27. Терморезистивные преобразователи. Принцип действия. Основные разновидности терморезисторов, применяемые в авиации. Математические модели в статике и динамике.Особенности конструкции датчика.

Электрические термометры сопротивления применяются в авиации для измерения температуры масла и воздуха внутри и снаружи кабин, они основаны на изменение сопротивления или проводимости от температуры.

Для металлов обычно принимают, что сопротивление является линейной функцией температуры, т.е.

,

где R и R₀ – сопротивления, соответствующие температурам θ и θ₀; α– тем­пературный коэффициент сопротивления.

Для температур ниже 0С справедливо соотношение:

.

Уравнение (20) справедливо при малых отклонениях температуры.

Материалы, предназначенные для теплочувствительного элемента, должны удовлетворять ряду требований: иметь стабильную и хорошо воспроизводимую монотонную зависимость сопротивления от температуры и достаточно высокое значение ТКС, определяемого выражением:

их физические и химические свойства должны ос­таваться стабильными во времени в рабочем диа­пазоне температур. Не должны быть чувствитель­ными к изменениям других внешних параметров, таких как давление, влажность, напряжённость магнитного поля, загрязнение и др.

Полупроводниковые преобразователи (термисторы)

Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность сопротивления к температуре, на порядок и более превышающая чувствительность металлов.

Термисторы широко используются для измерения температур в диапазоне (–100 +300) °С. Исходными материалами для изготовления термисторов служат смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со специальным веществом в нужном соотношении; прессованием им придают необходимую форму, их спекают при температуре, близкой к температуре плавления используемых оксидов.

Зависимость сопротивления термисторов от температуры описывается выражением:

где R₀ – сопротивление термистора при Т=273, T=273°+θ – абсолютная температура; B – постоянная материала.

1. Теплоёмкость терморезистора (С) – количество тепла, которое может аккумулировать терморезистор при изменении его температуры на 1 °С:

,

где W_T – тепло, выделенное в теле терморезистора; W_α – тепло, рассеянное в окружающую среду. С однозначно определяется температурой терморезистора и численно равна энергии, которую необходимо сообщить терморезистору, чтобы изменить его температуру на 1°С.

2. Динамический коэффициент рассеяния мощности к_Д:

где ; k_Д - определяется температурой терморезистора Т, температурой окружающей среды θ и зависит от термодинамических свойств последней, площади и природы поверхности терморезистора.

3. Тепловая постоянная времени τ:

4. Электрическая постоянная времени терморезистора τ_e характеризует скорость изменения тока и напряжения в процессе их установления. Электрическая постоянная времени τ_e связана с тепловой постоянной времени τ и динамическим множителем D соотношением:

5. Динамический множитель:

или

Для измерения температуры наружного воздуха используется термометр ТНВ-15 с проволочным термопреопреобразователем П-5. Его теплочувствительный элемент 1 (рис.9) размещается в корпусе, внутренний канал которого расточен по профилю сопла Лаваля 2. Корпус, в свою очередь, крепится к основанию 4 с помощью полого откоса 3. Внутри откоса размещён подгоночный резистор 5 из манганита. Термопреобразователь П-5 устанавливается на борту самолёта так, чтобы продольная ось его корпуса совпадала с направлением набегающего потока воздуха.

Рис.1 Устройства терморезисторного термометра ТНВ-15:

1 – теплочувствительный элемент; 2 – внутренний канал корпуса; 3 – полый откос; 4 – основание; 5 – подгоночный резистор.

Принципиальная электрическая схема термометра ТНВ-15 показана на рис.2. Это четырёхплечий неуравновешенный мост с магнитоэлектрическим логометром. Примененный логометр с подвижными рамками имеет увеличенный размах шкалы термометра, однако ему свойственен ряд недостатков, связанных с малой вибропрочностью и сложностью конструкции подвижной системы. К одной из диагоналей которого подается питание от сети постоянного тока 27 В. Во вторую диагональ включены две рамки логометра.

Сопротивления R_l, R₂, R₄, R₆, R₉, R₁₀ выполнены из манганина, сопротивления R₃, R₅, служащие для температурной компенсации, — из меди.

Равновесие моста обусловлено равенством

R₉R₄=(R₁₁+R₁₀)(R₂+R₃).

В этом случае в рамках логометра протекают равные по вели­чине токи. Взаимодействуя с неравномерным полем постоянного магнита логометра, рамки устанавливают подвижную систему и стрелку указателя против среднего деления шкалы.

При любом другом значении температуры сопротивление приемника имеет определенную величину, равновесие моста нарушается, изменяется соотношение токов в рамках, причем каждому отношению токов соответствует единственное положение подвижной системы.

Диапазон измерения температуры ТНВ-15 от -60 °С до +150 °С с показывающим прибором ТНВ-1. Основная погрешность измерения температуры на рабочем участке диапазона измерения приборов не превышает 4 °С.