5. 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