Термосопротивление материалов

В
литейных и термических цехах для
измерения температуры до 650 °С
широко распространен способ, основанный
на зависимости электрического
сопротивления проводников и полупроводников
от их температуры. Зная зависимость
между сопротивлением чувствительного
элемента и его температурой, можно,
замеряя сопротивление, определить
значение температуры с весьма высокой
точностью (до 0,02 °С).

Чувствительные
элементы, выполненные из металлических
проводников, называют термометрами
сопротивления.

Термометр
сопротивления (термочувствительный
элемент) представляет собой металлическую
проволоку, намотанную на каркас. К
материалу проволоки предъявляется ряд
требований. Он должен иметь высокий
температурный коэффициент для получения
хорошей чувствительности, большое
удельное сопротивление, определяющее
его размеры, устойчивость физических
свойств при значительных изменениях
температуры, хорошую воспроизводимость
состава, стойкость к воздействиям
окружающей среды, линейность и стабильность
характеристик во времени.

Рис. 57.
Конструкция термометра сопротивления

Основными
недостатками платины являются высокая
стоимость, возможность загрязнения н
охрупчивания в восстановительной среде.

К
достоинствам меди в первую очередь
следует отнести низкую стоимость и
возможность получения очень тонкой
проволоки высокой степени чистоты.

Промышленность
выпускает термометры сопротивления
унифицированной конструкции для
измерения температуры газообразных и
жидких сред (рис. 57). Термометр состоит
из чувствительного элемента 6,
помещенного в защитный стальной чехол
5, на который приварен штуцер с резьбой
4,
служащий для крепления термометра. С
помощью проводов, армированных фарфоровыми
бусами 3,
чувствительный элемент соединяется с
клеммной колодкой 2,
расположенной в корпусе 1.

Основные
параметры термометров сопротивления
приведены в табл. 8.

Выходной
сигнал термометров является стандартным,
и каждому значению температуры
соответствует строго нормированное
значение сопротивления (ГОСТ 6651‑84).

Полупроводниковые
термосопротивления (ПТР) или термисторы,
температурный коэффициент которых в
8‑10 раз больше, чем у чистых металлов,
получили широкое распространение в
автоматических системах регулирования
температуры. В литейном производстве
их используют как переносные вспомогательные
приборы для быстрого измерения температуры
охлаждающихся отливок.

Соседние файлы в предмете Электротехника

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 материалам, применяемым для
преобра­зователей термометров
сопротивления, является возможно больший
и стабильный температурный коэффициент
электрического сопротивления при
достаточно большом удельном сопротивлении.
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.
Поэтому вопрос о расчете сопротивления
преобразователя при различных температурах
необходимо рассмот­реть более подробно.

Зависимость
сопротивления металлов от температуры
не яв­ляется линейной. Для платины
зависимость сопротивления от тем­пературы
t
в пределах от 0 до + 660°С выражается
уравнением

где
R0
— сопротивление при 0°С. Для чистой
платины A== 3,940*10-3
1/град2
B=-5,8*10-7
1/град2.
В интервале от 0 до –190°С зависимость
сопротивления платины от температуры
имеет вид

Для
меди при расчете сопротивления,
соответ­ствующего температу­ре
t,
пользуются обычно двухчленной формулой

где
R0
— сопротивление при температуре 0C;

α0
– температурный коэффициент для
интервала температур, начинающегося
от t0.

Согласно
ГОСТ на термометры сопротивления, медная
прово­лока для термометров сопротивления
должна удовлетворять отно­шению
R100/R0=
1,427 ± 0,001.

Формула
(2.1) выражает линейную зависимость
сопротивления от температуры, мало
отличающуюся от действительной
зависимо­сти. При этом следует помнить,
что сопротивление R0
должно со­ответствовать начальной
температуре того интервала температур,
для которого задано значение α0.

Действительно,
положим, что значение α0
задано для интервала температур от t0
до tК
(рисунок
2.1). Тогда сопротивление R
преобра­зователя в функции температуры
t
выразится участком прямой AB
между абсциссами 1 и 2.

Рисунок 2.1 Зависимости сопротивления
от температуры

Для
температуры t
в рассматриваемом интервале температур
можно написать

Соседние файлы в папке Коллоквиумы ФОПИ

Терморезистор

Большинство промышленных сфер требует измерения множества параметров на производстве. Чем сложнее технологические процессы, тем точнее должны быть показания. Один из самых требовательных к точности параметров – температура. Для ее точных замеров используют специальный прибор – терморезистор.

Простой принцип работы позволяет создавать термопреобразователи сопротивления (научное название устройства) различных габаритов и форм. В зависимости от области применения и материала, датчики могут иметь различную форму и соответствующий тип: стержневой, трубчатый, дисковой или бусинковый. Особых ограничений нет, поэтому на каждой отрасли существуют свои стандарты датчиков.

Терморезисторы – это датчики, работа которых зависит от двух показателей: температуры и сопротивления. Второй параметр меняется в зависимости от значений первого, при достижении необходимой отметки происходит срабатывание. Существует четыре разновидности терморезисторов:

Обратите внимание! Для обозначения температуры в рабочем диапазоне терморезистора используют Кельвин, а не градус Цельсия. Это связано с уравнением Стейнхарта-Харта, где в расчетах по формуле учитываются абсолютная температура и сопротивление.

Пример и изображение терморезистора в схеме

Наиболее точные терморезисторы могут использоваться в качестве эталонов – точность реагирования у них доходит до долей градуса. Помимо температурного режима, приборы отличаются по способу нагрева.

Прямой и косвенный нагрев

Существует два типа устройств:

Дальнейшее разделение основано на различиях в конструкции и материалах изготовления.

Классификация основывается на ключевом параметре – температурном коэффициенте сопротивления (ТКС), который есть у любого проводника или полупроводника. Он указывает, на какую величину изменяется Ом за каждый градус. В зависимости от материала изготовления ТКС может быть положительным или отрицательным.

Позистор – что это такое, объясняет параметр ТКС. Резистор с положительным значением называется позистором (PTC). Основой для изготовления служит металл. Самыми высокими показателями термосопротивления при инертности к внешним воздействиям обладают медь и платина.

Часто можно встретить вопрос: что такое позисторы ТСМ и ТСП. Ответом служит последняя буква, указывающая на основу: медь либо платину.

Основное назначение позистора – предохранитель для защиты элементов цепи. Используется последовательное подключение. Область их применения ограничена из-за малой скорости быстродействия.

Гораздо чаще применят более чувствительные и недорогие приборы  – термисторы. У терморезистора NTC отрицательный ТКС (с ростом температуры сопротивление уменьшается). При создании применяют полупроводниковые составы на основе окислов марганца, меди и кобальта. По сравнению с позисторами, такие устройства более долговечны, надежны, имеют стабильную линейность при работе до 200 градусов.

Термисторы со стандартной маркировкой

Недостаток – невозможность массового изготовления терморезисторов с идентичными характеристиками. Параметры могут отличаться даже у приборов из одной партии, из-за чего приходится повторно регулировать оборудование. Схема монтажа термисторов – мостовая.

Каждое устройство обладает набором параметров, на которые нужно обращать внимание при выборе:

Эти значения нужно учитывать для приборов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Отрицательный коэффициент ТКС

Дело в том, что зависимость сопротивления от температуры у термисторов экспоненциальная. При этом номинальное сопротивление отдельного ТР может изменяться в больших пределах. Расчеты параметров полупроводниковых приборов сложнее – у позисторов принцип работы основан на линейной зависимости.

Использование устройств зависит от их стоимости и точности измерений. Более дорогие позисторы применяют в сложных производствах, а также в качестве предохранителей. Например, их подключают к исполнительному реле, в случае нагрева схема отключается. Термисторы гораздо доступнее, что позволяет находить им широкое применение в быту.

При правильной калибровке NTC резистор может использоваться для проверки нагрева окружающей воздушной среды. В этом случае точность измерений, как на производстве, не требуется – достаточно регулировки с шагом в 1 градус Цельсия.

Самодельный датчик температуры воздуха

Популярный способ применения – защита двигателя авто от перегрева. ТР соединяют с реле, которое отключает двигатель при угрозе перегрева. При достаточных знаниях можно подключить устройство к бортовому компьютеру для отображения температуры на дисплее.

Из терморезистора и биметаллических элементов пускателя можно создать конструкцию, аналогичную пожарной сигнализации. Для этого подойдут простые бусинковые ТР. Также датчик может работать, если нужно исключить срабатывания на дым, например, сигаретный.

Термистор как регулятор пускового тока

Есть ряд приборов, которые подвержены чрезмерным токам при первом запуске: лампы, двигатели и трансформаторы. Для их ограничения в цепь встраивается термистор. Вместо резких скачков осуществляется регулировка тока по нагрузке, по мере нагревания термистора и уменьшения сопротивления.

Алмаз и родственные материалы – особые терморезисторы

На рынке терморезисторов есть особый класс устройств – на основе монокристаллов алмаза, композитов и углеродных пленок. Они обладают сразу несколькими преимуществами:

У таких приборов есть особая маркировка – ТРА. Выпускают их без корпуса либо в стеклянной оболочке.

Чем можно заменить

Менять терморезистор лучше всего на аналогичный, сверяясь со справочником или технической документацией. Однако при наличии опыта и знаний об устройстве того или иного аппарата можно заменить ТР на обычный проволочный резистор. Следует проверить:

Важно понимать, какие функции выполнял ТР. В некоторых случаях замена окажется нецелесообразной либо невозможной.

Терморезисторы – необходимый элемент для функционирования современной электротехники. Это точный и эффективный датчик, позволяющий контролировать работу устройств во многих сферах. Его применяют уже более 90 лет, заменить его в ближайшее время удастся с малой вероятностью.

Термосопротивление

Датчики этого типа применяют для измерения температуры газа или жидкости. Использование таких изделий помогает получать данные оперативно, с высокой точностью. Серийное термосопротивление отличается доступной ценой, устойчивостью к различным внешним воздействиям. Кроме длительного сохранения функционального состояния, следует подчеркнуть простоту монтажа и технического обслуживания.

Принцип работы термосопротивления

Датчик подключают в цепь со стабилизированным источником питания и подходящим по классу точности прибором (вольтметром, амперметром). С помощью этой простой схемы будет определяться измеряемый параметр по регистрации соответствующих электрических величин. Принцип работы обусловлен зависимостью сопротивления проводника от температуры проводника при нагреве или охлаждении.

Зависимость проводимости от температуры

В металлах движению свободных электронов создают препятствия примеси. На прохождение заряженных частиц оказывает влияние состояние кристаллической решетки. По мере снижения температуры амплитуда колебаний молекул уменьшается. При достижении определенного уровня возникает сверхпроводимость, когда сопротивление становится пренебрежительно малой величиной. Нагрев провоцирует обратные реакции компонентов молекулярной решетки. Соответствующим образом ухудшается проводимость.

Выше представлены типичные реакции металла при увеличении/ уменьшении температуры. Чувствительный элемент создают с определенным электрическим сопротивлением по аналогии с методикой изготовления проволочного (пленочного резистора).

Для расширения температурного диапазона и улучшения сопротивляемости реакциям окисления применяют платину. Модификации из меди (никеля) стоят дешевле, но отличаются худшими рабочими характеристиками. Изделие помещают в корпус, выполняющий защитные функции. Специальным наполнителем обеспечивают фиксацию датчика и хорошую теплопередачу.

Также применяют полупроводниковые датчики, собранные по аналогичной схеме. В этом варианте электрическое сопротивление уменьшается при увеличении температуры. Как правило, используют герметичный корпус с наполнением инертным газом. Слоем изоляции предотвращают электрический контакт компонентов конструкции. Специальные выводы предназначены для подключения устройства к внешним линиям.

Любой вид измерителя (полупроводник или металлический аналог) оценивают по следующим параметрам:

К сведению. Основные рабочие параметры определяет зависимость сопротивления от температуры. Существенное значение имеет выбор материала. Проводимость может уменьшаться или увеличиваться при нагреве.

В следующем перечне приведены типичные обозначения термопар:

К сведению. Если в аббревиатуре присутствует символ Н, значит, датчик рассчитан на выполнение измерений в низкотемпературном диапазоне.

Чем отличается термосопротивление от термопары

Принцип действия ТС объясняется изменением проводимости контрольного участка цепи. Термопара, несмотря на схожее название, функционирует по-другому. Изделия этой категории создают из двух разных материалов. Соединение (рабочую спайку) помещают в зону измерений. Колебания температуры провоцируют изменение потенциалов на выходах. Эти показания фиксируют вольтметром или другим подходящим прибором.

Принцип действия, функциональные компоненты термопары и способы измерения

К сведению. Приведенные сведения объясняют главные практические отличия датчиков разного рода. Термопара фактически является генератором ЭДС, поэтому дополнительный источник тока не нужен.

Термопарный преобразователь можно применить для измерения вакуума. Для этого обеспечивают контакт чувствительного участка с нитью лампы накаливания. Колбу соединяют трубкой с рабочей зоной. Изменение разряжения газа сопровождается увеличением (уменьшением) ЭДС. После калибровки шкалы достаточно точно можно определять значение контролируемого параметра.

Платиновые измерители температуры

Несмотря на сравнительно высокую стоимость, достаточно часто производители применяют именно этот материал. Почему выбирают это решение, понятно из перечня следующих преимуществ:

Упомянутый в списке температурный коэффициент (Тк) рассчитывают по формуле:

Тк = (Rи – Rб)/((Ти – Тб) * 1/Rб),

Из выражения понятно, что уменьшение коэффициента сопровождается увеличением точности. Базовое электрическое сопротивление определяют при T=0°C.

Никелевые термометры сопротивления

Такие датчики способны выполнять свои функции в диапазоне от -60°C до +180°C при Тк = 0,00617 °C-1. Главный плюс – увеличенный сигнал (сопротивление) на выходе.

Важно! При работе с датчиками этой категории следует учесть относительную близость точки Кюри на температурном графике (+352°C). На этом уровне возникают существенные искажения рабочих параметров проводника.

Медные датчики (ТСМ)

Применение этого материала обеспечивает ценовую доступность датчиков. Для корректного анализа специалисты рекомендуют уточнять, как зависит сопротивление проводника от температуры. Электротехническая медь содержит менее 0,1% посторонних примесей, что позволяет поддерживать линейные характеристики во всем рабочем диапазоне.

Технические параметры серийных изделий:

Типовые конструкции платиновых термосопротивлений

Производители применяют различные инженерные решения при выпуске продукции этой категории. Для уточнения на стадии сравнения можно изучить официальную сопроводительную документацию либо запросить необходимые данные на сайте компании.

Типовые конструкции ТС

Типичные конструкции датчиков из платины

Приведенные ниже данные соответствуют международным и российским стандартам. Допустимо использование уникальных температурных диапазонов, утвержденных в ТУ определенного предприятия производителя.

Схемы включения ТСМ/ТСП

В простейшем варианте внешние цепи подключают двумя проводами. Такой вариант отличается простотой, однако не позволяет учесть реальное электрическое сопротивление в линиях. Для повышения точности используют 3-х или 4-х проводное подключение.

К сведению. При монтаже следует учитывать рекомендованную глубину погружения щупа.

Подробные описания для режима эксплуатации приведены в официальных инструкциях производителя. В ходе обычной процедуры проверки уточняют:

Почему ломаются датчики

Чтобы предотвратить повреждение ТС, нужно соблюдать установленный в техническом паспорте температурный режим. При повышенной влажности нарушение функциональности провоцируют процессы коррозии. Следует исключить вибрации, чрезмерные механические воздействия. Для улучшения помехозащищенности применяют экранировку.

Преимущества и недостатки термометров сопротивления

При сравнении с термопарой можно упомянуть следующие минусы ТС:

Выбор подходящего датчика организуют на основе подготовленных критериев. Кроме базовых технических параметров, уточняют допустимые габариты, условия эксплуатации. Для продления срока службы необходимы регулярные проверки состояния термосопротивления и других компонентов измерительной схемы.

Температурная погрешность. Погрешности
от тепловых

Термосопротивлением называется проводник
или полупровод­ник с большим
температурным коэффициентом сопротивления,
на­ходящийся в теплообмене с окружающей
средой, вследствие чего его сопротивление
резко зависит от температуры и поэтому
опреде­ляется режимом теплового
обмена между проводником и средой.
Теплообмен проводника с окружающей
средой происходит раз­личными путями:
конвекцией, теплопроводностью среды,
тепло­проводностью самого проводника
и излучением.

К факторам, определяющим интенсивность
теплообмена провод­ника со средой,
следует отнести:

а) температуру газовой или жидкой среды,
самого проводника и арматуры;

б) физические
свойства газовой или жидкой среды
(например, плотность, теплопроводность,
вязкость);

в) скорость газовой
или жидкой среды;

г) геометрические
размеры проводника и состояние его
поверх­ности;

д) геометрические
размеры и форму арматуры, к которой
кре­пится проводник.

Зависимость
температуры проводника, а следовательно,
и его сопротивления от перечисленных
факторов можно использовать для измерения
различных неэлектрических величин,
характеризую­щих газовую или жидкую
среду: температуры, скорости, концентра­ции,
плотности (вакуума). При конструировании
соответствующих преобразователей
следует стремиться к тому, чтобы все
факторы, за исключением измеряемой
величины, возможно меньше влияли на
температуру проводника при тепловом
равновесии, иначе говоря, чтобы теплообмен
проводника и среды определялся в основном
только измеряемой величиной (скоростью
среды, температурой и т. д.).

Во всех случаях
использования термосопротивлений для
изме­рения указанных неэлектрических
величин следует стремиться к максимальному
уменьшению потерь, обусловленных
теплопро­водностью самого проводника
и лучеиспусканием, ибо эти потери
вызывают уменьшение чувствительности
прибора и погрешность измерения.

Часто
термосопротивлением является тонкая
проволока диа­метром 0,02—0,06 мм и длиной
5—20 мм, концы которой укреплены в
массивных держателях. Теоретические и
экспериментальные ис­следования
показали, что при отношении длины l
к диаметру d
про­волоки порядка 500 и выше потерями
тепла через теплопроводность самой
проволоки от центра к держателям можно
пренебречь. В ряде случаев, когда
термосопротивление работает, например,
в откры­том газовом потоке или когда
температура проволоки отличается от
температуры окружающей среды или стенок
не очень сильно (не больше чем на 100
град), потери на излучение также можно
не учи­тывать.

Когда потерями на
лучеиспускание и теплопроводность
прово­локи пренебречь нельзя, их можно
учесть градуировкой, если, ко­нечно,
эти потери сохраняют во время эксплуатации
то же значе­ние, что и при градуировке.

Для решения
практических вопросов, связанных с
расчетом термосопротивлений, весьма
часто приходится прибегать к теории
по­добия, которая является научной
основой постановки эксперимента и
обобщения результатов опыта.

Соседние файлы в папке ЛекцииФОПИ-1часть