Терморезисторы
В современном промышленном производстве производится измерение множества различных физических величин. Из них массовый и объемный расход составляет 15%, уровень жидкостей 5%, время не более 4%, давление около 10% и так далее. А вот измерение температуры составляет почти 50% от общего количества технических измерений.
Такой высокий процент достигается числом точек измерения. Так на среднего размера атомной электростанции температура может измеряться примерно в 1500 точках, а на крупном химзаводе это количество достигает двадцати и более тысяч.
Такое количество говорит не только о широком разнообразии средств измерений и как следствие множестве первичных преобразователей и датчиков температуры, а также о постоянно возрастающих требованиях к точности, быстродействию, помехоустойчивости и надежности приборов измерения температуры.
Основные виды температурных датчиков, принцип работы
Практически все температурные датчики, применяемые в современном производстве, используют принцип преобразования измеряемой температуры в электрические сигналы. Такое преобразование основано на том, что электрический сигнал возможно передавать с высокой скоростью на большие расстояния, в электрические же сигналы могут быть преобразованы любые физические величины. Преобразованные в цифровой код эти сигналы могут быть переданы с высокой точностью, а кроме того введены для обработки в компьютер.
Термопреобразователи сопротивления
Их также еще называют терморезисторами. Принцип действия их основан на том, что все проводники и полупроводники имеют Температурный Коэффициент Сопротивления сокращенно ТКС. Это примерно то - же, что и известный всем коэффициент температурного расширения: при нагревании тела расширяются.
Следует заметить, что все металлы обладают положительным ТКС. Другими словами электрическое сопротивление проводника увеличивается при возрастании температуры. Здесь можно вспомнить тот факт, что лампы накаливания перегорают чаще всего в момент включения, пока спираль холодная и сопротивление ее невелико. Отсюда и повышенный ток при включении. Полупроводники имеют отрицательный ТКС, при увеличении температуры их сопротивление уменьшается, но об этом будет сказано чуть выше.
Металлические терморезисторы
Прежде всего, материал для изготовления температурных датчиков, должен обладать достаточно большим ТКС, а зависимость сопротивления от температуры должна быть достаточно линейной в широком диапазоне температур. Кроме того металлический проводник должен быть инертен к воздействию окружающей среды и обеспечивать хорошую воспроизводимость свойств, что позволит производить замену датчиков не прибегая к различным тонким настройкам измерительного прибора в целом.
По всем указанным свойствам почти идеально подходит платина (если не считать высокой цены), а также медь. Такие терморезисторы в описаниях называются медные (ТСМ-Cu) и платиновые (ТСП-Pt).
Терморезисторы ТСП могут использоваться в диапазоне температур -260 - 1100°C. Если измеряемая температура находится в пределах 0 - 650°C, то датчики ТСП могут использоваться в качестве эталонных и образцовых, поскольку нестабильность градуировочной характеристики в этом диапазоне не превышает 0,001°C. К недостаткам терморезисторов ТСП можно отнести высокую стоимость и нелинейность функции преобразования в широком диапазоне температур. Поэтому точное измерение температур возможно лишь в указанном в технических данных диапазоне.
К недостаткам рассмотренных датчиков следует отнести их низкое быстродействие: тепловая инерционность (постоянная времени) таких датчиков находится в пределах от десятков секунд до нескольких минут. Правда, изготавливаются и малоинерционные терморезисторы, постоянная времени которых не более десятых долей секунды, что достигается за счет их малых габаритов. Такие терморезисторы изготавливают из литого микропровода в стеклянной оболочке. Они высокостабильны, герметизированы, и малоинерционны. Кроме того при малых габаритах имеют сопротивление до нескольких десятков килоОм.
Позисторы
Терморезисторный блок РТС-2Р с положительным коэффициентом сопротивления предназначен для эксплуатации в качестве встроенных элементов в схемах размагничивания кинескопов телевизоров цветного изображения в цепях переменного тока частотой 50 Гц. Климатическая категория:-10/70/10
Применение:
- измерение и регулирования температуры, включая криогенный диапазон;
- температурная компенсация в электронных схемах;
- тепловой контроль и пожарная сигнализация;
- датчики расхода различных сред тепла.
Назначение:
Терморезисторы прямого подогрева с отрицательным ТКС предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего и переменного тока частотой до 400 Гц в импульсных режимах, для измерения и регулирования температуры, а также для температурной компенсации элементов электрической цепи с положительным температурным коэффициентом сопротивления.
Варисторы
Обозначение на схеме
Вари́стор (англ. vari(able) (resi)stor — переменный резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). В русскоязычной литературе часто применяется термин разрядник для обозначения варистора или устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) на основе варистора.
Изготовление
Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника — преимущественно порошкообразного карбида кремния SiC или оксида цинка ZnO, и связующего вещества (глина, жидкое стекло, лаки, смолы и др.). Далее поверхность полученного элемента металлизируют и припаивают к ней выводы.
Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и плёночные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.
Свойства
Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.
Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности λ — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению Rd:
,
где U и I — напряжение и ток варистора.
Применение
Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.
Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.
Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.
Как электронные компоненты, варисторы дёшевы и надёжны, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц). Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры.
Параметры
Вольт-амперная характеристика
Классификационное напряжение, В — напряжение при определённом токе (обычно изготовители указывают при 1 мА), практической ценности не представляет.
Рабочее напряжение (Operating voltage) В (для пост. тока Vdc и Vrms — для переменного) — диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ; данное напряжение должно быть превышено только при перенапряжениях.
Рабочий ток (Operating Current), А — диапазон — от 0,1 мА до 1 А
Максимальный импульсный ток (Peak Surge Current), А
Поглощаемая энергия (Absorption energy), Дж
Коэффициент нелинейности
Температурные коэффициенты (статич. сопротивления, напряжения, тока) — для всех типов варисторов не превышает 0,1 % на градус