Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Разновидности термосопротивлений, применяемые материалы и основы расчета
Приборы для измерения температуры, в которых в качестве преобразователя используются термосопротивления, называются термометрами электрического сопротивления или термометрами сопротивления. Термосопротивления, используемые в приборах для измерения температуры, работают при малой нагрузке током, с тем, чтобы тепло, выделяемое током в термосопротивлении, было минимальным по сравнению с теплом, получаемым от испытуемой среды. Основным требованием к свойствам материалов, применяемых в термометрах сопротивлений, является обеспечение возможно большего и стабильного температурного коэффициента электрического сопротивления при достаточно большом удельном сопротивлении материала. В этом отношении большой интерес представляют объемные полупроводниковые термосопротивления, имеющие значительно больший температурный коэффициент электрического сопротивления по сравнению с проводниковыми термосопротивлениями. Проводниковые термосопротивления применяются в преобразователях промышленных термометров сопротивления. Такие преобразователи изготовляются главным образом из чистых металлов. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, колеблющимся (в интервале 0—100°С) от 0,35 до 0,68% на 1 град. Проволока из сплавов высокого сопротивления не может быть использована для намотки преобразователей термометров сопротивления, так как температурный коэффициент ее незначителен. Наибольшее распространение для изготовления преобразователей термометров сопротивлений имеют платина, медь и никель. Для градуировки приборов с термометрами сопротивления термосопротивление заменяется магазином сопротивлений. Сопротивление преобразователя подсчитывается для каждой градуируемой точки шкалы и устанавливается на магазине, заменяющем преобразователь в цепи прибора. Вопрос о выборе преобразователя термометра сопротивления из того или другого металла решается в основном химической инертностью металла в измеряемой среде в интересующем интервале температур. С этой точки зрения медный преобразователь можно применять только до температур порядка 180°С в атмосфере, свободной от влажности и других взаимодействующих с медью газов. При более высоких температурах медь окисляется. Изоляцией для медной проволоки могут служить эмаль, шелк. Кроме того, недостатком меди является ее малое удельное сопротивление. Нижний предел температуры для медных преобразователей термометров сопротивления равен -50°С. Никель, при условии хорошей изоляции от воздействия среды, можно применять до 250—300°С, так как при более высоких температурах зависимость R=f(t) для него неоднозначна. Линейную зависимость сопротивления от температуры можно принять только для температур не выше 100°С. Ввиду неопределенности температурного коэффициента никеля последовательно с никелевой проволокой обычно включают манганиновое сопротивление, снижающее температурный коэффициент преобразователя термометра до расчетного значения. Основным преимуществом никеля является большая величина удельного сопротивления (ρ=0,075 - 0,085 ом×мм²/м). Наиболее часто для намотки термометров сопротивления используется платиновая проволока вследствие ее химической инертности. Однако платину нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. д.). Платиновые термометры сопротивления используют обычно от -200 до +650°С (хотя верхним пределом их применения можно считать 1000 — 1200°С), так как при температурах выше 500°С более практичны термопары. Полупроводниковые термосопротивления. Полупроводниковые объемные термосопротивления изготовляют из смеси окислов различных металлов (например, CuO, CoO, MnO). В процессе изготовления термосопротивления подвергают обжигу при высокой температуре. При обжиге окислы спекаются в прочную массу, образуя химическое соединение.
Рисунок 3.24 Устройство полупроводниковых термосопротивлений: а) ММТ-1, КМТ-1 и б) ММТ-4, КМТ-4
Конструктивно термосопротивления изготовляют в виде стержней, шайб, дисков и бусинок. На рисунке 3.24 показано устройство полупроводниковых термосопротивлений типов ММТ и КМТ. Термосопротивления типов ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками 2 и выводами 3. Эти типы термосопротивлений могут быть использованы лишь в сухих помещениях. Термосопротивления типов ММТ-4 и КМТ-4 смонтированы в металлических корпусах 2 и герметизированы, благодаря чему они могут быть применены в условиях любой влажности и любой среды, не являющейся агрессивной относительно корпуса термосопротивления. Герметизация осуществлена стеклом 3 и оловом 4. Стержень 1 в термосопротивлении ММТ-4 обернут металлической фольгой 5. Эти термосопротивления выпускаются на номинальные значения сопротивления от 1000 до 200 000 ом (при + 20°С) и пригодны для работы в диапазоне температур от -100 до + 120°С. Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые термосопротивления, применяемые для измерения температуры малых объектов и измерения переменных во времени температур. В качестве примера миниатюрного термосопротивления на рисунке 3.25 изображено термосопротивление МКМТ-16 бусинкового типа. Рисунок 3.25 Устройство термосопротивления МКМТ-16
Объемное сопротивление выполнено в виде шарика диаметром около 0,8 мм с выводами из платиновой проволоки диаметром 0,05 мм, к концам которых приварены проводники из нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм. Корпус термосопротивления сделан из стекла. Термосопротивления МКМТ-16 изготовляют на номинальные значения сопротивлений 2700 и 5100 ом при 20°С (коэффициент B=3400°К). Они предназначены для работы в диапазоне температур от -60 до + 120°С, в диапазоне давлений от 1 мм рт.ст. до 100 ат, в условиях вибрации с ускорениями до 15 g и в условиях ударной тряски при ускорениях до 12 g. Миниатюрные полупроводниковые термосопротивления обладают малой тепловой инерцией — порядка нескольких секунд. Недостатками полупроводниковых термосопротивлений являются нелинейность зависимости их сопротивления от температуры и значительное отклонение от образца к образцу как номинального значения сопротивления (более ±30%), нормируемого обычно при 20°С, так и характера зависимости сопротивления от температуры (отклонения значений температурного коэффициента достигают ± 5% и более). Это затрудняет получение линейных шкал термометров и обеспечение взаимозаменяемости термосопротивлений, необходимой при массовом производстве термометров с термосопротивлениями. Чтобы улучшить вид шкалы и обеспечить взаимозаменяемость, термосопротивление приходится включать в измерительную цепь в виде комбинации с термонезависимыми сопротивлениями (манганиновыми, МЛТ, БЛП и т. д.). Подобную комбинацию термосопротивления с другими сопротивлениями, включаемыми для исправления его характеристики, называют корректированным термоэлементом. Схемы корректированных термоэлементов приведены на рисунке 3.26. Простейшей схемой корректированного термоэлемента является схема рисунок 3.26.а. Здесь параллельно термосопротивлению Rт подключено термонезависимое сопротивление Rш. Выбирая соответствующим образом значение сопротивления Rш, можно получить значительное спрямление зависимости сопротивления Rэ корректированного термоэлемента от температуры. Для сопротивления Rэ если воспользоваться обозначениями рисунка 3.26.а можно написать (3.36)
Рисунок 3.26 Схемы корректированных термоэлементов
Правая часть этого выражения написана с учетом зависимости (3.36) сопротивления Rт от температуры и с учетом коэффициента шунтирования k, который равен . (3.37) Зависимость Rэ=f(T) согласно выражению (3.37) показана на рисунке 3.27. Как видно из рисунка, при низких температурах сопротивление Rэ практически не зависит от температуры. При повышении температуры оно начинает уменьшаться, причем, степень этого уменьшения вначале мала, затем возрастает и. наконец, опять уменьшается. Поэтому кривая Rэ=f(T) имеет точку перегиба. Участок кривой в районе точки перегиба оказывается близким прямой. Это обстоятельство можно использовать при расчете корректированного термоэлемента для измерения температуры, изменяющейся в небольшом диапазоне. Рисунок 3.27 Зависимости сопротивлений Rт и Rэ от температуры
Температура, которой соответствует точка перегиба, может быть найдена из уравнения
получаемого, если дважды продифференцировать выражение (3.36) и приравнять результат нулю. Полагая в этом уравнении Т=Тср, имеем Находя отсюда значение k при заданном Тср и определяя при этом k значение Rш из выражения (3.37), получим корректированный термоэлемент, у которого зависимость сопротивления от температуры будет иметь перегиб при температуре Тср. Для получения более или менее линейной зависимости сопротивления Rэ от температуры для большого температурного диапазона значение k целесообразно рассчитывать из условия нахождения трех точек кривой Rэ=f(T) на одной прямой линии. Это совмещение кривой Rэ прямой можно осуществить, например, при температурах: Tн — начальной температуре, Tср — средней температуре и Tк — конечной температуре измеряемого диапазона температур. Указанное условие будет выполнено, если приращения сопротивлений ΔRэн и ΔRэк корректированного термоэлемента при температурах TН и TК равные (3.38) где Rэн Rэср и Rэк — сопротивления корректированного термоэлемента при температурах Tн, Tср и Tк будут пропорциональны соответствующим отклонениям Θн и Θк температуры, т. е. если будет равенство (3.39) где Θн=Tн-Tср и Θк=Tк-Tср. Знак минус поставлен потому, что Θн — отрицательное. Отсюда , причем . Разделив левую и правую части (3.39) на Кэср и учитывая (3.38), получаем . (3.40) Подставив сюда соответствующие значения Rэ из (3.36) и Rш из (3.37), после преобразований будем иметь , (3.41) где . (3.42) Из уравнения (3.40) при заданном диапазоне температур и выбранном значении термосопротивления однозначно определяется коэффициент k, при котором указанные выше три точки кривой Rэ лежат на одной прямой. При этом точка перегиба кривой Rэ обязательно находится в заданном температурном диапазоне. К сожалению, корректированный термоэлемент (рисунок 3.26.а), позволяя получить более или менее линейную шкалу термометра, не обеспечивает взаимозаменяемости. Для обеспечения взаимозаменяемости, т.е. для получения повторяющихся значений сопротивлений корректированных термоэлементов при применении в них отличающихся друг от друга по характеристикам Rт=f(T), термосопротивлений, необходим не один, как в схеме (рисунок 3.26а), а несколько регулируемых элементов. В корректированных термоэлементах (рисунок 3.26б, в) имеется по два термонезависимых сопротивления (Rш и Rд), при помощи которых можно обеспечить соответствующие повторяющиеся значения сопротивления Rэ различных температурах, например Rэн при Тн Rэк при Тк для термосопротнвлений, отличающихся друг от друга по характеристикам Rт=f(T). Для получения соответствующих повторяющихся значений Rэ, отдельных корректированных термоэлементов при трех, температурах необходимы три регулируемых элемента (рисунок 3.26). При помощи трех регулируемых элементов можно обеспечить также совмещение в трех точках кривой Rэ=f(T) с прямой. При совмещении кривой Rэ прямой в двух точках (рисунок 3.26 б и в), т.е. при двух температурах, отклонение Rэ от прямой может достигать значительных величин (20—30%). При совмещении в трех точках (рисунок 3.26г) отклонение Rэ от прямой незначительно (доли процента), однако температурный коэффициент подобного корректированного термоэлемента по сравнению с температурным коэффициентом термосопротивления резко уменьшается (в 5—6 раз). Температурный коэффициент корректированного термоэлемента при совмещении в двух точках уменьшается по сравнению с температурным коэффициентом термосопротивления примерно в два раза.
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-03-22; Просмотров: 442; Нарушение авторского права страницы