Для температур ниже 0 С справедливо соотношение:
. (23)
Для чистой платины: А=3,940Ч10-3; В=-5.8Ч10-7; С=-4Ч10-12.
Медные термопреобразователи сопротивления. Медная проволока, выпускаемая промышленностью, отличается достаточной степенью чистоты, и поэтому изготовленные из неё термометры обладают весьма хорошей взаимозаменяемостью. К достоинствам меди следует отнести линейную или близкую к линейной зависимость сопротивления от температуры, достаточно высокий ТКС, а также дешевизну проволоки. Недостатком меди является её сильная окисляемость при повышенных температурах, что ограничивает температурный предел применения медных термосопротивлений (ТСМ). Серийно выпускаемые технические ТСМ применяются для температуры в диапазоне от - 200 до +200 °С.
Никелевые термопреобразователи сопротивления. Основными достоинствами никеля являются высокие значения ТКС (б=6,410-3 К-1) и удельного сопротивления. К числу недостатков никеля следует отнести значительную окисляемость при высоких температурах. Поэтому никелевые термосопротивления (ТСН) могут быть использованы для длительных измерений только до 150 °С, а для кратковременных - до 180 °С. Зависимость сопротивления ТСН от температуры описывается полиномом второй степени (20) с положительным коэффициентом при квадратичном члене. Наиболее существенным недостатком никелевой проволоки является зависимость её ТКС от наличия примесей. Поэтому для обеспечения взаимозаменяемости термопреобразователей обычно последовательно с резистором из никеля включается резистор из материала с малым ТКС (манганит).
3.3 Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления
Перечень полупроводниковых материалов, в той или иной степени удовлетворяющих резистивной термометрии, в настоящее время чрезвычайно велик. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность сопротивления к температуре, на порядок и более превышающая чувствительность металлов. Промышленность серийно выпускает множество типов полупроводниковых термопреобразователей в различном конструктивном оформлении, называемых термисторами.
Термисторы широко используются для измерения температур в диапазоне (-100 +300) °С. Исходными материалами для изготовления термисторов служат смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со специальным веществом в нужном соотношении; прессованием им придают необходимую форму, их спекают при температуре, близкой к температуре плавления используемых оксидов.
Так, например, термисторы типа КМТ, СТ1, ПТ изготавливают на основе кобальто-марганцевых, ММТ и СТ2 - на основе медно-марганцевых, СТ3 и МКМТ - медно-кобальто-марганцевых и СТ4 - никель-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников.
Термисторы имеют большое номинальное сопротивление (от единиц до сотен кОм), большой ТКС и малую инерционность. К числу их недостатков следует отнести нелинейность температурной зависимости сопротивления, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, нестабильность СХ.
Зависимость сопротивления термисторов от температуры описывается выражением:
(24)
где R0 - сопротивление термистора при Т=273, T=273° + и - абсолютная температура; B - постоянная материала.
Сопротивление полупроводникового термопреобразователя измеряется неуравновешенным четырёхплечим мостом постоянного тока (Рисунок.8). Индикатором состояния моста является магнитоэлектрический логометр с подвижным магнитом и двумя неподвижными катушками, имеющими активные сопротивления R8 и R9. При изменении температуры величина сопротивления R15 изменяется, происходит перераспределение токов в рамках логометра и отклонение его подвижной системы.
Сопротивления R5 и R6, включенные по последовательно-параллельной схеме, являются корректирующими. Они выравнивают характеристики приемника.
Рисунок 8. Схема неуравновешенного четырёхплечего моста постоянного тока
3.4 Особенности устройства термометров сопротивления
Особенности устройства терморезисторного термометра ТНВ-15. Для измерения температуры наружного воздуха используется термометр ТНВ-15 с проволочным термопреопреобразователем П-5. Его теплочувствительный элемент 1 (Рисунок9) размещается в корпусе, внутренний канал которого расточен по профилю сопла Лаваля 2. Корпус, в свою очередь, крепится к основанию 4 с помощью полого откоса 3. Внутри откоса размещён подгоночный резистор 5 из манганита. Термопреобразователь П-5 устанавливается на борту самолёта так, чтобы продольная ось его корпуса совпадала с направлением набегающего потока воздуха.
Рисунок 9. Устройства терморезисторного термометра ТНВ-15: 1 - теплочувствительный элемент; 2 - внутренний канал корпуса; 3 - полый откос; 4 - основание; 5 - подгоночный резистор.
Принципиальная электрическая схема термометра ТНВ-15 показана на Рисунок 10. Это четырёхплечий неуравновешанный мост с магнитоэлектрическим логометром. Примененный логометр с подвижными рамками имеет увеличенный размах шкалы термометра, однако ему свойственен ряд недостатков, связанных с малой вибропрочностью и сложностью конструкции подвижной системы. К одной из диагоналей которого подается питание от сети постоянного тока 27 В. Во вторую диагональ включены две рамки логометра.
Сопротивления Rl, R2, R4, R6, R9, R10 выполнены из манганина, сопротивления R3, R5, служащие для температурной компенсации, -- из меди.
Равновесие моста обусловлено равенством
R9R4=(R11+R10)(R2+R3).
В этом случае в рамках логометра протекают равные по величине токи. Взаимодействуя с неравномерным полем постоянного магнита логометра, рамки устанавливают подвижную систему и стрелку указателя против среднего деления шкалы.
Рисунок 10. Принципиальная электрическая схема термометра ТНВ-15
При любом другом значении температуры сопротивление приемника имеет определенную величину, равновесие моста нарушается, изменяется соотношение токов в рамках, причем каждому отношению токов соответствует единственное положение подвижной системы.
Диапазон измерения температуры ТНВ-15 от -60 °С до +150 °С с показывающим прибором ТНВ-1. Основная погрешность измерения температуры на рабочем участке диапазона измерения приборов не превышает 4 °С.
Особенности устройства терморезисторного термометра ТУЭ-48. Унифицированный терморезисторный термометр типа ТУЭ предназначен для измерения температуры масла, воды, воздуха, наружного воздуха и др. Он состоит из датчика и указателя. Датчик включает теплочувствительный элемент ТЭ, корпус и штепсельное соединение (Рисунок 11).
Рисунок 11 - Устройство датчика термометра ТУЭ-48: 1 - спираль; 2 - стойка; 3 - никелевая проволока; 4 - пластина; 5 - теплопроводящая пластина; 6 - корпус; 7 - прокладка; 8 - колодка; 9 - гайка; 10 - штепсельный разъем
Теплочувствительный элемент выполнен из никелевой неизолированной проволоки 3, намотанной на две пластины из слюды 4. Изоляция никелевой обмотки с наружной стороны осуществляется тонкими слюдяными прокладками 7, поверх которых помещены теплопроводящие пластины из серебра, соприкасающиеся с корпусом датчика 6. Такая конструкция ТЭ обеспечивает хороший теплообмен с измеряемой средой, способствующей уменьшению погрешностей прибора. Корпус датчика изготовлен из нержавеющей стали.
В термометрах ТУЭ-48 указателем является логометр с подвижным магнитом и неподвижными рамками (Рисунок 12).
Рисунок 12. Устройство логометра термометра ТУЭ-48: 1 - демпфер; 2 - магнит подвижной системы; 3 - катушка внутренняя; 4 - магнит для возвращения стрелки; 5 - стрелка; 6 - подпятник; 7 - основание; 8 - магнитный экран; 9 - ось подвижной системы; 10 - катушка; 11 - экран.
Подвижная система логометра состоит из плоского железоникельалюминиевого магнита 2, укрепленного на оси 9, и стрелки 5 с балансировочными грузами. На концах оси 9 запрессованы керны 11 из кобальтовольфрамовой стали, опирающиеся на подпятники 6 из корунда.
Подвижный магнит окружен демпфером 1 из красной меди. При колебаниях подвижной системы в демпфере возникает вихревые токи, способствующие успокоению системы.
На демпфер надеты две пары катушек: внутренняя 3 и наружная 10, расположенные под углом 120 °.
Для возвращения стрелки в нулевое положение при выключенном токе служит неподвижный магнит 4. Создаваемый им возвращающий момент более чем на два порядка меньше момента логометра. Логометр защищен от влияния внешних магнитных полей экраном 8 из пермаллоя, являющимся также магнитопроводом для потоков катушек.
Принципиальная электрическая схема термометра ТУЭ-48 (Рисунок 13).
Рисунок 13. Принципиальная электрическая схема термометра ТУЭ-48
Сопротивление термопреобразователя измеряется двойным мостом постоянного тока. В схеме двойного моста выводы катушек (рамок) логометра с одной стороны соединены вместе, а с другой стороны через сопротивления R4, R5. Токи, протекающие по катушкам логометра, и соответственно потенциалы точек А, В, С зависят от величины сопротивления R8, размещенного в приемнике температуры. В частности, с увеличением R8 потенциал точки А увеличивается, и наоборот.
Если температура окружающей среды постоянна, потенциалы точек В и С постоянны по величине, так как величины сопротивлении R2, R3, R4, R5, R6 в этом случае не изменяются. Сопротивления моста подобраны так, что при температуре -50 °С потенциалы точек А и С равны между собой, а потенциал точки В больше потенциала точки А. Вследствие такого распределения потенциалов ток в катушке R10 равен нулю, а в катушке R9 достигает максимального значения. Постоянный магнит логометра устанавливается в направлении вектора поля катушки R9.
При температуре +50 °С разность потенциалов точек А и В равна разности потенциалов точек А и С. Токи в катушках логометра равны по величине и направлены от точки В к точке А и от точки А к точке С. Магнит логометра устанавливается в направлении результирующего вектора полей обеих катушек. Это положение магнита соответствует среднему положению стрелки на шкале указателя.
При увеличении температуры с +50 до +150 °С потенциал точки А приближается к потенциалу точки В, поэтому ток в катушке R9 уменьшается до пуля, а в катушке R10 увеличивается до максимального значения. Подвижный магнит поворачивается в сторону катушки R10.
Каждая катушка логометра имеет одинаковое число витков. Сопротивление внутренней рамки меньше, чем наружной, поэтому в цепь внутренней рамки включено сопротивление R11 для обеспечения симметричности схемы и температурной компенсации. Резисторы R3 и R4, имеющие положительный температурный коэффициент сопротивления, также служат для температурной компенсации инструментальной погрешности показывающего прибора. При этом изменение сопротивления R3 компенсирует изменение тока в обмотке R10 из-за изменения температуры окружающей среды, а изменение сопротивления R4 - в обмотке R9.
Термометр типа ТУЭ-48 имеет следующие характеристики:
диапазон измерения от - 70 до 150 °С, цена деления 10 °С;
погрешность измерения при нормальной температуре 1,5 %;
термометр работает от источника питания постоянного тока напряжением 272,7 В;
датчики и указатели разных комплектов взаимозаменяемы.
Конструкция приёмника температуры и преобразователя.
Приёмник температуры П-69-2М (Рисунок 14) состоит из корпуса 1, внутри корпуса находятся два чувствительных элемента (изоляционная пластинка 2, на которую бифилярно намотана платиновая микропроволока 3).
Рисунок 14. Устройство приёмника температуры П-69-2М: 1 - корпус; 2 - чувствительный элемент (изоляционная пластинка); 3 - платиновая проволока; 4 - трубка; 5 - колодка; 6 - втулка; 7 - стойка; 8 - выходные концы; 9 - штепсельный разъем
Все детали приёмника крепятся к стойке 7 и втулке 6, выполненные из жаропрочной хромоникелевой стали. Для защиты от солнечной радиации поверхность датчика полируется. Выходные концы 8 сопротивления через колодку 5 и трубку 4 соединены со штепсельным разъёмом 9.
Преобразователь смонтирован в отдельном корпусе. На изолированных платах собраны мультивибратор, триггер, интегратор и компаратор.
Соединение с приёмником температуры, блоком питания и регистрирующими устройствами производится через штепсельный разъём.
3.5 Параметры терморезисторов
1. Теплоёмкость терморезистора (С) - количество тепла, которое может аккумулировать терморезистор при изменении его температуры на 1 °С:
, (25)
где WT - тепло, выделенное в теле терморезистора; Wб - тепло, рассеянное в окружающую среду.
С однозначно определяется температурой терморезистора и численно равна энергии, которую необходимо сообщить терморезистору, чтобы изменить его температуру на 1°С.
2. Динамический коэффициент рассеяния мощности кД:
(26)
где ; kД - определяется температурой терморезистора Т, температурой окружающей среды и и зависит от термодинамических свойств последней, площади и природы поверхности терморезистора.
3. Тепловая постоянная времени ф:
(27)
4. Электрическая постоянная времени терморезистора фe характеризует скорость изменения тока и напряжения в процессе их установления. Электрическая постоянная времени фe связана с тепловой постоянной времени ф и динамическим множителем D соотношением:
(28)
5. Динамический множитель:
или (29)
3.6 Погрешности терморезисторных термометров
Основными погрешностями приборов прямого преобразования являются: