Мета роботи: ознайомлення з принципом дії, конструкцією, методами розрахунку основних характеристик і параметрів терморезисторів
Основні поняття
Процеси вимірювання в системах автоматичного регулювання та керування розглядається як єдиний процес спільної роботи чутливих елементів, перетворювачів і вимірювальних приладів. Вимірювання температури в цих системах здійснюється за допомогою теплоелектріческіх перетворювачів, які перетворять зміна тактичного значення температури в зміну електричної напруги. До цих перетворювачів відносяться термоелектричні термометри (термопари) і термометри опору.
Дія термоелектричних термометрів засноване на властивості металів і сплавів генерувати термо-ЕРС, що залежить від температури місця з'єднання кінців двох різнорідних провідників, що утворюють чутливий елемент термометра - термопару. Величина вихідної напруги термопари U вих визначається різницею температур гарячого t1 і холодного спаю t0. U вих = f (t1 -t0).
На малюнку 1 наведена схема конструкції термопари.
Малюнок 1 - Схема конструкції термопари.
Дія термометрів опору засновано на зміні опору провідників або напівпровідників в залежності від зміни їх температури.
Характеристики чутливого елемента: матеріал чутливого елемента повинен бути хімічно інертним; фізичні і хімічні властивості матеріалу повинні бути стійкі при підвищенні температури; мати великий постійний температурний коефіцієнт опору; залежність зміни опору матеріалу чутливого елемента від зміни температури повинна бути близька до лінійної.
Розрізняють металеві (дротяні) ТПС - як матеріал чутливого елемента використовуються чисті метали: платина (Pt), мідь (Cu), нікель (Ni).
В діапазоні вимірюваних температур- -260 o C до +1100 o C використовують платинові ТПС (діаметр дроту - 0.05 0.2 мм): статична характеристика нелінійна:
a і b - постійні коефіцієнти
aPt = 0.0039 o C -1 - температурний коефіцієнт опору Pt.
В діапазоні вимірюваних температур -200 o C до +200 o C - використовуються мідні термоперетворювачі опору ().
Лінійна статична характеристика:; .
В діапазоні вимірюваних температур - 60 o C - 300 o C використовуються нікеліевие термоперетворювачі опору (): нелінійна статична характеристика:;
Напівпровідникові термоперетворювачі опору (терморезистори) - в якості матеріалу чутливого елемента використовуються германій, суміші оксидів металів (міді, марганцю, заліза, нікелю, ванадію), спресовані і спечені при високій температурі.
У діапазоні температур від 1,5 К до 30 К використовуються терморезистори з легованого сурмою германію, при 4,2 К - 13,8K - з германію. Чутливі елементи виготовляються у вигляді таблеток, циліндрів, плівок.
ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ терморезисторами
1. Статична (температурна) характеристика являє собою залежність опору матеріалу чутливого елемента від температури:
де T - температура в До,
Приклад 1-1. Виміряні значення опору ПТР при температурах Т1 = 293 і Т2 = 373 ° К: R1 = 965 * 10 3. -R2 = 27,6 * 10 3 Ом. Розрахувати температурну характеристику.
За графіком залежності коефіцієнта температурної характеристики В від кратності опору ПТР (кратністю опору будемо називати відношення R1 / R2, наведеним на рис. 1-1, знаходимо, що кратності R1 / R2 = 35 відповідає B = 4 850 ° К. Знайдене значення коефіцієнта В , а також відому величину R1 і відповідну температуру T1 підставимо в вираз (1-4):
Результати розрахунку температурної характеристики даного ПТР наведені в табл. 1-1, сама характеристика побудована на рис. 1-2.
2. Вольт-амперна характеристика
Статична вольт-амперна характеристика напівпровідникових терморезисторів (ПТР) -це залежність між протікає через них струмом і падінням напруги при сталому режимі нагріву.
У зв'язку з тим, що при проходженні через ПТР струму в ньому виділяється тепло, температура робочого тіла виявляється вище температури навколишнього середовища. Опір ПТР приймає значення, відповідне цій сумарною температурі (температура середовища плюс перегрів).
Оскільки опір пов'язано з температурою нелінійної залежністю, вольт-амперна характеристика також нелінійна. Вольт-амперна характеристика знімається експериментально при постійній температурі навколишнього середовища. Склад середовища і швидкість її переміщення щодо поверхні ПТР повинні підтримуватися постійними протягом всього експерименту.
В силу нелінійності вольт-амперної характеристики статичний опір ПТР залежить від величини усталеного через ПТР струму. Воно визначається як відношення падіння напруги на ПТР до протікає через нього струму в усталеному режимі:
де U - падіння напруги на ПТР, В;
I - сталий струм через ПТР, А ..
Статичний опір, залишаючись завжди позитивним, зменшується в міру віддалення точок вольт-амперної характеристики від початку координат, де R відповідає температурі навколишнього середовища. Так, в точці максимуму, наведеної на рис. 1-4 вольт-амперної характеристики, R = 27,6 ком, а в точці К, де U = 12,2 в, а I = 6,9 ма, R = 1,77 кому.
За величиною статичного опору R можна знайти температуру робочого тіла ПТР, що відповідає даній точці вольт-амперної характеристики. Для цього треба мати у своєму розпорядженні, температурною характеристикою даного ПТР.
Диференціальний опір, рівне межі відношення приросту напруги на ПТР до приросту струму в ньому, коли останнім приріст прямує до нуля, також зменшується при переході від початку координат до точок, які лежать правіше. Якщо вольт-амперна характеристика має точку максимуму, то в цій точці диференціальне опір
Правіше точки максимуму гд <0.
Статичний опір пропорційно тангенсу кута α, утвореного січною, проведеної з початку координат в розглянуту точку вольт-амперної характеристики, і віссю струмів. Диференціальний опір пропорційно тангенсу кута β, утвореного дотичною в даній точці характеристики з віссю струмів.
Для визначення величини диференціального опору в даній точці вольт-амперної характеристики треба провести дотичну і, задавшись збільшенням струму ΔI, поділити на нього відповідне збільшення напруги ΔU, узяте по дотичній. Для точок, що лежать правіше максимуму, як ΔU і ΔI можна брати відрізки, що відсікаються дотичній на осях координат. Наприклад, в точці К (рис. 1-4) гд = l7,5: 21,6 = 0,81 кому.
У сталому режимі нагріву ПТР протікає через нього струмом вся потужність, що виділяється в робочому тілі ПТР, розсіюється в навколишнє середовище. Цю умову можна записати у вигляді рівняння енергетичного балансу для сталого режиму:
де b - коефіцієнт розсіювання, що враховує всі види поширення тепла від робочого тіла ПТР (теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання);
Θ - температура перегріву, т. Е. Різницю між температурою робочого тіла в даному сталому режимі Т і температурою навколишнього середовища Tо.
Величина коефіцієнта розсіювання b залежить від матеріалу, розмірів, стану поверхні робочого тіла ПТР і токоподводящих частин, а також від властивостей навколишнього середовища. Що входить до рівняння (1-9) коефіцієнт розсіювання є функцією температури перегріву:.
3. Характеристика розсіювання - залежність кількості потужності, що віддається з поверхні терморезистора від перегріву
b - коефіцієнт тепловіддачі, Вт / см 2 * ºС;
Щоб побудувати характеристику розсіювання, досить мати вольт-амперну характеристику одного примірника ПТР даного типу, зняту при будь-якої постійної температурі середовища Те, і його температурну. характеристику. На вольт-амперної характеристики вибирають ряд точок, в кожній з яких підраховують статичний опір, користуючись виразом (1-7). Потім по температурної характеристиці знаходять температуру ПТР, відповідну кожної з обраних точок вольт-амперної характеристики, і, віднімаючи з неї температуру середовища Те, визначають значення температури перегріву Θ. Величина b підраховується за виразом (1-9). Приклад побудованої таким чином характеристики розсіяння приведений на рис. 1-5.
Як уже зазначалося, вольт-амперна характеристика ПТР може мати точку максимуму, а отже, і ділянку, на якому диференціальне опір менше нуля. Ця ділянка часто називають падаючою ділянкою вольт-аммер'ной характеристики. Наявність точки максимуму на вольт-амперної характеристики ПТР може служити причиною появи у ланцюзі з таким опором ряду специфічних властивостей. Тому надзвичайно важyо знати умови, при яких вольт-амперна характеристика має точку максимуму.
Відповідно до рівняння теплового балансу (1-9), в якому падіння напруги на ПТР замінено твором струму на відповідне значення статичного опору, можна записати:
Підставляючи сюди вираз (1-4), отримуємо
Вирази (1-12) і (1-14) представляють собою рівняння вольт-амперної характеристики в параметричному вигляді. Вважаючи, що b = const, продифференцируем рівняння (1-14) по температурі T. Прирівнюючи похідну нулю, отримуємо:
Вирішуючи отримане рівняння щодо T, знаходимо вираз для температури напівпровідника tм. відповідній точці максимуму вольт-амперної характеристики:
З виразу (1-17) випливає, що температура, відповідна точці максимуму вольт-амперної характеристики, залежить від температури середовища Tо. Очевидно також, що вольт-амперна характеристика ПТР може мати точку максимуму тільки за умови: