§ 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 R_T. 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 К_я» 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 R_s 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.

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

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

Если холодный датчик поместить в среду с температурой Г_ср(°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 Г_ср = 0,63 °С, а за время /=4,6т — до температуры Г_ср = 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.