесении пленки с обеих сторон используются для измерения температурного градиента и имеют порог чувствительности (1 - 5)10'⁵ К/и.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне тем­ператур от —50 до +180 °С можно пользоваться формулой R_e = = R₀( 1 + а©), где а = 4,26-10~³ К"¹; R₀ — сопротивление при 0 °С.

Если для медного терморезистора требуется определить сопротив­ление (при* температуре ©₂) по известному сопротивлению R_et (при температуре ©_х), то следует пользо­ваться формулой Re₂ = Re_t (1 + а©₂)/(1 + а©_х).

Медный терморезистор можно применять только до температуры 200 °С в атмосфере, свободной от влажности и корродирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивления равен —200 °С, хотя при введении индивидуальной градуировки возможно их применение вплоть до —260 °С.

Погрешности, возникающие при измере­нии температуры термометрами сопротивле­ния, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, со­единяющей термометр с измерительным при­бором, перегревом термометра измерительным током. В частности, В. И. Лахом для определения допустимого изме­рительного тока через термометр в диапазоне измеряемых температур до 750 °С приводится соотношение / = 2d¹*⁵ А©⁰*⁵, где I — ток, А; d — диаметр проволоки термометра,. мм; Д© — допустимое прира­щение показаний термометра за счет его нагревания током. В диа­пазоне температур от —50 до +100 °С перегрев находящегося в спо­койном воздухе провода диаметром d = 0,05 — 0,1 мм определяется из формулы А© = 5/²/d?.f

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС.

ТКС полупроводниковых терморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной темпера­туры: а = В/В². При 20 °С ТКС составляет 0,02—0,08 К"¹.

0 20 40 60 80 100 °С Рис. 11-12

Температурная зависимость сопротивления ПТР (рис. 11-12, кри­вая 2) достаточно хорошо описывается формулой R© = Ле^в/Т, где Т — абсолютная температура; А — коэффициент, имеющий размерность

сопротивления; В — коэффициент, имеющий размерность темпера­туры. На рис. 11-12 для сравнения приведена температурная зави­симость для медного терморезистора (прямая /).

Если для применяемого ПТР не известны коэффициенты А и В, но известны сопротивления R_± и R₂ при Т_г и Т₂, то сопротивление и коэффициент В для любой другой температуры можно определить из соотношений:

Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры (рис. 11-12) и значитель­ный разброс от образца к образцу как номинального сопротивления, так и постоянной В. ]

СТ4-1Б

Рис. 11-13

Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 11-13 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа ММТ-1 и КМТ-1 пред­ставляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморези­сторов может быть использован лишь в сухих помещениях.

Терморезисторы типов ММТ-4а и КМТ-4а заключены в металличе­ские капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть ис­пользованы при любой влажности и даже в жидкостях, не являю­щихся агрессивными относительно корпуса терморезистора. . ' Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СП-19 и СТЗ-19 имеют каплевидную форму. Дяя герметизации чувствительный элементов них оплавлен стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низ­кую теплопроводность- В тер мор езистор^СТЗ- 25 чувствительный элемент также помещен в стекля нную^бболочку, диаметр которой доведен до 0,5—0,3 мм. Терморезисрегр с помощью выводов прикреп­лен-к траверсам.

Терморезистор СТ4-16, в котором для герметизации термочувстви­тельный элемент в виде бусинки оплавлен стеклом, обладает повы­шенной стабильностью и относительно малым разбросом номинального сопротивления (менее ±5%). Терморезистор СТ17-1 предназначен для работы в диапазоне низких температур (от —258 до +60 °С). При температуре кипения жидкого азота (—196 °С) его ТКС состав­ляет от —0,06 до —0,12 К"¹, при температур^ —252,6 °С ТКС воз­растает и достигает значения от —0,15 до —0,30 КЧ, постоянная вре­мени при погружении в жидкий .азот не превышает 3 с. Терморези­стор СТ18-1 рассчитан на работу в температурном диапазоне от +200 до +600 °С, его ТКС при +250 °С составляет —0,034 К"¹, прж£00 °С равен —0,011

В табл. 11-5 ''Приведены характеристики для некоторых типов ПТР, взятые из соответствующих стандартов. В графе «номинальное сопротивление» приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений.

Таблица 11-5

Тип ПТР	Номиналь­ное сопро­тивление при 20 ®С, кОм	Посто­янная В, 102 К	Диапазон рабочих температур.	Мощность рассеяния			ТКС при 20 °С, K-I		Посто­янная вре­мени, с
				р . мВт	^шах, Вт	р доп, мВт
КМТ-1 KMT-8	22—1000 0.1—10	36—72	—60 ... +180 -45 ... +70	1,0 3,0	1.0 0,6	0,3 • 1,0	—0,042... —0,084	85 115
ММТ-1	1-—220	20,6—43	—60 ... +125	1,3	0,6	0.4	—0,024... —0,05	85
ММТ-8	0001—0.047 0.056—0J 00 0.120-1,000	20,6—27.5 22,3—29,2 22,3-34,3	-45 ... +70	10	0.6	2,0	—0,024... —0,032 —0,024... —0,034 —0.026... —0,04	-
ММТ-9	0.01-4,7	20,6-43	—60 ... +125	* 10	\	2,0	—0,024... —0,05
CT3-23	2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7 Ом	26—32					—0.0305...0,0375
СТЗ-17 СТ1-17	0,033—0,330 0,330—22	25,8-38,6 36—60	-60 ... +100	0.8 0,5	-	0,2	—0,03 .,—0,045 -0,042...—0.07	30

Минимальной мощностью рассеяния P_min называется мощность, при которой у терморезистора, находящегося в спокойном воздухе при температуре (20 =h 1) °С, сопротивление уменьшается от разогре­вания током не более чем на 1%. Максимальной называется мощ­ность "щах» при которой терморезистор, находящийся в тех же усло­виях, разогревается током до верхней допустимой температуры. Кроме этого, указывается допустимая мощность Р_доп при максималь- шой допустимой температуре. По стандартам для большинства термо­резисторов допускаются отклонения от номинальных значений на­чальных сопротивлений в пределах ±20%, при длительной выдержке ПТР при максимальной допустимой температуре допускается изме­нение сопротивления в пределах ± 3%, при хранении в течение 18 ме­сяцев изменение сопротивления не должно превышать =+= (1 -г- 3)%, при хранении до 10 лет изменение сопротивления может достигать ±30%. Однако опыт работы с ПТР показывает, что стабильность характеристик ПТР оказывается в большинстве случаев значительно выше указываемой в стандартах.

В настоящее время не на все типы выпускаемых ПТР имеются стандарты. Основные характеристики некоторых из этих типов ПТР, не вошедших в табл. 11-5, даны в табл. 11-6. В графе «постоянная В» приводятся два диапазона возможных значений В: первая строка относится к низким температурам, а вторая — к высоким. Номиналь­ные сопротивления ПТР типов КМТ-14, СТ1-18, СТЫ9 нормируются для 150 °С, остальные — для 20 °С.

Таблица 11-6

Тип ПТР	Номинальное сопротивле­ние, кОм	Постоянная В, Ю2 к	Диапазон рабочих температур, °С		Коэффи­циент рассея­ния, мВт/К	Постоян­ная вре­мени (не более), с
ММТ-б	10—100	20,6	—60.,	..+125	1,7	35
СТЗ-6	6,8—8,2	20,5—24	—90.,	..+125,	1,6	35
КМТ-10	100—3300	36	0..	,.125	—
СТ4-2	2,1—3,0	34,7—36,3	—60..	..+125	36	—
		36,3—41,2
СТ4-15	1,5—1,8	23,5—26,5	—60..	..+180	36	—
		29,3—32,6
СТ4-17	1,5—2,2	32,6—36	—80..	,.+100	2	30
КМТ-14	0,51—7500	41—70	—10..	,.+300	0,8	60
CT3-I4	1,5—2,2	26—33	—60..	,.+125	1,1	4
		27,5—36
СТ1-18	1,5—2200	40,5—90	—60..	,.+300	0,2	1
СТЗ-19	2,2—15	—	—90..	,.+125 1	0,5	3
СТЗ-25	3,3—4,5	26—32	— 100..	,.+125	0,08	0,4

. 11-5. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

Измерительные цепи терморезисторов строят обычно или на основе уравновешенных мостов или используя преобразование сопротивления в напряжение.

. На рис. 11-14, а показана упрощенная схема измерительной цепи самопишущего термометра типа КС. Металлический терморезистор R_e включается здесь в мост, образованный резисторами R_l9 R_2f R₃ и реохордом R_p. Мост питается от источника переменного напряжения 6,3 В через добавочный резистор /?_д. Выходное напряжение моста по­дается на усилитель неравновесия УЯ, управляющий работой двига­

теля Д, связанного с движком реохорда и пером самописца. Вращаясь, двигатель перемещает движок реохорда до тех пор, пока мост не при­дет в состояние равновесия. 220 В Перемещение движка пропор­ционально изменению сопро­тивления Я©, и шкала при­бора градуируется по темпе­ратуре.

Как видно из рис. 11-14, а, терморезистор в данном слу­чае присоединен к мостовой цепи с помощью трехпровод- ной линии связи. Благодаря этому уменьшается погреш­ность, вызываемая изменением сопротивления проводов ли­нии. Действительно, сопро­тивления проводов г_г и г₃ включены в соседние плечи моста (последовательно с Я© и R₃), а сопротивление прово-.» да г₂ включено последователь­но с источником питания. Та­ким образом, г₂ вообще не влияет на состояние равновесия, а влияния сопротивлений г_г и г₃ в зна­чительной степени компенсируют друг друга.

Если обозначить буквой г] относительное перемещение движка реохорда от нижнего по схеме зажима, то условие равновесия моста в схеме рис. 11-14, а запишется следующим образом:

Т):

(Я© + ' i + г|Я_р) - [Я, + (1 - тй /?_р] (Яэ + 'з). Из этого равенства соответственно найдем

— (#1 -f # р) + ^R2^ri — " 1' 3— Р' 3

R» (R*+Rs+rs)

Последнее соотношение позволяет количественно оценить влия­ние нестабильности сопротивлений г_х и г₃ на показания прибора т].

Широкое распространение цифровых вольтметров привело к тому, что в настоящее время получили применение измерительные цепи, основанные на преобразовании сопротивления в напряжение.

На рис. 11-14,6 показана схема преобразователя сопротивления в напряжение, содержащая неравновесный мост, в одно из плеч кото­рого включен по трех проводной схеме терморезистор Я©. Благодаря использованию в цепи операционного усилителя ОУ достигается ли­нейная зависимость выходного напряжения U_Bblx от сопротивления Я©. Напряжение на выходе ОУ, которое является напряжением питания моста, равно U = U₀ (Я1 + Я© + г_г + Выходное напряжение

Если R_t = R₂ = R₃ = R и Re = R + ЛЯ, то = U₀ {AR + n - r₃)/(2R).

Как видно из последнего выражения, сопротивления проводов г_г и г₃ компенсируют друг друга и при г_г — г₃ выходное напряжение ^вых — 0,5 U₀AR/R. Напряжение питания U₀ ограничивается зна­чением допустимого тока через терморезистор, ток через терморези­стор определяется формулой I = U₀iR_t.

Радикальным методом борьбы с влиянием проводов соединитель­ной линии является использование четырехпроводного включения терморезистора (см. § 3-5). Четырехпроводное включение показано на рис. 11-15, а. Через терморезистор протекает ток /₀, задаваемый стабилизатором тока или специальным источником с большим вну­тренним сопротивлением. Таким образом, сопротивления проводов г_х и а также изменение сопротивления R© не.влияют на ток /₀, Если для измерения напряжения U_nblx использовать вольтметр с высоким входным сопротивлением, то сопротивления проводов/₂ и г_ъ также не повлияют на результат измерения. Так обеспечивается практически полное исключение погрешностей, вызванных нестабильностью со­противлений проводов соединительной линии, а напряжение определяется простым соотношением U_Bblx = I₀Re-

моста определяется как

з

% j R?

Ч=Н

Re !

Рис. 11-15

Один из возможных вариантов цепи с источником тока и четырех - проводной соединительной линии показан на рис. 11-15, б. Источник тока здесь построен на основе операционного усилителя ОУ1 и рези­сторов с сопротивлениями R^ — R^. Как известно [1], если в такой цепи установить RJR₃ = R*/Rи то ток /₀, поступающий в терморези­

стор Re (при условии, что R? = оо), будет определяться соотношением I = V₀/R_a.

Операционный усилитель ОУ2 обеспечивает поддержание нуле­вого потенциала на нижнем зажиме терморезистора Re вне зависи­мости от сопротивления проводов г₃ и г₄. Благодаря этому напряже­ние между проводом г₂ и землей оказывается пропорциональным Re и отпадает необходимость в использовании дифференциального уси­лителя.

Построенный на основе операционного усилителя ОУЗ неинвер- тирующий усилитель обеспечивает выходное напряжение, равное

Если требуется, чтобы при начальном значении сопротивления терморезистора Rq — R₀ обеспечивалось равенство выходного на­пряжения U_BUK нулю, то отношение R₆/R₅ следует выбирать в соот­ветствии с равенством R_G/R_b = R0KR3 — Ro)- Тогда U_Bblx =

- U₀ (Re-RoViRs-Ro)-

Вводя в измерительную цепь (рис, 11-15,6) резистор R_7l можно скорректировать в некоторых пределах нелинейность преобразования температуры в сопротивление /?© (если таковая нелинейность имеется). При введении R₇ нужно скорректировать значения сопротивлений R_t — /?₄ так, чтобы выполнялось равенство R_A (R₃ + R₇)/(R₃R7) = = RJRx. При этом ток /₀ оказывается равным /₀ — U₀/R₃ + ^вых/^7.

Подставляя в выражение (11-7) найденные значения /₀ и /?₆//?₅, получим соотношение

V»*-= Re + ) (1 + " ,

из которого определим £/_вых как

г] т 1 ^Re~^Ro

^ивых ^и0 р _R о -j.

Подобным путем при правильном выборе элементов цепи удается скорректировать погрешность линейности платинового термометра сопротивления и уменьшить эту погрешность в диапазоне измерения О—400 °С до значения 0,1—0,2 °С. Без линеаризации погрешность линейности составляет около 8 °С.

Полупроводниковые терморезисторы имеют весьма нелинейную зависимость сопротивления от температуры (кривая 1 на рис. 11-16, а). Для полупроводниковых терморезисторов разработаны специальные линеаризующие цепи.

Простейшая из таких цепей образуется при шунтировании полу­проводникового терморезистора постоянным сопротивлением, как это показано на рис. 11-16,6. Линеаризованное сопротивление R'_e = = ReRif(R& + #1) изменяется в зависимости от температуры в соот­ветствии с кривой 2 на рис. 11-16, а. Для того чтобы получить точку перегиба кривой 2 при заданной температуре Т_а (Т_п целесообразно

задать в середине диапазона измеряемых температур), нужно выбрать R_t в соответствии с формулой

R_l = R_TjB-2T_n)/(B + 2T_n),

где Т_п — абсолютная температура, К; Rr — сопротивление терморе­зистора, соответствующее температуре Т_п.

(11-8)

Часто одновременно с линеаризацией проводят также унифи­кацию характеристик полупроводниковых терморезисторов, т. е. строят двухполюсники' с одинаковыми характеристиками при использовании в них терморезисторов с несколько различающимися параметрами. При этом измерительная цепь, естественно, усложняется. Один из возможных вариантов унифицирующей цепи показан на рис. 11-16, в. Сопротивление полученного двухполюсника определяется формулой Re = R₃ + (Re + Rd RARe + Ri + ^2)- Путем подбора сопро-

Увых

Рис. 11-16

В)

тивлений резисторов R_lf /?₂ и R_s можно совместить реальную харак­теристику с желаемой в трех точках. При этом средняя точка, соот­ветствующая перегибу зависимости сопротивления R& от темпера­туры, будет при температуре Г_п, если выполнено условие R_t 4- R₂ =

= Rr_n (В — 2Г_П)/(Б + 2Г_П).

По

Для линеаризации при работе с полупроводниковыми терморе­зисторами можно использовать также нелинейную зависимость напря­жения от одного из сопротивлений в резистивном делителе или не­равновесном мосте (см'. § 3-2 и 3-3). На рис. 11-16, г показана цепь подобного рода, содержащая операционный усилитель ОУ. В этой цепи напряжение с делителя R_u R© подается на неинвертирующий вход усилителя ОУ. Сопротивление выбирается в соответствии с вы­ражением (11-8). Сопротивления R₃ и R_z определяются исходя из тре­буемой чувствительности преобразования. Напряжение и_вых нахо­дится как

11-6. РАЗНОВИДНОСТИ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Кроме широко распространенных и описанных выше термочувствительных преобразователей — термопар и терморезисторов, в последние годы в измерительных

устройствах находят применение термочувствительные элементы, основанные на иных физических эффектах.

В высокоточных термометрах и вакуумметрах используются термочувствитель­ные пьезорезонаторы (см. § 6-3), в преобразователях тепловых излучений — пиро­электрические преобразователи (см. § 12-3), в приборах температурного контроля — сегнетокерамические емкостные преобразователи (см. § 7-1). Для измерения сверх­низких температур и для измерения очень высоких температур разрабатываются термошумовые преобразователи, выходной величиной которых является ЭДС шума резистивных элементов (см. § 5-1).^

ГТермодиоды и термотранзисторы находят применение в датчиках температуры, работающих в диапазоне от—80 до +150 °С. Верхняя граница температурного диапа­зона ограничивается тепловым пробоем р-я-перехода и для отдельных типов германие­вых датчиков достигает 200 °С, а для кремниевых датчиков — даже 500 °С. Нижняя граница температурного диапазона определяется уменьшением концентрации основ­ных носителей и может достигать для германиевых датчиков —(240 ч- 260) °С, для кремниевых —200 °С.

Основными преимуществами термодиодов и термотранзисторов являются малые габариты, возможность взаимозаменяемости и, главное, дешевизна, позволяющая применять их в датчиках одноразового употребления.

Связь между током / через р-л-переход и падением напряжения V на нем опре­деляется уравнением 1 = /₀ё~^в/т {e^qUI{kT) — где 1₀е"^в/т = /_нас — ток насыщения, зависящий от абсолютной температуры Т; /₀ — ток насыщения при Т -»оо; q = = 1,6-10~¹⁹ Кл — заряд электрона; к = 1,38* 10~²³ Дж/К — постоянная Больцмана. Это уравнение определяет ток через переход как при прямом (£/=+£/), так и при обратном {U = —т[)) смещении перехода. Однако, учитывая, что при температуре Т = 300 К значение kTJq — 26 мВ при напряжениях на переходе ] V j > 26 мВ, можно пользоваться приближенными формулами для прямого и обратного токов: /_пр= I^T"^BjTe^qU^^hT\ /_обI_Ge~^BjT. Как видно из приведенных формул, и прямой и обратный токи р-п-перехода являются функциями температуры, однако для изме­рения температуры чаще используются открытые р-п-переходы. Падение напря­жения на открытом р-п-переходе при токе / через переход определяется приближен­ной формулой

„ kT\n(I/I₀)+kB

из которой видно, что падение напряжения линейно зависит от температуры и умень­шается с увеличением температуры (/₀ > /). Температурная чувствительность

р-я-перехода по напряжению состав­ляет ^ 1,5мВ/К. Сравнивая меж­ду собой коэффициенты температурной чувствительности для падения напря­жения на р-п-переходе и термо-ЭДС термопар, работающих в этом же тем­пературном диапазоне (например, хро­мель — копель), можно сказать, что чувствительность р-п-перехода пример­но в 100 раз выше чувствительности термопар.

На рис. 11-17 представлена схема преобразователя температуры в часто­ту с диодом ТД типа Д9 в качестве термочувствительного элемента. Диод ТД подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, вы­полняющему функцию интегратора. На инвертирующий вход этого уси­лителя подается напряжение с дели­теля Ri. Делитель и термодиод питаются стабильным током (/_тд — I мА) от источ­ника опорного напряжения, задаваемого диодом Д1, Интегратор сбрасывается через транзистор 77, когда конденсатор С\ заряжается до напряжения 10 В. Время заряда

конденсатора и, следовательно, частота импульсов на выходе интегратора зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается напряжение на диоде ТД и увеличивается разность напряжений на входах усилителя. Регулировка чувствительности (5=10 Гц/К) осуществляется изменением сопротивления R₂, регулировка нуля — изменением сопротивления /?_д. Диапазон измерений преобра­зователя 0—100 °С, погрешность не превышает =1=0,3

^""Позисторы, критезисторы. В настоящее время известен ряд материалов, для которых наблюдается резкое изменение проводимости в относительно узком диапазоне

температур, близком к температуре фазового пере­хода для данного материала, т е. к температуре точки Кюри. Резисторы, которые характеризуются особенно большим значением ТКС в окрестности критической температуры, в ряде работ получили название критезисторов. В зависимости от мате­риала проводимость в критической области темпе­ратур может как уменьшаться, так и увеличиваться. Так, серия резисторов типа СТ6, разработанных па базе титаната бария BaTi0_3l имеет высокие положи-

15 мА

Рис. 11-18

тельные ТКС в области температур 65—150 ^сС. Полупроводниковые резисторы с положительными ТКС получили название позисторов. Температурные зависимости сопротивления некоторых типов позисторов показаны на рис. 11-18, а. В узком тем­пературном диапазоне зависимость сопротивления позистора от температуры может быть приближенно выражена формулой R_Q — Ае^аТ, где А — постоянная, имеющая

размерность сопротивления; а — температурный коэффициент, К^-1.

Зависимости а от температуры приведены на рис. 11-18, б. Статические вольт- амперные характеристики, представляющие собой зависимость между током через позистор и напряжением на нем в условиях теплового равновесия с внешней средой, имеют за счет саморазогрева выраженный участок с отрицательным сопротивлением. На рис. 11-18, в показаны вольт-амперные характеристики 1, 2 и 3 позистора СТ6-1Б (Я©=о₀°с ³⁼⁸ Ом), снятые в спокойном воздухе при температурах 20, 40 и 70 °С соответственно. Там же для сравнения дана вольт-амперная характеристика 4 полу­проводникового резистора КМТ-1 (#₀₌2О°с⁼ 35 кОм).

Резисторы на основе двуокиси ванадия V0₂ имеют отрицательный температурный коэффициент в области температур 60—80 °С. На основе V0₂ выпускаются резисторы СТ9-1А и СТ9-1Б (критезисторы), выполненные в виде прямоугольных штабиков

и герметизированные в стеклянных баллонах диаметром 6 мм и длиной 60 мм, а также изготовляются пленочные элементы путем напыления металлического ванадия на слюдяную подложку с последующим его окислением. Пленочный термочувствитель­ный элемент может быть смонтирован в корпусе маломощного транзистора.

На рис. 11-19, а приведена зависимость Я = / (О) для критезистора СТ9-1А. В диапазоне 60—80 °С ТКС приближенно составляет от —I до —1,5 К"¹, погрешность гистерезиса не превышает 3 °С. По данным И. 3. Окуня и В. В. Шаповалова, сопро­тивление пленочного элемента изменялось от нескольких десятков килоом до сотен ом при изменении температуры от 62 до 68 °С. На рис. И-19, б показаны вольт-ампер- иые характеристики критезистора при разных температурах.

Позисторы и ванадиевые критезисторы используются для измерения температуры в узком температурном диапазоне, в окрестности критической температуры, обладая в этом диапазоне повышенной по сравнению с другими термочувствительными эле­ментами чувствительностью. Это позволяет применять их в термосигнализаторах и температурных реле.

и I ~66°С. Lojon				ч
| Z, '22%,
	J	хч
4	У/		N			)2°С '2°С 1
Лг	У						I

0,01 0,1 1,0 10 100 1000 мА

I)

В

10

1,0

0,1

0_t01

0.001 ' л

о)

Ом •3000

т ю

Р

и

т*

60-30 О 30 60 90 °0

Рис. 11-19

Кроме этого, прн подогреве для критезисторов может быть обеспечен режим автостабилизации температуры независимо от изменения температуры окружающей среды. Это обстоятельство позволяет разрабатывать на базе указанных материалов самокомпенсирующиеся термостаты, а также использовать критезисторы для изме­рения температуры в области, лежащей ниже критического диапазона. При этом критезистор с положительным ТКС должен работать в режиме заданного напряже­ния, а критезистор с отрицательным ТКС—в режиме заданного тока.

Рассмотрим эти возможности на примере критезистора с отрицательным ТКС. При разогреве критезистора проходящим по нему током до температуры ©, близкой к критическому диапазону, сопротивление его начинает падать, соответственно умень­шаются падение напряжения на критезисторе, выделяемая в нем мощность и темпе­ратура разогрева.

Уравнение теплового баланса критезистора запишется в виде

U/o^fer.o (О_кх— ©_ср),

где U и /₀ — напряжение на критезисторе и стабилизированный ток через него; k-i.o — коэффициент теплоотдачи критезистора; ©_кх — температура критезистора; ©_ср — температура среды, окружающей критезистор.

Температура критезистора ©_кт автоматически стабилизируется на уровне темпе­ратуры, близкой к точке Кюри %_к. Таким образом, при изменении температуры окру­жающей среды и постоянном коэффициенте k_{T 0} напряжение на критезисторе будет изменяться и в первом приближении эти величины связаны линейной зависимостью

U = (const — k._t .о©_ср)//о-

При высоком коэффициенте стабилизации по температуре погрешность линей­ности зависимости V = f (©_ср) не превышает 1—2%. Чувствительность пленочного преобразователя в диапазоне температур ±35 °С составляла 50—100 мВ/К. Пре­образователи легко сделать взаимозаменяемыми, корректируя разброс значений коэффициента теплоотдачи k_{J 0} изменением питающего тока.

11-7. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕРМОПАРЫ И ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Термопары промышленного типа выпускаются в СССР в соответствии с ГОСТ 6616—74, градуировочные таблицы термопар даны в ГОСТ 3044—77, а также в стан­дарте СТ СЭВ 1059—78, Типы промышленных термопар, их обозначения, обозначе­ния градуировок и основные параметры приведены в табл. 11-7. В ГОСТ 6616—74 приводится пять термопар, в стандарте СТ СЭВ 1059—78 — девять термопар. Термо­пара хромель-алюмелевая (тип ТХА) в СТ СЭВ 1059—78 не указана, но ее характе­ристики совпадают с характеристиками термопары типа К. В табл. 11-7 данные по термопаре ТХА приведены в скобках.

Таблица 11-7

Материал термо­электродов по СТ СЭВ 1059—78	Обозначе­ние типа термопары по			Обозначение градуировки по ГОСТ 6616—74	Класс точности		Пределы измерения при длительном применении, СС	Макси­мальная темпера­тура кратковре­менного режима работы, ес
	СТ СЭВ 1059—78	ГОСТ 1 6616—74
Медь — копель Медь-медноникелевый Железо-медн он ике ле­вый Хромель — копель Хромель -медноникеле- вый	I Е	тхк	1F 111		—	—200...+100 —200...+400 —200 ♦.. +700 —50... +600 —100... +700		900 800 900
Хромель — алюмель	К	(ТХА)	(ХА68)		—	—200... +J000 (—50)... (+1000)		1300 (1300)
Платинородий (10%)— платина	S	ТПП	ппе8		1 2	0... + 1200 0...+1300		1600
Платинородий (30%)— платинородий (6%)	В	ТПР	ПР-30/668		—	+300...+1600		1800
Вольфрамрений (5%)— вольфрамрений (20%)		ТВР	ВР-Б/20-1е8 ВР-5/20-2е8 ВР-5/20-Зе8 ВР-5/2068			0...+2200		2500

Для измерения температур ниже —50 °С могут найти применение специальные термопары, например медь—констаптан (до —270 ^сС). Для измерения температур выше 2500 °С изготовляются термопары на основе карбидов металлов — титана, циркония, ниобия, талия, гафния (теоретически до 3000—3500 ^сС), на основе углеро­дистых и графитовых волокон.

Градуировочные характеристики термопар основных типов (ГОСТ 3044—77) в сокращенном объеме приведены в табл. II-8. Там же даны градуировочные харак­теристики термопар типов 1, К и В из СТ СЭВ 1059—78. В табл. 11-8 указана темпе­ратура рабочего спая © в градусах Цельсия и приведены значения термо-ЭДС соот­ветствующих термопар в милливольтах при температуре свободных концов 0 °С. Градуировочные характеристики по ГОСТ 3044—77 и СТ СЭВ 1059—78 для неко­торых значений температур различаются в третьем знаке.

Тип термо­пары	Обозначение градуировки	Значение термо-ЭДС, мВ, при температуре рабочего спая, °С
		—200 | —150 | —100 | -80 | —50 | —20	0	20	40	60	100	150	200	250	300
I	—	—7,890| —6,499| —4,632| —3,785| —2,4311 —0,995	0	1,019	2,058	3,115	5,268	8,008	10,777	13,553	16,325
К (ТХА)	—	5,892| —4,913| —3,553| —2,920| —1,889| —0,777	0	0,798	1,611	2,436	4,095	6,137	8,137	10,151	12,207
тхк	ХК68	- | —3,11 | —1,27	0	1,303	2,658	4,050	6,898	10,624	14,570	18,690	22,880
тпп	пп68	—	0	0,113	0,234	0,363	0,644	1,026	1,436	1,867	2,314
твр	вр-5/20-1е8 вр-5/20-2е8 вр-5/20-зе8	—	0 0 0	0,250 0,252 0,248	0,508 0,512 0,504	0,774 0,780 0,768	1,330 1,340 1,320	2,075 2,094 2,055	2,869 2,899 2,840	3,688 3,728 3,649	4,519 4,569 4,470
	вр-5/2068	—
в (тпр)	ПР-30/6е8	-										0,443