Билет №22-2, 23 (Ответы на экзамен 2)

4

Билет № 22-2, 23

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип действия термопар основан на термоэлектриче­ском эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупровод­ников), течет ток, если места спаев проводников имеют различ­ные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термо-ЭДС E(t) и E(t0), зависящие от температур этих спаев t и t0. Так как эти термо-ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термо-ЭДС, действующая в конту­ре, равна E(t) - E(t0). При равенстве температур обоих спаев ре­зультирующая термо-ЭДС равна нулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концом термопары, а второй спай — свободным. У любой пары однородных провод­ников значение результирующей термо-ЭДС зависит от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распре­деления температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появив­шиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термо-ЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения тер­мо-ЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравни­тельно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100°С и не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволя­ют измерять температуру в диапазоне -200...+2200°С. Для изме­рения температур до 1100°С используют в основном термопары из неблагородных металлов, в диапазоне температур от 1100 до 1600°С — термопары из благородных металлов и сплавов пла­тиновой группы, а для измерения более высоких температур — термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама). Наибольшее распространение для изготовления термоэлектри­ческих преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель. При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрического преобразователя. Так, например, функция преобразования медь-константановых термопар в диапазоне температур от -200 до 300°С с погрешностью ±2 мкВ описыва­ется эмпирической формулой: Е = At² + Bt + С,

где А, В и С — постоянные, определяемые путем измерения тер-мо-ЭДС при трех известных температурах; t — температура рабочего спая, °С.

Постоянная времени термоэлектрических преобразовате­лей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных тер­мопар исчисляется в минутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени ле­жит в пределах 5...20 с и ниже. Электроизмерительный прибор (милливольтметр) или измерительный усилитель термо-ЭДС мо­гут подключаться к контуру термопары двумя способами: в сво­бодный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходная термо-ЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит. При измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной темпера­туре, но на практике свободные концы термопары конструктив­но выведены на зажимы на ее головке, а, следовательно, расположены в непосредственной близости от объектов, темпе­ратура которых измеряется. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термопреобразователя. Для термопар из не­благородных металлов удлиняющие провода изготавливаются, чаще всего, из тех же материалов, что и основные термоэлек­троды. Тогда как для датчиков из благородных металлов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материа­лов, развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0...150°С ту же термо-ЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина—платинородий применяются удлини­тельные термоэлектроды из меди и специального сплава. Для термопары хромель—алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель—копель удлинительными являются основные термо­электроды, но выполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность. В лабораторных услови­ях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0°С путем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях тем­пература свободных концов термопары обычно отличается от 0°С. Так как градуировка термопар осуществляется при темпе­ратуре свободных концов, равной 0°С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьше­ния указанной погрешности вводят поправку в показания тер­мометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары, так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию по­грешности. На практике для устранения погрешности широкое применение находит автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары. Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные обра­зованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0°С, мост находится в равновесии. При отклонении температуры свободных концов термопары от 0°С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термо-ЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется балан­сировочным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не происходит, но и первоначальная погрешность существенно уменьшается. В лабораторных условиях для точного измерения термо-ЭДС применяются лабораторные и образцовые компенса­торы постоянного тока с ручным уравновешиванием.

1.2. Терморезисторы Общие сведения

Большинство рассмотренных выше температурных датчи­ков

обладают большой себестоимостью, существенными разме­рами и при этом необходимо применять специальные (достаточно слож­ные) электронные узлы для обеспечения их работы. Простые электронные конструкции используют в качестве термодат­чиков, в основном, терморезисторы. О них и пойдет речь ниже.

Терморезистор — это устройство, сопротивление которого значительно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным ко­эффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивле­ние которых падает с возрастанием температуры, часто называе­мые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием темпе­ратуры. Такие терморезисторы называются позисторами. Термо­резисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС — (-6,5...+70)%/С. Терморезисторный эффект заключается в изменении сопротивления полупроводника в большую или меньшую сторону за счет убыва­ния или возрастания его температуры. Однако сам механизм из­менения сопротивления с температурой отличен от подобного явления в металлах (о чем и говорит факт уменьшения сопротив­ления при увеличении температуры), а особенности этого физи­ческого эффекта будут подробнее рассмотрены ниже.

Известно, что в 1833 году Фарадей обнаружил отрицатель­ный ТКС у сульфида серебра, но отсутствие сведений о явлении в контактах металл-полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми характеристиками. В 30-х годах двадцатого века у оксидов Fe₃O₄ и UO₂ ученые-химики обнару­жили высокий отрицательный температурный коэффициент со­противления. В начале 40-х этот ряд пополнился NiO, CoO, соединениями NiO-Со₂O₃-Мn₂О₃ . Интервал удельных сопротивле­ний расширился благодаря добавлению оксида меди Мn₃О₄ в со­единение NiO-Мn₂ О₃ .

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при низких температурах обмен электронами соседних ионов за­трудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, то электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена электронами у ионов становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носите­лей заряда.

Другие терморезистoры имеют положительный тем­пературный коэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такие терморезисторы на жаргоне радиотехников на­зывают позисторами.

Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:

1. Терморезисторы из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин с двумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том,
   что легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и р-типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150°С и выше, причем ТКС при комнатной температуре пример­
   но равен 0,8% на 1 ^oС.

Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1^oС), но в более ограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводнико­вый титанат бария с большим изменением ТКС при температу­ре 120°С, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например, тита­нат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250°С. Можно также изменить наклон кривой сопротивления так, что большее изменение тем­ператур будет происходить в более узком интервале темпера­тур, например 0...100°С.

Основные параметры терморезисторов

Как и любой технический прибор, терморезисторы имеют ряд параметров и характеристик, знание которых позволяет выяс­нить возможность использования данного терморезистора для решения определенной технической задачи.

1. Габаритные размеры.

2. Величина сопротивления образцов Rt и RT (в Ом) при оп­ределенной температуре окружающей среды t, °C, или Т, К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры при­мерно от -100 до +125...200°С, температура окружающей среды принимается равной 20 или 25°С и величина R, называется «хо­лодным сопротивлением».

3. Величина ТКС а в процентах на 1°С. Обычно она указы­вается для той же температуры t, что и холодное сопротивление, и в этом случае обозначается через at: a=(dR/R)/dT*100%=-B/T²,

4. Постоянная времени τ (в секундах), характеризующая те­пловую инерционность терморезистора. Она равна времени, в те­чение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур образца и окружающей среды. Чаще все­го эту разность берут равной 100°С.

5. Максимально допустимая температура tmax, до которой характеристики терморезистора долгое время остаются ста­бильными.

6. Максимально допустимая мощность рассеивания Рmах в Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик тер­морезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощно­
   стью Рmах его температура не должна превышать tmax.

7. Коэффициент рассеяния Н в Вт на 1°С. Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности темпе­ратур образца и окружающей среды в 1°С.

8. Коэффициент температурной чувствительности В, раз­мерность — К:

В =[ (T1*T2)/(T2-T1) *Ln(R1/R2)

1. Коэффициент энергетической чувствительности G в Вт/%R, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1 %. Коэф­фициенты рассеяния и энергетической чувствительности зависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообмена между образцом и окружающей средой. Величины G, Н и а связаны соотношением: G=H/100a

2. Теплоемкость С в Дж на 1°С, равная количеству тепла (энергии), необходимому для повышения температуры терморе­зистора на 1°С. Можно доказать, что τ, Н и С связаны между со­бой следующим соотношением: τ= С / H

Для позисторов, кроме ряда приведенных выше пара­метров, обычно указывают также еще примерное положение интервала положительного температурного коэффициента со­противления, а также кратность изменения сопротивления в об­ласти положительного ТКС.

Основные характеристики терморезисторов

1. В АХ — зависимость напряжения на терморезисторе от
   тока, проходящего через него. Снимается в условиях теплового
   равновесия с окружающей средой. На рис. 1.1 и 1.2 график (А)
   соответствует терморезистору с отрицательным ТКС, (Б) — с
   положительным.

Рис.1.1.Вольт-амперная характеристика терморезистора

Рис.1.2.

Температурная характеристика — зависимость R(T), сни­мающаяся в установившемся режиме. Принятые допущения: мас­штаб по оси R взят возрастающим по закону 10^х, по оси Т
пропущен участок в интервале (0...223) К (см. рис. 1.2).