§ 9.5. Применение терморезисторов

При использовании терморезисторов в качестве датчиков систем ав­томатики различают два основных режима. В первом режиме темпе­ратура терморезистора практически определяется только температу­рой окружающей среды. Ток, проходящий через терморезистор, очень мал и практически не нагревает его. Во втором режиме тер­морезистор нагревается проходящим по нему током, а температура терморезистора определяется изменяющимися условиями теплоот­дачи, например интенсивностью обдува, плотностью окружающей газовой среды и т. п.

При использовании терморезисторов в первом режиме они иг­рают роль датчиков температуры и называются обычно термометра­ми сопротивления. Наибольшее распространение получили термо­метры сопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные), включаемые в мостовую измерительную схему.

В процессе измерения температуры с помощью термометров со­противления могут возникать следующие погрешности: 1) от коле­бания напряжения питания; 2) от изменения сопротивления соеди­нительных проводов при колебаниях температуры окружающей сре­ды; 3) от собственного нагрева датчика под действием протекающего через него тока.

Рассмотрим схему включения термометра сопротивления (рис. 9.5), в которой приняты меры для уменьшения отмеченных трех видов погрешностей. Для уменьшения погрешности от колеба­ний напряжения питания используется измерительный прибор ло-гометрического типа (см. гл. 2). Угол отклонения подвижной систе­мы логометра пропорционален отношению токов в двух катушках, одна из которых создает вращающий, а вторая — противодействую­щий моменты. Через одну катушку проходит ток разбаланса, зави­сящий от сопротивления терморезистора RT. Вторая катушка пита­ется тем же напряжением, что и мостовая измерительная схема.

При колебаниях напряжения пита­ния одновременно будут изменяться токи в обеих катушках, а их отно­шение будет оставаться постоян­ным.

В автоматических уравновешен­ных мостах колебание напряжения питания не приводит к появлению пропорциональной погрешности измерения, незначительно изменя­ется лишь порог чувствительности.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соеди­нительных проводов необходимо правильно выбирать сопротивление датчика. Эта погрешность сводится к минимуму, если сопротивление датчика выбрать из условия Кя» Лпр, где Л„р — сопротивление соединительных проводов. При бо­льших расстояниях (сотни метров) П„р может достигать 3—5 Ом. Еще одним способом уменьшения погрешности от температурных изменений сопротивления соединительных проводов является при­менение многопроводных схем. На рис. 9.5 показана схема включе­ния датчика Rs в мостовую схему посредством трех проводов (а, б, в). Сопротивления проводов а и б включены в смежные плечи мос­та, поэтому одновременное их изменение не нарушает равновесия моста. Сопротивление проводов в вообще не входит в мостовую схе­му. Погрешность за счет самонагрева датчика может быть учтена при градуировке шкалы измерительного прибора.

При быстром изменении температуры появляется динамическая погрешность, обусловленная тепловой инерцией датчика. Передача теплоты от измеряемой среды к терморезистору происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени.

Для количественной оценки тепловой инерции датчика пользу­ются понятием «постоянная времени»:

где сд — удельная теплоемкость датчика; /яд — масса датчика; А: — коэффициент теплопередачи; s — поверхность соприкосновения со средой.

Если холодный датчик поместить в среду с температурой Гср(°С), то его температура будет изменяться во времени по следую­щему закону:

Чем больше постоянная времени t, тем больше пройдет време­ни, пока температура датчика сравняется с температурой среды. За время /=т датчик нагреется только до температуры Гср = 0,63 °С, а за время /=4,6т — до температуры Гср = 0,99 °С. Графиком уравне­ния (9.11) является экспонента, показанная на рис. 1.3, в.

Рассмотрим теперь некоторые примеры использования собст­венного нагрева терморезисторов в устройствах для измерения раз­личных физических величин, косвенно связанных с температурой.

Автоматическое измерение скорости газового потока проводит­ся с помощью термоанемометра. Датчик этого прибора (рис. 9.6, а) состоит из терморезистора, представляющего собой тонкую плати­новую проволоку 7, припаянную к двум манганиновым стержням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 тер­морезистор включается в измерительную схему. Через терморези­стор пропускается ток, вызывающий его нагрев. Но температура (а следовательно, и сопротивление) терморезистора будет определять­ся скоростью газового потока, в который помещен датчик. Чем бо­льше будет эта скорость, тем интенсивнее будет отводиться теплота от терморезистора. На рис. 9.6, б показана градуировочная кривая термоанемометра, из которой видно, что при увеличении скорости примерно вдвое сопротивление терморезистора уменьшается при­мерно на 20 %.

На аналогичном принципе основана работа электрического га­зоанализатора. Если взять два одинаковых саморазогреваемых тер­морезистора и поместить один в камеру, наполненную воздухом, а другой — в камеру, наполненную смесью воздуха с углекислым га-

зом СО2, то из-за различной теплопроводности воздуха и углекисло­го газа сопротивление терморезисторов будет разным. Так как теп­лопроводность углекислого газа значительно меньше теплопровод­ности воздуха, то и отвод теплоты от терморезистора в камере с СО2 будет меньше, чем от терморезистора в камере с воздухом. По раз­нице сопротивлений терморезисторов можно судить о процентном содержании углекислого газа в газовой смеси.

Зависимость теплопроводности газа от его давления позволяет использовать терморезисторы с собственным нагревом в электриче­ских вакуумметрах. Чем глубже вакуум (т. е. более разрежен газ), тем хуже условия теплоотдачи с поверхности терморезистора, поме­щенного в вакуумную камеру. Если через терморезистор пропускать ток для его нагрева, то температура терморезистора будет возрастать при уменьшении давления контролируемого газа.

Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять процентное содержание газов в смеси. Кроме платины в таких приборах используют вольфрам, никель, полупроводниковые терморезисторы. Для того чтобы исключить влияние колебаний температуры окружающей среды, стремятся обеспечить достаточно интенсивный собственный нагрев (до 200—500 °С).

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия терморезистора.

2. Какие материалы применяют для металлических терморезисторов?

3. Как изменяется сопротивление полупроводникового терморезистора при нагреве?

4. Назовите три причины погрешности термометров сопротивления.

Соседние файлы в папке Раздел 2