Реферат Курсовая Конспект
Принципы преобразования тепловых параметров - раздел Философия, Раздел 1 Метрология 6.1.1. Терморезистивный Метод Терморезистивный Метод...
|
6.1.1. Терморезистивный метод
Терморезистивный метод является наиболее распространенным и хорошо апробированным на практике. Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по отношению к разнообразным дестабилизирующим факторам
Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффициентом (ТК). Типичные случаи поведения термометрической зависимости представлены на рис. 6.1 (W =ΔR/R0). Не трудно заметить, что металлы 1 обладают положительным, но малым ТК, полупроводниковые материалы 2 – отрицательным ТК примерно на порядок больше, чем у металлов, а полупроводниковые сегнетоэлектрические керамики 3 – положительным ТК и тоже довольно значительным.
В ряду металлических материалов, используемых в термометрии, первое место, несомненно, принадлежит платине (Pt), которая широко используется в рабочих, образцовых и эталонных термометрах.
Рисунок 6.1– Зависимость ТК от температуры для металлических
и полупроводниковых материалов
Температурный диапазон измерения платины от -269 до 1100°С. Термометрическая платина для рабочих термометров характеризуется ТК
W100= =1,3910,001.
Для воспроизведения международной практической термометрической шкалы используется особо чистая платина в виде отожженной свободной от напряжения проволоки, имеющей ТКС
W100= = 1,39250.
Зависимость сопротивления платинового термометра от температуры экстраполируется следующими выражениями:
W = 1 + At + Bt2
в диапазоне температуры от 0 до 850 ºС;
W = 1 + At + Bt2 + C(t – 100)t3
в диапазоне температуры от минус 200 до 0 °С,
где А = 3,968×10-3 К-1; В = –5,8×10-7 К-2; С = –4,1×10-12 К-4.
С целью обеспечения взаимозаменяемости рабочие термометры при изготовлении разбиваются на группы. В пределах группы термометры имеют общую функцию преобразования. Допуски на группу устанавливаются сообразно с требуемой точностью измерения.
Наиболее широко в рабочих термометрах используется платиновая проволока диаметром 0,05 мм при бифилярной намотке чувствительного элемента.
Рабочие термометры в зависимости от допуска на группу и значения и допуска на W100 подразделяются на пять классов (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Параметр | Дополнительные отклонения градуировочной характеристики для классов | ||||
I | II | III | IV | V | |
, Ом | 0,05 | 0,1 | 0,2 | 0,4 | 0,8 |
W100W | 1,391 | 1,391 | 1,391 | 1,391 | 1,391 |
Наиболее употребимые и стандартизованные номиналы чувствительных элементов платиновых рабочих термометров представлены в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Условное обозначение номинальной функции преобразования | R0, Ом | Диапазон измерений, °С |
1 П | –50 ...+1100 | |
5 П | –100 ...+1100 | |
10 П | –200 ...+1000 | |
Гр 21 | –260 ...+1000 | |
50 П | –260 ...+1000 | |
100 П | –260 ...+1000 | |
500 П | –260 ...+300 |
Второе место по распространенности применения в качестве термометрического материала в рабочих термометрах занимает медь. Поскольку медь относится к числу легко окисляемых металлов, диапазон ее применения ограничивается областью 200 ºС (при защитных покрытиях до 300 ºС).
В диапазоне температур от –50 до +200 ºС медь имеет почти линейную температурную зависимость, которая с достаточной степенью точности описывается соотношением
W = 1 + αТ.
Допустимые отклонения номинала медных термометров сопротивления в группе и допуск W100 приведены в табл. 6.3.
Таблица 6.3
Параметр | Дополнительные отклонения градуировочной характеристики для классов | |||
II | III | IV | V | |
, Ом | 0,1 | 0,2 | 0,5 | 1,0 |
W100W | 1,4280,0010 | 1,4280,0020 | 1,4280,0030 | 1,428 |
Принятые номиналы сопротивления медных термометров приведены в табл. 6.4.
Таблица 6.4
Условное обозначение номинальной функции преобразования | R0, Ом | Диапазон измерений, °С |
10М | –50 ...+200 | |
50М | –50 ...+200 | |
Гр23 | –50 ...+180 | |
100М | –200 ...+200 |
К числу недостатков меди относится ее малое удельное сопротивление – ρ = 0,017 Ом×мм/м, что сказывается на размерах чувствительного элемента.
Значительно реже платины и меди в термометрии используется никель. К его достоинствам относятся высокие ТКС (W100 = 1,64) и удельное сопротивление ρ = 0,072 Ом×мм/м. Однако никель имеет значительно меньшую линейность термохарактеристики. В диапазоне температур от 0 до 200°С никель имеет термометрическую зависимость вида
W = 1+At+Bt2,
где А = 5,43×10-3 К-1; В = 7,85×10-6 К-2.
Проволочные чувствительные элементы являются доминирующими в практической термометрии. Однако в настоящее время с ними успешно конкурируют термометры в металлопленочном исполнении В качестве ЧЭ таких термометров используются пленочные термосопротивления (ТС). Материалом для пленочных ТС служит никель (Ni), медь (Cu), платина (Pt). При этом Pt-TC имеют наибольшие точность и диапазон измерения. Менее прецизионные, но более дешевые и технологичные ТС на основе меди и никеля используют для более узкого, чем у платиновых ТС, диапазона температур.
Такие термометры изготавливаются на различных подложках – из ситалла, сапфира, поликора – методом вакуумного напыления и имеют особую перспективу при массовом производстве. Большая часть операций по их изготовлению и подгонке номинала сопротивления практически полностью автоматизирована.
В металлопленочном исполнении чувствительные элементы характеризуются несколько меньшим ТКС по сравнению с проволочными (до 10 %).
Температурная зависимость сопротивления тонких металлических пленок от температуры практически линейна, поэтому схемы с такими ТС не требуют использования линеаризирующих элементов.
Общим недостатком ТС на основе металлических пленок являются небольшие номиналы сопротивления ТС из-за малого значения удельного сопротивления и ТКС металлов (а соответственно мала и температурная чувствительность).
Достаточно широкое использование в настоящее время нашли толстопленочные ТС, изготавливаемые на основе резистивных паст. Пасты позволяют изготавливать ТС от небольших номиналов (десятки и сотни Ом) до больших (кОм и МОм) с отрицательными и положительными ТКС (от минус 4 до 0,5) %/°С, что недостижимо для тонко-пленочных ТС.
Температурная зависимость сопротивления толстопленочных ТС – нелинейная, поэтому для линеаризации термохарактеристик применяют включение их в мостовую схему или используют последовательно-параллельное соединение ТС с постоянными резисторами.
Высокой температурной чувствительностью обладают дискретные и интегральные полупроводниковые ТС.
Для дискретного полупроводникового ТС зависимость сопротивления от температуры достаточно точно описывается выражением
RT =RN exp(–B/T), αR= –B/T2,
где Т – абсолютная температура; и – соответственно сопротивление при и Т градусах; – константа материала ТС (справочная величина), имеющая размерность (К).
Из данных уравнений видно, что термохарактеристика ТС – нелинейная.
Кроме того, у данного типа ТС ТКС (αR) меньше нуля, поэтому их сопротивление уменьшается с увеличением температуры, причем довольно резко.
Для линеаризации температурных характеристик ТС используется включение параллельно и/или последовательно соединенных с ними постоянных резисторов, которые линеаризируют зависимость , хотя и уменьшают их термочувствительность.
Величина линеаризирующего резистора определяется по формуле
RP = RTm (B – Tm/B + 2 Tm),
где RTm – сопротивление терморезистора при температуре Tm (точка перегиба термохарактеристики).
Перспективными для использования в миниатюрных датчиках температуры являются диффузионные и ионно-легированные терморезисторы. Благодаря широкому диапазону номиналов возможности изменения их ТКС в процессе изготовления, а также из-за малых габаритов и небольшой инерционности они находят все большее применение в термометрах.
У диффузионных и ионно-легированныхтерморезисторов основными характеристиками являются:
1) ТКС не менее 0,5%/°С (минус 0,05…0,5);
2) удельное сопротивление (rS) 100…1300 Ом/;
3) диапазон рабочих температур минус 60…180 °С.
Такие терморезисторы обладают гораздо большей линейностью, чем рассмотренные ранее дискретные ТС.
Для измерения высоких температур от 200 и до 2000°С используются термопарные ТЧЭ, ЧЭ которых является неразъемное соединение (сварка, адгезинное) двух разнородных металлов, например, меди и медно-никелевого сплава, железа и медно-никелевого сплава или платины и платинородиевого сплава (рис. 6.2).
Термоэлектрическое явление объясняется главным образом тем, что концентрация свободных электронов в металле зависит от температуры. При наличии разности температур в проводнике возникает ЭДС и начинает протекать ток, при этом в более нагретом конце проводника возникает большая концентрация электронов по сравнению с менее нагретым.
Для создания замкнутой электрической цепи и измерения термоЭДС используют два спая, соединенных последовательно, один из которых является компенсационным, а второй – рабочим, помещенным в точку замера температуры. Компенсационный спай или помещается в точку с постоянной стабильной (реперной) температурой (чаще всего помещается в сосуд с тающим льдом 0°С), или же используется специальная электронная схема-компенсатор точки таяния льда.
ТермоЭДС, возникающая между спаями, в зависимости от типа термопары составляет от 7 до 75 мкВ/°С.
Так, для термопары «медь–констант» Е = 40 мкВ/°С в диапазоне 0....100°С, т. е. при разности температур спаев 100°С, термоЭДС равна 4,3 мВ. Для увеличения выходного сигнала используется соединение нескольких термоспаев в термобатарею (рис. 2.2). В этом случае суммарная термоЭДС в n раз больше термоЭДС одного спая. Математические соотношения, описывающие термоэлектрический ЧЭ следующие:
Еав(Тх,Т0) = Eав(Тх) + Eав (Т0),
где Eав (Тх) и Eав (Т0) – термоЭДС элементов цепи.
Так как Eав (Тх) при То = 0°C – реперная температура, то Е(Тх, 0) = Eав (Тх).
г
Рисунок 2.2–Термопарные термочувствительные элементы
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
Раздел Метрология... Метрология наука об измерениях методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Принципы преобразования тепловых параметров
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов