Тепловые преобразователи (стр. 4 из 6)
Чтобы уменьшить погрешность от падения напряжения на внутреннем сопротивлении термопары, милливольтметры, как правило, градуируются по температуре в комплекте с термопарой с указанием сопротивления линии (обычно 5 Ом), которое подгоняется изменением сопротивления добавочной катушки непосредственно при монтаже прибора. При соблюдении этих условий погрешность возникает при изменении сопротивления термоэлектродов в результате окисления в процессе эксплуатации, при изменении сопротивления термопары при разных глубинах ее погружения, при изменении сопротивления удлинительных термоэлектродов и соединительных проводов в зависимости от темлературы окружающей среды.
4. ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ, ОСНОВЫ ИХ РАСЧЕТА И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Для измерения температур используются терморезисторы из материалов, обладающих высокостабильным ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.
Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до +650 °С выражается соотношением RQ= R0 (1 + АQ + ВQ2), где R0— сопротивление при 0 °С; Q— температура, °С. Для платиновой проволоки с отношением R100/Ro= 1,385 значения А = 3,90784·10-3 Кг-1; В = 5,7841-10-7 К-2. В интервале температур от 0 до —200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид RQ= R0[1 + АQ + ВQ2 + С (Q — 100) Q3], где С = = —4,482-10-12 К-4. Промышленные платиновые термометры согласно ГОСТ 6651—78 используются в диапазоне температур от —260 до + 1100 °С.
Миниатюрные высокоомные платиновые терморезисторы изготовляют путем вжигания или нанесения иным путем платиновой пленки на керамическое основание толщиной 1—2 мм. При ширине пленки 0,1—0,2 мм и длине 5—10 мм сопротивление терморезистора лежит в пределах 200—500 Ом. Такого рода термочувствительные элементы при нанесении пленки с обеих сторон используются для измерения температурного градиента и имеют порог чувствительности (1 ¸ 5)10-5 К/м.
При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне температур от —50 до +180 °С можно пользоваться формулой RQ= R0(1 + aQ), где a= 4,26-10-3 К-1; R0— сопротивление при 0 °С. Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление RQ, (при температуре Q2) по известному сопротивлению RQ1
(при температуре Q1), то следует пользоваться формулой
RQ2= RQ1(1 + aQ2)/(1 + aQ1).
Медный терморезистор можно применять только до температуры 200°С в атмосфере, свободной от влажности и корродирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивления равен —200°С, хотя при введении индивидуальной градуировки возможно их применение вплоть до —260 °С.
Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным
током. В частности, В. И. Лахом для определения допустимого измерительного тока через термометр в диапазоне измеряемых температур до 750 °С приводится соотношение
I = 2d1,5DQ0,5, где I— ток, А; d— диаметр проволоки термометра, мм; DQ— допустимое приращение показаний термометра за счет его нагревания током. В диапазоне температур от —50 до +100 °С перегрев находящегося в спокойном воздухе провода диаметром d= 0,05 ¸ 0,1 мм определяется из формулы DQ = 5I2/d2.
Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС.
ТКС полупроводниковых терморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры: a= В/Q2. При 20 °С ТКС составляет 0,02—0,08 К-1.
Температурная зависимость сопротивления ПТР (рис. 11, кривая 2) достаточно хорошо описывается формулой RQ = АеВ/Т, где Т — абсолютная температура; А — коэффициент, имеющий размерность Сопротивления; В — коэффициент, имеющий размерность температуры. На рис. 11 для сравнения приведена температурная зависимость для медного терморезистора (прямая 1).
Если для применяемого ПТР не известны коэффициенты А и В, Но известны сопротивления R1 и R2при Т1 и Т2, то сопротивление и коэффициент В для любой другой температуры можно определить из соотношений:
Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры (рис. 11) и значительный разброс от образца к образцу как номинального сопротивления, так и постоянной В
CT4-16
Рис. 12
Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 12 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.
Терморезисторы типов ММТ-4а и КМТ-4а заключены в металлические капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы при любой влажности и даже в жидкостях, не являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.
Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 имеют каплевидную форму. Для герметизации чувствительный элемент в них оплавлен стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность. В терморезисторе СТЗ-25 чувствительный! элемент также помещен в стеклянную оболочку, диаметр которой доведен до 0,5—0,3 мм. Терморезистор с помощью выводов прикреплен к траверсам.
Терморезистор СТ4-16, в котором для герметизации термочувствительный элемент в виде бусинки оплавлен стеклом, обладает повышенной стабильностью и относительно малым разбросом номинального; сопротивления (менее ±5%). Терморезистор СТ17-1 предназначен для работы в диапазоне низких температур (от —258 до +60 °С).' При температуре кипения жидкого азота (—196 °С) его ТКС составляет от —0,06 до
—0,12К-1 при температуре —252,6 °С ТКС возрастает и достигает значения от —0,15 до —0,30 К-1, постоянная времени при погружении в жидкий азот не превышает 3 с. Терморезистор СТ18-1 рассчитан на работу в температурном диапазоне от +200 до +600 "С, его ТКС при +250 °С составляет —0,034 К-1, при 600 °С равен —0,011 К-1"1.
В табл. 11-5 приведены характеристики для некоторых типов ПТР, взятые из соответствующих стандартов. В графе «номинальное сопротивление» приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений.
Таблица 5
| ТипПТР | Номинальноесопротивлениепри 20°С, кОм | Посто-яннаяВ, 102 К | Диапазон рабочих температур, °С | Мощность рассеяния | ТКСпри 20 °С, К-1' | Постоянная времени, с | ||
| Pmin, мВт | Pmax,Вт | Pдоп, мВт | ||||||
| КМТ-1КМТ-8 | 22—1000 0,1-10 | 36-72 | —60 ... +180 -45 ... +70 | 1,0 3,0 | 1,0 0,6 | 0,3 1,0 | —0,042...—0,084 | 85115 |
| ММТ-1 | 1-230 | 20,6—43 | —60 ... +125 | 1,3 | 0,6 | 0,4 | —0,024…—0,05 | 85 |
| ММТ-8 | 0,001-0,047 0.056—0,100 0,120—1,000 | 20,6—27,5 22,3—29,2 22,3-34,3 | -45 ... +70 | 10 | 0,6 | 2,0 | —0,024…—0,032—0,024…—0,034—0,026…—0,04 | - |
| ММТ-9 | 0,01—4,7 | 20,6-43 | -60 ... +125 | 10 | - | 2,0 | —0,024...—0,05 | |
| СТЗ-23 | 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7 Ом | 26—32 | —0,0305. ..0,0375 | |||||
| СТЗ-17 CT1-I7 | 0,033—0,330 0,330—22 | 25,8-38,6 36—60 | —60 ... +100 | 0.8 0,5 | -. | 0,2 | —0,03 ..—0,045—0,042... —0,07 | 30 |
Минимальной мощностью рассеяния Рminназывается мощность, при которой у терморезистора, находящегося в спокойном воздухе при температуре (20 ± 1) °С, сопротивление уменьшается от разогревания током не более чем на 1 %. Максимальной называется мощность Ртах, при которой терморезистор, находящийся в тех же условиях, разогревается током до верхней допустимой температуры. Кроме этого, указывается допустимая мощность Рдоп при максимальной допустимой температуре. По стандартам для большинства терморезисторов допускаются отклонения от номинальных значений начальных сопротивлений в пределах ± 20%, при длительной выдержке ПТР при максимальной допустимой температуре допускается изменение сопротивления в пределах ± 3%, при хранении в течение 18 месяцев изменение сопротивления не должно превышать ± (1 ¸ 3)%, при хранении до 10 лет изменение сопротивления может достигать ±30%. Однако опыт работы с ПТР показывает, что стабильность характеристик ПТР оказывается в большинстве случаев значительно выше указываемой в стандартах.