Контрольная работа: Физические основы измерительных преобразователей

- хорошей воспроизводимостью свойств.

К таким материалам в первую очередь относятся платина и медь. Применяются также вольфрам и никель.

Платиновые терморезисторы применяются в диапазоне температур от –200⁰ до +650⁰ С и выше. Медные терморезисторы применяются в диапазоне температур от –50⁰ до +200⁰ С. При более высоких температурах медь окисляется. Зависимость сопротивления от температуры платиновых терморезисторов практически линейная. При расчете сопротивления пользуются формулой:

R_Т = R₀ (1 + aT + bT), (8)

где а = 3,96847 · 10^-3 1/град; b = -5,847 · 10 ⁷ 1/град. Т –температура ⁰ С

Для медных терморезисторов эта зависимость имеет вид:

R_Т = R₀ (1 + aT ), (9)

где а = 4,26 · 10^-3 1/град; R₀ – сопротивление при 0⁰ С

Для большинства чистых металлов а ≈ 4 · 10^-3 1/град.

Полупроводниковые терморезисторы имеют более высокую чувствительность. Температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезисторов 3 · 10^-2 – 4 · 10^-2 1/град. Он отрицателен и уменьшается пропорционально квадрату абсолютной температуры.

В узком температурном интервале зависимость сопротивления от температуры полупроводниковых терморезисторов выражается уравнением:

R = A exp илиlnR = A + , (10)

где А и В - постоянные коэффициенты, зависящие от физических свойств проводника.

Для изготовления полупроводниковых терморезисторов применяют кристаллы некоторых металлов (например, германия) и окислы титана, магния, никеля, меди и др.

Форма, габариты и конструктивные особенности полупроводниковых терморезисторов весьма разнообразны: их выполняют в виде дисков, миниатюрных бусинок , плоских прямоугольников и др.

В зависимости от типа используемого полупроводникового материала и габаритов чувствительного элемента исходное сопротивление терморезисторов составляет от нескольких Ом до десятков Мегом. Если взять простейшую электрическую схему, состоящую из последовательно соединённых терморезистора и линейного резистора, величина которого не зависит от температуры, и приложить к этой цепи напряжение, то в ней установится некоторый ток I. Зависимость падения напряжения на терморезисторе от этого тока в установившемся режиме представляет собой вольтамперную характеристику терморезистора. Вольтамперная характеристика состоит из трёх основных участков. Средний участок далёк от линейного и показывает, что с ростом тока температура терморезистора повышается, а его сопротивление ( вследствие увеличения числа электронов и дырок проводимости в материале полупроводника) уменьшается. При дальнейшем увеличении тока уменьшение сопротивления оказывается столь значительным, что рост тока ведёт к уменьшению напряжения на терморезисторе. Это и позволяет использовать некоторые типы терморезисторов для стабилизации напряжения. Характерным для цепи, содержащей терморезистор и линейный резистор , является резкое, скачкообразное нарастание или убывание тока, вызванное изменением сопротивления терморезистора. Это явление получило название релейного эффекта. Релейный эффект может произойти в результате изменения температуры окружающей среды или величины приложенного к цепи напряжения. При повышении окружающей температуры от Т1 до Т2 ток вначале возрастает плавно, а далее при небольшом повышении температуры скачком возрастает и устойчиво сохраняет своё значение при постоянстве температуры. Это явление называется прямым релейным эффектом. Уменьшение температуры приводит к плавному и в конце к скачкообразному уменьшению тока. Это явление называется обратным релейным эффектом. Релейный эффект используется в разнообразных схемах тепловой защиты, температурной сигнализации, автоматического регулирования температуры. Помимо вольтамперной характеристики, важнейшей характеристикой терморезистора является зависимость его сопротивления от температуры (температурная характеристика). Важнейшими параметрами терморезисторов являются : номинальное (холодное) сопротивление- сопротивление рабочего тела терморезистора при температуре окружающей среды 20 °С и температурный коэффициент сопротивления, выражающий в процентах изменение абсолютной величины сопротивления рабочего тела терморезистора при изменении температуры на 1 °С

Температурный коэффициент сопротивления можно обозначить αт.

Тогдаαт = -В/Т² (11)

Где В- коэффициент температурной чувствительности, зависящий от физических свойств материала.

В=Т1*Т2 / Т1-Т2*LnRт1/ Rт2 (12)

Т1-исходная температура рабочего тела, Т2-конечная температура рабочего тела, для которой определяется значение αт.

Rт1 иRт2-сопротивление рабочего тела терморезистора при температурах соответственно Т1 и Т2.

Также важным параметром терморезистора является наибольшая мощность рассеивания- мощность при которой терморезистор, находящийся при температуре 20 °С, разогреется протекающим током до максимальной рабочей температуры.

Максимальная рабочая температура- температура при которой характеристики терморезистора остаются стабильными длительной время ( в течение указанного срока службы).

Параметр τ- характеризует тепловую инерцию терморезистора. То есть время в течение которого температура терморезистора становится равной 63°С при перенесении его из воздушной среды с температурой 0°С в воздушную среду с температурой 100°С.

Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом используются для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации различных элементов электрической цепи, работающих в широком интервале температур, измерения мощности высокочастотных колебаний и индикации лучистой энергии, стабилизации напряжения в цепях постоянного и переменного токов, в качестве регулируемых бесконтактных резисторов. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (позисторы) изготовляют на основе титана бария , легированного специальными примесями, которые в определённом интервале температур увеличивают своё удельное сопротивление на несколько порядков. Существующие технологии позволяют изготовлять позисторы с положительным αт, составляющим 0,15-0,2 (1°С). По своему конструктивному оформлению позисторы аналогичны терморезисторам таблеточного типа, диаметром около 5мм.Сопротивление позистора возрастает с возрастанием его температуры, что используется для ограничения тока в цепи нагрузки.

Литература

1. Трофимов А.Н. Автоматика, телемеханика, вычислительная техника в химических производствах. Учебник. Энергоатомиздат. 1985.

2. Фарзане Н.Г., Илясов П.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. Учебник. Москва. Высшая школа.1989.