Собственный нагрев термисторов

Термисторы применяются в самых различных схемах автоматики, которые можно разделить на две группы. В первую группу входят схемы с термисторами, сопротивление которых определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий при этом через термистор, настолько мал, что не вызывает дополнительного разогрева термистора. Этот ток необходим только для измерения сопротивления и для термисторов типа ММТ составляет около 10 мА, а для типа КМТ — 2—5 мА. Во вторую группу входят схемы с термисторами, сопротивление которых меняется за счет собственного нагрева. Ток, проходящий через термистор, разогревает его. Поскольку при повышении температуры сопротивление уменьшается, ток увеличивается, что приводит к еще большему выделению теплоты. Можно сказать, что в данном случае проявляется положительная обратная связь. Это позволяет получить в схемах с термисторами своеобразные характеристики релейного типа.

На рис. 4, а показана вольт-амперная характеристика термистора. При малых токах () влияние собственного нагрева незначительно и сопротивление термистора практически остается постоянным. Следовательно, напряжение на термисторе растет пропорционально току (участок ОА). При дальнейшем увеличении тока () начинает сказываться собственный нагрев термистора, сопротивление его уменьшается. Вольт-амперная характеристика изменяет свой вид, начинается ее «падающий» участок АБ. Этот участок используется для создания на базе термистора схем термореле, стабилизатора напряжения и др.

Рис. 4. Получение релейной характеристики в схеме с термистором

Резко выраженная нелинейность вольт-амперной характеристики термистора позволяет использовать его в релейном режиме. На рис. 4, б представлена схема включения, а на рис.4, в — характеристика термистора в этом режиме. Если в цепи термистора отсутствует добавочное сопротивление (R _доб = 0), то при некотором значении напряжения ток в цепи термистора резко увеличивается, что может привести к разрушению термистора (кривая U_T на рис. 4, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь термистора R_T   включить добавочный резистор R _доб (рис. 4, б)с прямолинейной характеристикой (кривая U_R на рис. 4, в). При графическом сложении этих двух характеристик (U_T + U_R) получим общую вольт-амперную характеристику U ₀ (имеющую S-образный вид на рис. 4, в). Эта характеристика похожа на характеристику бесконтактного магнитного реле. Рассмотрим по этой характеристике процесс изменения тока I в цепи (рис. 4, б)при плавном увеличении напряжения питания U ₀. При достижении значения напряжения срабатывания U _ср (этому напряжению соответствует ток I ₁) ток скачком возрастает от значения I ₁ до существенно большего значения I ₂. При дальнейшем увеличении напряжения ток будет плавно возрастать от I ₂. При уменьшении напряжения ток вначале плавно уменьшается до значения I ₃ (этому току соответствует напряжение отпускания U _от), а затем скачком падает до значения I ₄, после чего ток плавно уменьшается до нуля. Скачкообразное изменение тока происходит не мгновенно, а постепенно из-за инерционности термистора.

Применение терморезисторов

При использовании терморезисторов в качестве датчиков систем автоматики различают два основных режима. В первом режиме температура терморезистора практически определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий через терморезистор, очень мал и практически не нагревает его. Во втором режиме терморезистор нагревается проходящим по нему током, а температура терморезистора определяется изменяющимися условиями теплоотдачи, например интенсивностью обдува, плотностью окружающей газовой среды и т. п.

При использовании терморезисторов в первом режиме они играют роль датчиков температуры и называются обычно термометрами сопротивления. Наибольшее распространение получили термометры сопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные), включаемые в мостовую измерительную схему.

В процессе измерения температуры с помощью термометров сопротивления могут возникать следующие погрешности: 1) от колебания напряжения питания; 2) от изменения сопротивления соединительных проводов при колебаниях температуры окружающей среды; 3) от собственного нагрева датчика под действием протекающего через него тока.

Рассмотрим схему включения термометра сопротивления (рис. 5), в которой приняты меры для уменьшения отмеченных трех видов погрешностей. Для уменьшения погрешности от колебаний напряжения питания используется измерительный прибор логометрического типа. Угол отклонения подвижной системы логометра пропорционален отношению токов в двух катушках, одна из которых создает вращающий, а вторая — противодействующий моменты. Через одну катушку проходит ток разбаланса, зависящий от сопротивления терморезистора R_T. Вторая катушка питается тем же напряжением, что и мостовая измерительная схема.

 Рис. 5. Логометрическая схема включения терморезистора

При колебаниях напряжения питания одновременно будут изменяться токи в обеих катушках, а их отношение будет оставаться постоянным.

В автоматических уравновешенных мостах колебание напряжения питания не приводит к появлению пропорциональной погрешности измерения, незначительно изменяется лишь порог чувствительности.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединительных проводов необходимо правильно выбирать сопротивление датчика. Эта погрешность сводится к минимуму, если сопротивление датчика выбрать из условия R _д >> R _пр, где R _пр — сопротивление соединительных проводов. При больших расстояниях (сотни метров) R _пр может достигать 3—5 Ом. Еще одним способом уменьшения погрешности от температурных изменений сопротивления соединительных проводов является применение многопроводных схем. На рис. 5 показана схема включения датчика R _д в мостовую схему посредством трех проводов (а, б, в). Сопротивления проводов а и б включены в смежные плечи моста, поэтому одновременное их изменение не нарушает равновесия моста. Сопротивление проводов в вообще не входит в мостовую схему. Погрешность за счет самонагрева датчика может быть учтена при градуировке шкалы измерительного прибора.

При быстром изменении температуры появляется динамическая погрешность, обусловленная тепловой инерцией датчика. Передача теплоты от измеряемой среды к терморезистору происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени.

Для количественной оценки тепловой инерции датчика пользуются понятием «постоянная времени»:

 (10)

где с_д — удельная теплоемкость датчика; m _д — масса датчика; к — коэффициент теплопередачи; s — поверхность соприкосновения со средой.

Если холодный датчик поместить в среду с температурой T _ср (ºС), то его температура будет изменяться во времени по следующему закону:

 (11)

Чем больше постоянная времени t, тем больше пройдет времени, пока температура датчика сравняется с температурой среды. За время t =τ датчик нагреется только до температуры T _ср =0,63 ºС, а за время t =4,6 τ — до температуры T _ср =0,99 ºС.

Рассмотрим теперь некоторые примеры использования собственного нагрева терморезисторов в устройствах для измерения различных физических величин, косвенно связанных с температурой.

Автоматическое измерение скорости газового потока проводится с помощью термоанемометра. Датчик этого прибора (рис. 6, а) состоит из терморезистора, представляющего собой тонкую платиновую проволоку 1, припаянную к двум манганиновым стержням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 терморезистор включается в измерительную схему. Через терморезистор пропускается ток, вызывающий его нагрев. Но температура (а следовательно, и сопротивление) терморезистора будет определяться скоростью газового потока, в который помещен датчик. Чем больше будет эта скорость, тем интенсивнее будет отводиться теплота от терморезистора. На рис. 6, б показана градуировочная кривая термоанемометра, из которой видно, что при увеличении скорости примерно вдвое сопротивление терморезистора уменьшается примерно на 20 %.

На аналогичном принципе основана работа электрического газоанализатора. Если взять два одинаковых саморазогреваемых терморезистора и поместить один в камеру, наполненную воздухом, а другой — в камеру, наполненную смесью воздуха с углекислым газом СО₂, то из-за различной теплопроводности воздуха и углекислого газа сопротивление терморезисторов будет разным. Так как теплопроводность углекислого газа значительно меньше теплопроводности воздуха, то и отвод теплоты от терморезистора в камере с СО₂ будет меньше, чем от терморезистора в камере с воздухом. По разнице сопротивлений терморезисторов можно судить о процентном содержании углекислого газа в газовой смеси.

Рис. 6. Термоанемометр — датчик скорости газового потока

Зависимость теплопроводности газа от его давления позволяет использовать терморезисторы с собственным нагревом в электрических вакуумметрах. Чем глубже вакуум (т. е. более разрежен газ), тем хуже условия теплоотдачи с поверхности терморезистора, помещенного в вакуумную камеру. Если через терморезистор пропускать ток для его нагрева, то температура терморезистора будет возрастать при уменьшении давления контролируемого газа.

Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять процентное содержание газов в смеси. Кроме платины в таких приборах используют вольфрам, никель, полупроводниковые терморезисторы. Для того чтобы исключить влияние колебаний температуры окружающей среды, стремятся обеспечить достаточно интенсивный собственный нагрев (до 200—500 °С).

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Принцип действия

Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явлений — появлении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Сущность этого явления заключается в следующем. Если составить электрическую цепь из двух разнородных металлических проводников (или полупроводников), причем с одного конца проводники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных, неспаянных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная из двух разнородных материалов, называется термопарой; проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами; места соединения термоэлектродов— спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, относительно которого измеряется температура, называется холодным или свободным. Возникающая при различии температур горячего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру.

Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные электроны хаотически движутся между положительными ионами, образующими остов кристаллической решетки. В разных металлах свободные электроны обладают при одной и той же температуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (электродов) свободные металлы из одного электрода проникают в другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свободных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией свободных электронов приобретает отрицательный потенциал. Возникает контактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (  на рис. 1, а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи. Контактная разность в спае 1 направлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если нагреть один из спаев (рабочий) до температуры , то контактная разность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изменения. В результате в контуре и возникает термоЭДС, тем большая, чем больше разность температур спаев 1 и 2 ().

 

Рис. 1. Термопара и схемы ее включения

Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (например, милливольтметр). Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай (рис. 1, б), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 1, в). Как видно из схем включения измерительного прибора, в случае разомкнутого свободного спая (рис. 1, б) у термопары три спая: один горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 1, в) имеется четыре спая: один горячий 1, один холодный 2 (он должен иметь постоянную температуру), два нейтральных 3 и 4 (они должны находиться при одинаковой, но не обязательно постоянной температуре). Для обеих схем термоЭДС и показания прибора будут одинаковыми, если соответственно одинаковыми будут температуры горячих и холодных спаев. В этом нетрудно убедиться, если составить уравнения по второму закону Кирхгофа для каждого из контуров.

Способ изготовления спая (сваркой, спайкой и т. п.) на термоЭДС не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинакова.

ТермоЭДС, вырабатываемая термопарой, составленной из электродов А и В, является разностью двух термоЭДС:  — термоЭДС горячего спая при температуре ;  — термоЭДС холодного спая при температуре , т. е.

 (1)

Значения термоЭДС и ее направление зависят от материалов электродов А и В.

В табл. 1 приведены термоЭДС для разных материалов в паре с платиной при температуре горячего спая 100 °С (373 К) и температуре холодного спая 0 °С (273 К). Знак плюс перед термоЭДС означает, что в холодном спае ток идет по направлению к платиновому электроду.

Таблица 1. ТермоЭДС основных материалов для термопар в паре с платиной (температура рабочего спая при 100 °С, температура холодного спая равна нулю)

 

Материал	ТермоЭДС, мВ	Материал	ТермоЭДС, мВ
Платина	0	Платинородий (10 % родия)	+0,64
Кремний	+44,8	Вольфрам	+0,8
Хромель	+2,95	Модибден	+1,3
Железо	+1,8	Алюмель	-1,15
Медь	+0,76	Копель	-4,0

Если составить термопару из материалов, которые по отношению к платине имеют термоЭДС разных знаков, то термоЭДС такой термопары будет равна сумме термоЭДС материалов по отношению к платине. Например, из табл. 10.1 берем данные для термоЭДС меди в паре с платиной +0,76 мВ и термоЭДС сплава копель в паре с платиной — 4,0 мВ. Термопара медь—копель на основании уравнения (10.1) будет иметь термоЭДС Е_АВ = 0,76 - (-4) = +4,76 мВ. Материалы для термопар следует подбирать таким образом, чтобы термоЭДС имели достаточно большие значения, обеспечивающие высокую чувствительность измерения.