Лабораторна робота № 4 Дослідження датчиків температури

Мета роботи:ознайомлення з конструкцією напівпровідникових резисторів (термісторів) і термопарами і методами визначення їх параметрів і характеристик.

Короткі відомості з теорії

Датчики температури використовуються в системах автоматики для вимірювання, контролю і регулювання температури. Найбільше розповсюдження отримали термометри опору і термопари. Термометри опору мають чутливий елемент металевого напівпровідникового характеру, опір яких залежить від температури. Різниця між ними в тому, що в термометрах з металевим чутливим елементом опір R від температури t змінюється лінійно (1, рис. 1), а в термометрах з напівпровідниковим чутливим елементом – нелінійно (2, рис. 1), з негативним температурним коефіцієнтом опору . Графіки статичних характеристик дозволяють оцінити коефіцієнт .

(1)

Рис. 1. Статичні характеристики термометрів опору

Як було визначено раніше, різниця R₂ –R₁ позитивні для металів, тому їх  є позитивною величиною. Для термісторів, навпаки R₂ –R₁ є негативною величиною і коефіцієнт  буде також негативним.

Температурна залежність опору термістора від температури має вигляд:

, (2)

Де а– постійний коефіцієнт, що залежить від фізичних властивостей, геометричної форми і розмірів термістора,Ом;

В – постійний коефіцієнт, залежний тільки від фізичних властивостей напівпровідника,К;

Т – температура за Кельвіном.

При визначених опорах К_Т1 та К_Т2 для температур Т₁ і Т₂ коефіцієнт В можна розрахувати за формулою

(3)

Знаючи коефіцієнт В та опір R_Т1 термістора при температурі Т₁ , можна визначити опір при будь-якій температурі:

(4)

Температурний коефіцієнт опору

(5)

де Т₁ – менша з двох температур , за якими визначено коефіцієнт В.

Температурний коефіцієнт опору залежить від коефіцієнта В, який коливається від 2000 К до 5000 К і при температурі t = 20 С може бути від 1,5 до 7 % /С за абсолютною величиною.

Термістори ММТ, які використовуються в лабораторній роботі, виготовлені з мідно-марганцевого матеріалу і являють собою стержень, укладений в металеву капсулу (1) з контактним ковпачком (3) і виводами 2 (рис. 2). Струм, який протікає по термістору і не викликає перегрів і порушення в роботі, звичайно обмежений потужністю в 2…5 мВт. При таких потужностях вольтамперна характеристика термістора буде мати лінійну ділянку, що значно поліпшує виміри.

Рис. 2. Термістор ММТ

Термопара являє собою спай двох різноманітних сплавів (1, 2), виготовлених з неблагородних або благородних металів (рис. 3).

Рис. 3. Схема термопари Рис. 4. Схема термопари з мілівольтметром

Найбільш розповсюдженими є термопари ТХА (хромаль-алюмелева), ТХК (хромаль-копелева) і ТПП (платинородій–платинова). Термопари працюють на основі термоелектричного явища, яке було відкрито в 1821 році вченим Т. Зеебеком. Це явище полягає в тому, що при наявності різниці температур t₁ , t₂ в точках дотику (спаях) виникають електрорухомі сили (термо ЕРС). Для включення приладу необхідно розірвати коло термопари в спаї з температурою t₂ (холодний спай). Таким чином буде схема (рис. 4) з трьома спаями. Два спаї будуть холодними і їх температура повинна бути постійною і дорівнювати t₀ , та один гарячій спай з температурою t₁, яку необхідно вимірювати. Температуру t₀ бажано підтримувати на рівні 0 С. Генерована термопарою ЕРС залежить від температури t₁ згідно з формулою

,

де a, b і с – коефіцієнти, постійні для даної термопари.

Статична характеристика термопари Е = f (t₁) зображена на рис. 5.

Абсолютне значення термо-ЕРС промислових термопар дуже мало (декілька мілівольт), тому для вимірів необхідно використовувати достатньо чутливі прилади. В тих випадках, коли треба мати більшу термо-ЕРС, використовують послідовне включення термопар. При таких потужностях вольт-амперна характеристика термістора має лінійну ділянку і це значно поліпшує виміри.

Рис. 5. Статична характеристика термопари