В отличие от металлов в полупроводниках наблюдается иная картина – число электронов проводимости резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому электрическое сопротивление типичных полупроводников столь же резко (обычно по экспоненциальному закону) уменьшается при их нагревании. При этом температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС) полупроводников на порядок выше, чем у чистых металлов. ПТС с отрицательным ТКС называют термисторами, а с положительным – позисторами.
Для изготовления чувствительных элементов термисторов, используемых для измерения температуры от минус 100 до плюс 300 °С применяют смеси различных полупроводниковых веществ. Форма и виды изготавливаемых термисторов разнообразны. Наиболее распространенными видами их являются цилиндрические, шайбовые и бусинковые. Особенности конструкции различных термисторов представлены на лабораторном стенде и учебных плакатах.
Промышленностью выпускаются несколько десятков терморезисторов с разнообразными электрическими параметрами, например медно-марганцевые типа МMT; кобальтомарганцевые типа КМТ и ряд других, сопротивлением от 1 Ом до 1 МОм (при 20 °С) с отклонением от номинала не более 20 % .
Зависимость сопротивления термисторов от температуры в рабочем интервале определяется выражением (см. рисунок 3.1, кривая 3):
где RТ, R0 – сопротивление термистора при температуре Т и 20 °С соответственно, Ом;
Т – температура, °С;
В – постоянный коэффициент, определяемый в процессе градуировки.
Ом/°С. (3.6)
Величину aД, называют температурным коэффициентом термистора:
°С –1 (3.7)
Коэффициент aД отрицателен, зависит от температуры и по величине в 10–15 раз выше, чем у металлических термометров сопротивления.
ПТС малоинерционны, их чувствительность в 5–30 раз выше, чем у металлических ТС; номинальное сопротивление составляет единицы и сотни килоОм, что позволяет при измерении температуры не учитывать сопротивления подводящих проводов, – все это способствует широкому применению ПТС в автоматике, электротехнике, термометрии.
К недостаткам ПТСследует отнести: отсутствие взаимозаменяемости, большой разброс номинальных значений сопротивлений и ТКС даже для ПТС одного и того же типа, нелинейный характер зависимости электросопротивления от температуры, малая допускаемая мощность рассеяния (0,015–1,0 Вт) при прохождении измерительного тока, необходимость индивидуальной градуировки – экспериментального определения статической характеристики.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: "Что-то тут концом пахнет". 8526 — | 8113 — или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
С развитием промышленности, изготовляющей полупроводниковые материалы, были значительно расширены исследования полупроводников с целью установления области их применения в термометрии. Проведенные исследования германия, как материала для чувствительных элементов термометров сопротивления, позволили ВНИИФТРИ создать температурную шкалу в области от 4,2 до 13,81 К для обеспечения единства измерений температуры в этом интервале [13]. В результате проведенных исследований ВНИИФТРИ для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, предназначенных для измерения температур в криогенной технике, германий получил широкое применение.
В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления применяют также смеси различных полупроводниковых веществ, например, смеси окислов меди и марганца, смеси окислов кобальта и марганца, смеси двуокиси титана с окислами магния и др. При изменении соотношения компонентов, составляющих материал, меняется значение его электропроводности и температурного коэффициента электрического сопротивления.
Полупроводники, применяемые для изготовления чувствительных элементов термометров, а следовательно, и полупроводниковые термометры обладают большим значением отрицательного температурного коэффициента электрического сопротивления, который при 20°С составляет
Германиевые термометры сопротивления. Германиевые термометры сопротивления в зависимости от их назначения разделяются на три основные группы: эталонные, образцовые и рабочие. Термометры рабочие в свою очередь подразделяются на термометры повышенной точности (лабораторные) и технические.
Эталонный германиевый термометр сопротивления воспроизводит и хранит единицу температуры и температурную шкалу ТШГТС в диапазоне от 4,2 до 13,81 К (ГОСТ 8.157-75). Зависимость электрического сопротивления германиевого термометра от температуры в интервале от 4,2 до 13,81 К выражается соотношением
где константы, определяемые градуировкой германиевого термометра сопротивления по газовому термометру.
По данным ВНИИФТРИ стабильность эталонных германиевых термометров сопротивления лежит в пределах ±0,001 К [13].
На рис. 5-4-1 показано устройство эталонного германиевого термометра сопротивления, разработанного ВНИИФТРИ. Чувствительный элемент 1 термометра выполнен из монокристаллического германия, легированного сурьмой. К раздвоенным концам ЧЭ припаяны четыре золотых проводника, к которым приварены выводы 2 из платиновой проволоки. Чувствительный элемент помещен в защитную гильзу 3, снабженную стеклянной головкой 4 с впаянными в нее платиновыми выводами. Внутренняя стенка защитной гильзы покрыта электроизоляционной пленкой 5. Гильза термометра герметична и заполнена газообразным гелием под небольшим давлением.
Рис. 5-4-1. Схема устройства германиевого термометра сопротивления.
Термометры сопротивления образцовые с ЧЭ из легированного германия могут применяться для измерения низких температур от
1,5 до 30 К. Воспроизводимость образцовых термометров изготовленных во ВНИИФТРИ, в интервале от 1,5 до 30 К составляет ±0,001 К. Во ВНИИФТРИ изготовляют также образцовые германиевые термометры для области температур от 15 до 20 К. Пределы допускаемой погрешности этих термометров не превышают ±0,01 К [13]. Схемы устройства германиевых термометров образцовых и повышенной точности аналогичны показанной на рис. 5-4-1.
Для технических измерений Институт полупроводников Киев) выпускает германиевые термометры сопротивления типа для температур от 30 до 90 для интервала от 30 до 50 К. Пределы допускаемых погрешностей этих термометров сопротивления составляют ±0,05 и ±0,1 К. Кроме этих термометров в институте изготовляют пленочные термометры сопротивления для измерения температур от 4,2 до 300 К и от 1,3 до 100 К.
Терморезисторы — полупроводниковые термометры сопротивления. Для изготовления ЧЭ полупроводниковых термометров ПТС (терморезисторов), используемых для измерения температуры от —100 до 300°С и выше, применяют смеси различных полупроводниковых веществ. Форма и виды изготовляемых ЧЭ весьма разнообразны. Наиболее распространенными видами ЧЭ ПТС являются цилиндрические, шайбовые и бусинковые. Для предохранения от возможных механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется термометром, ЧЭ в зависимости от
его назначений покрывают эмалью, помещают в защитный чехол и снабжают другими защитными устройствами.
Терморезисторы являются малоинерционными термометрами, что имеет существеннее значение, например, для исследования нестационарных тепловых процессов. Большое номинальное сопротивление полупроводниковых термометров (от единиц до сотен килоом) позволяет при измерении температуры не учитывать сопротивление проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором. Кроме того, к достоинствам ПТС следует отнести возможность их использования в качестве бесконтактных температурных сигнализаторов (термореле).
К числу недостатков ПТС можно отнести следующее:
1. Отсутствие взаимозаменяемости изготовляемых в настоящее время ПТС. Вследствие этого номинальные значения сопротивлений и температурные коэффициенты даже для одного и того же типа ПТС имеют большой разброс. Это исключает возможность получения единой градуировочной таблицы для данного типа ПТС, и каждый ПТС, предназначенный для измерения или сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально.
2. Нелинейный характер зависимости электрического сопротивления от температуры.
3. Малая допускаемая мощность рассеяния при прохождении измерительного тока.
Следует отметить, что рассматриваемые ниже полупроводниковые термометры сопротивления для измерения температуры на электростанциях в настоящее время не применяются.
Для выпускаемых ПТС для измерения температуры от —100 до 300°С зависимость сопротивления их от температуры в интервалах, не превышающих 100°С, определяется выражением [20]
где сопротивление данного ПТС при температуре ; температура, и В — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала и его конструкции; основание натуральных логарифмов .
При применении полупроводниковых термометров в температурных интервалах, не превышающих зависимость их сопротивления от температуры может быть выражена упрощенной формулой
Градуировка ПТС, предназначенных для измерения температуры в интервале более чем 100°С, должна производиться по ряду экспериментальных точек в заданном диапазоне температур через каждые [20].
Погрешность измерения температуры данной среды с помощью полупроводниковых термометров сопротивления (без учета погрешности измерительного прибора) зависит в основном от
нестабильности его сопротивления, погрешности градуировки, погрешности от перегрева и условий измерения температуры данной среды. Нестабильность ПТС является основным фактором, определяющим погрешность измерения температуры. Критерием нестабильности ПТС принято считать изменение значения сопротивления (в процентах) после выдержки при максимальной по абсолютному значению рабочей температуре применения данного типа ПТС в течение
Нестабильность ПТС, выпускаемых промышленностью для измерения температуры, достигает Нестабильность может быть значительно уменьшена путем специального отбора и продолжительного старения ПТС пои их изготовлении.
Рис. 5-4-2. Терморезисторы. а — типа и типа в — типа чувствительный элемент, покрытый эмалью; 2 — контактные колпачки; выводы; 4 — металлический чехол; 5 — стекло; 6 — металлическая фольга; 7 — слой олова.
При правильно выбранном режиме старения погрешность измерения температуры из-за нестабильности ПТС может быть незначительной и лежать в пределах от 0,1 до 0,3%. Погрешность индивидуальной градуировки стабилизированных ПТС, выполняемой в соответствии с методическими указаниями ВНИИМ [20], может быть доведена до
Измерительный ток, протекающий через ПТС, должен выбираться таким, чтобы погрешность от перегрева ЧЭ термометра за счет выделения в нем мощности рассеяния не превышала половины допускаемой погрешности измерения температуры. Допускаемая погрешность измерения температуры с помощью ПТС устанавливается равной значению нестабильности, указанному в паспорте на ПТС заводом-изготовителем. Устройство некоторых типов полупроводниковых чувствительных элементов ПТС показано на рис. 5-4-2. В табл. 5-4-1 приведены основные характеристики полупроводниковых ПТС. С характеристиками других типов терморезисторов, выпускаемых промышленностью, можно познакомиться в [21, 22].
При использовании нескольких однотипных ПТС в комплекте с одним измерительным прибором, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия, важное значение приобретает унификация их характеристик. Для обеспечения взаимозаменяемости применяют схему, образованную из и постоянных манганиновых резисторов соединенных параллельно и последовательно
Таблица 5-4-1 (см. скан) Основные характеристики ЧЭ полупроводниковых термометров сопротивления (рис. 5-4-3). Такая схема или подобная ей позволяет с достаточной точностью совместить температурные характеристики ПТС одного и того же типа в двух точках шкалы.
Рис. 5-4-3. Схема, обеспечивающая взаимозаменяемость ПТС.
Полупроводниковые термометры сопротивления нашли также применение в системах температурной сигнализации.
Обязательным элементом этой системы является элементарная цепь, состоящая из ПТС и постоянного резистора, включенного последовательно.
Полупроводниковые термометры сопротивления, предназначенные для работы в системе температурной сигнализации, должны обладать возможно большим температурным коэффициентом сопротивления и, следовательно, постоянной В.
Рис. 5-4-4. Статическая вольт-амперная характеристика ПТС.
Чем выше температурный коэффициент сопротивления или постоянная В, тем больше крутизна падающего участка вольт-амперной характеристики ПТС (рис. 5-4-4), что обеспечивает лучшие условия срабатывания схемы температурной сигнализации. Форма вольт-амперной характеристики ПТС в сильной степени зависит от его температуры. На зависимости формы этой характеристики от температуры основано явление релейного эффекта и применение ПТС в системе температурной сигнализации. Под релейным эффектом понимают резкое возрастание силы Тока в цепи, состоящей из ПТС и последовательно соединенного
с ним манганинового резистора, вызываемое увеличением температуры среды, окружающей следовательно, уменьшением значения его сопротивления. Следует отметить, что условия, при которых в цепи возникает релейный эффект, не ограничиваются только изменением температуры среды, в которой находится ПТС, и, вообще говоря, весьма разнообразны [23, 24].
Термометрия относится к наиболее простым и эффективным методам измерений. Она основана на том, что физические свойства материала меняются в зависимости от температуры. В частности, измеряя сопротивление металла, сплава или полупроводникового элемента, можно определить его температуру с высокой степенью точности. Датчики такого типа называются термоэлектрическими или термосопротивлениями. Предлагаем рассмотреть различные виды этих устройств, их принцип работы, конструкции и особенности.
Виды термодатчиков
Наиболее распространенными считаются следующие типы термометров сопротивления (далее ТС):
- Полупроводниковые датчики. Отличительные особенности этих приборов заключается в высокой точности и стабильной чувствительности, а также в возможности измерения быстротечных процессов. Благодаря низкому измерительному току имеется возможность работы со сверхнизкими температурами (до -270°С). Пример конструкции полупроводникового ТС. Конструкция термистора
Обозначения:
- А – Выводы измерителя.
- В – Стеклянная пробка, закрывающая защитную гильзу.
- С – Защитная гильза, наполненная гелием.
- D – Электроизоляционная пленка, покрывающая внутреннюю часть гильзы.
- E – Полупроводниковый чувствительный элемент (далее ЧЭ), в приведенном примере это германий, легированный сурьмой.
- Металлические датчики. У таких измерителей в качестве ЧЭ выступает проволочный или пленочный резистор, помещенный в керамический или металлический корпус. Металл, используемый для изготовления чувствительного элемента, должен быть технологичен и устойчив к окислению, а также обладать достаточным температурным коэффициентом. Таким критериям практически идеально отвечает платина. Там, где не столь высокие требования к измерениям, может использоваться никель или медь. В качестве примера можно привести термодатчики: PT1000, PT500, ТСП 100 П, ТСП pt100, ТСП 50П, ТСМ 296, ТСМ 045, ТС 125, Jumbo, ДТС Овен и т.д.
Расшифровка аббревиатур
Чтобы не возникало вопросов, что такое ТСМ, приведем расшифровку этой и других аббревиатур:
- ТСМ это термометр сопротивления (ТС), в чувствительном элементе (ЧЭ) которого используется медная проволока (М).
- ТСП, в применяется платиновый (проволока из платины) ЧЭ.
- КТС б – обозначение комплекта из нескольких платиновых ТС., позволяющих провести многозонные измерения, как правило, монтаж таких устройств производится на вход и выход системы отопления, чтобы установить разность температур.
- ТПТ – технический (Т) платиновый термометр (ПТ).
- КТПТР – комплект из ТПТ приборов, буква «Р» в конце указывает, что может производиться не только измерение разницы температур между различными датчиками.
- ТСПН – «Н» в конце ТСП, обозначает, что датчик низкотемпературный.
- НСХ – под данным сокращением подразумевается «номинальная статическая характеристика», соответствующая стандартной функции «температура-сопротивление». Достаточно посмотреть таблицу НСХ для pt100 или любого другого датчика (например, pt1000, rtd, ntc и т.д.), чтобы иметь представление о его характеристиках.
- ЭТС – эталонные приборы, служащие для калибровки датчиков.
Чем отличается термосопротивление от термопары?
Схема термопары, ее конструкция, а также принцип работы существенно отличается от термометра сопротивления, расскажем об этом простыми словами. У устройства pt100, а также других датчиков, принцип действия основан на сопоставимости между изменением температуры металла и его сопротивлением.
Принцип термопары построен на различных свойствах двух металлов собранных в единую биметаллическую конструкцию. Устройство, подключение, назначение термопары, а также описание погрешности этих приборов будет рассмотрено в отдельной статье.
Сейчас достаточно понимать, что термопара и ТСП, например pt100, это совершенно разные приборы, отличающиеся принципом работы.
Платиновые измерители температуры
Учитывая распространенность металлических датчиков, имеет смысл привести краткое описание этих устройств, чтобы наглядно показать сравнительные характеристики различных видов, особенности, а также описать сферу применения.
В соответствии с нормами ГОСТ 6651 2009 и МЭК 60751, у рабочих приборов данного типа значение температурного коэффициента должно быть 0,00385°С -1 , эталонных – 0,03925°С -1 . Диапазон измеряемой температуры: от-196,0°С до 600,0°С. К несомненным достоинствам следует отнести высокий коэффициент точности, близкую к линей характеристику «Температура-сопротивление», стабильные параметры. Недостаток – наличие драгметаллов увеличивает стоимость конструкции. Необходимо заметить, что современные технологии позволяют минимизировать содержание этого металла, что делает возможным снижение стоимости продукции.
Основная область применения – контроль температуры различных технологических процессов. Например, такой прибор может быть установлен в трубопроводе, в котором плотность рабочей среды сильно зависит от температуры. В этом случае показания вихревой расходометра корректируются информацией о температуре рабочей среды.
Датчик термопреобразователь ТСП 5071 производства Элемер
Никелевые термометры сопротивления
Температурный коэффициент (далее ТК) у данного типа измерительных устройств самый высокий — 0,00617°С -1 . Диапазон измеряемых температур также существенно уже, чем у платиновых ЧЭ (от -60,0°С до 180,0°С). Основное достоинство данных приборов – высокий уровень выходного сигнала. В процессе эксплуатации следует учитывать особенность, связанную с приближением температуры нагрева к точке Кюри (352,0°С), вызывающую существенное изменение параметров ввиду непредсказуемого гистерезиса.
Данные устройства практически не используются, поскольку в большинстве случаев их можно заменить приборами с медными чувствительными элементами, которые существенно дешевле и технологичнее (проще в производстве).
Медные датчики (ТСМ)
ТК медных измерительных приборов – 0,00428°С -1 , диапазон измеряемых температур немного уже, чем у никелевых аналогов (от -50,0°С до 150°С). К несомненным преимуществам медных измерителей следует отнести их относительно невысокую стоимость и наиболее близкую к линейной характеристику «температура-сопротивление». Но, узкий диапазон измеряемых температур и низкие параметры удельного сопротивления существенно ограничивают сферу применения термопреобразователей ТСМ.
Конструктивное исполнение «Strain free»
Обозначения:
- А – Выводы термоэлектрического элемента.
- В – Защитный корпус.
- С – Спираль из платиновой проволоки.
- D – Мелкодисперсный наполнитель.
- E – Глазурь, герметизирующая ЧЭ.
Как видно из рисунка, четыре спирали из платиновой проволоки, размещают в специальных каналах, которые потом заполняются мелкодисперсным наполнителем. В роли последнего выступает очищенный от примесей оксид алюминия (Al2O3). Наполнитель обеспечивает изоляцию между витками проволоки, а также играет роль амортизатора при вибрациях или когда происходит ее расширение, вследствие нагрева. Для герметизации отверстий в защитном корпусе применяется специальная глазурь.
На практике встречается много вариаций типового исполнения, различия могут быть в дизайне, герметизирующем материале и размерах основных компонентов.
Исполнение Hollow Annulus.
Данный вид конструкции относительно новый, она разрабатывалась для использования в атомной индустрии, а также на объектах особой важности. В других сферах датчики данного типа практически не применяются, основная причина этого высокая стоимость изделий. Отличительные особенности высокая надежность и стабильные характеристики. Приведем пример такой конструкции.
Пример исполнения «Hollow Annulus»
Обозначения:
- А – Выводы с ЧЭ.
- В – Изоляция выводов ЧЭ.
- С – Изолирующий мелкодисперсный наполнитель.
- D – Защитный корпус датчика.
- E – Проволока из платины.
- F – Металлическая трубка.
ЧЭ данной конструкции представляет собой металлическую трубку (полый цилиндр), покрытый слоем изоляции, сверху которой наматывается платиновая проволока. В качестве материала цилиндра используется сплав с температурным коэффициентом близким к платине. Изоляционное покрытие (Al2O3) наносится горячим напылением. Собранный ЧЭ помещается с защитный корпус, после чего его герметизируют.
Для данной конструкции характерна низкая инерционность, она может быть в диапазоне от 350,0 миллисекунд до 11,0 секунд, в зависимости от того используется погружаемый или монтированный ЧЭ.
Пленочное исполнение (Thin film).
Основное отличие от предыдущих видов заключается в том, что платина тонким слоем (толщиной в несколько микрон) напыляется на керамическое или пластиковое основание. На напыление наносится стеклянное, эпоксидное или пластиковое защитное покрытие.
Миниатюрный пленочный датчик
Это наиболее распространенный тип конструкции, основные достоинства которой заключаются в невысокой стоимости и небольших габаритах. Помимо этого пленочные датчики обладают низкой инерционностью и относительно высоким внутренним сопротивлением. Последнее практически полностью нивелирует воздействие сопротивления выводов на показания прибора (таблицы термосопротивлений можно найти в сети).
Что касается стабильности, то она уступает проволочным датчикам, но следует учитывать, что пленочная технология усовершенствуется год от года, и прогресс довольно ощутим.
Стеклянная изоляция спирали.
В некоторых дорогих ТС платиновую проволоку покрывают стеклянной изоляцией. Такое исполнение обеспечивает полную герметизацию ЧЭ и увеличивает влагостойкость, но сужает диапазон измеряемой температуры.
Класс допуска
Согласно действующим нормам допускается определенное отклонение от линейной характеристики «температура-сопротивление». Ниже представлена таблица соответствия класса точности.
Таблица 1. Классы допуска.
Класс точности | Нормы допуска |
°C |t |
Приведенная в таблице погрешность отвечает текущим нормам.
Схемы включения ТСМ/ТСП
Существует три варианта подключения:
- 2-х проводное (см. А на рис. 7), этот наиболее простой способ используется в тех случаях, когда точность результатов не критична. Дополнительную погрешность создает номинальное сопротивление проводников, которыми подключается датчик. Обратим внимание, что для классов точности A и AA данная схема включения неприемлема. Рисунок 7. Двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная схема включения термометра сопротивления
- 3-х проводное (В). Такой вариант обладает более высокой точностью, чем 2-х проводная схема вариант подключения. Это происходит за счет того, что появляется возможность измерить сопротивление монтажных проводов, чтобы учесть их воздействие.
- 4-х проводное. Этот вариант позволяет полностью исключить воздействие сопротивления монтажных проводов на результаты измерений.
В измерительных приборах ТС, как правило, включен по мостовой схеме.
Пример подключения по мостовой схеме вторичного прибора (pt100) для измерения температуры воздуха
Обратим внимание, что под rл.с. в электрической схеме подразумевается сопротивление линий связи, то есть проводов, которыми подключен датчик.
Обслуживание
Информация о ТО температурного датчика указана в паспорте прибора или инструкции эксплуатации, там же приводится типовые неисправности и способы их ремонта, рекомендуемая длина кабеля для подключения, а также друга полезная информация.
Термометры сопротивления не требуют специального ТО, в задачу обслуживающего персонала входит:
- Проверка условий, в которых эксплуатируется датчик.
- Внешний осмотр на предмет целостности конструкции и кабельных соединений, проверка хода подвижного штуцера (если таковой имеется).
- Помимо этого проверяется наличие пломб.
- Проверяется заземление.
Такой осмотр должен проводиться с периодичностью один раз в месяц или чаще.
Помимо этого должна проводиться поверка приборов, с использованием эталонного датчика, например, ЭТС 100.
Платиновый эталонный ПТС (датчик ЭТС 100)
Для градуировки датчиков используются специальные таблицы, в качестве примера приведена одна из них для термосопротивления pt100. Саму методику калибровки мы приводить не будем, ее описание несложно найти в сети.
Градуировочная таблица для терморезистора pt100 (фрагмент, без указания пределов градуировки измерений)
Что касается методики поверки эталонных платиновых датчиков, то она должна производиться на специальных реперных точках.
«>