Желбаков И.Н., Кончаловский В.Ю., Солодов Ю.С. Метрология, стандартизация, сертификация - файл n1.doc

приобрести
Желбаков И.Н., Кончаловский В.Ю., Солодов Ю.С. Метрология, стандартизация, сертификация
скачать (8721.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc8722kb.07.07.2012 01:23скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   41

3.4.1. Принцип действия.



В терморезисторных ИП используется зависимость сопротивления R проводника или полупроводника от измеряемой температуры ? среды, в которой он находится. Материал терморезисторных ИП должен обеспечивать:

– высокую чувствительность S = dR/d?;

– хорошую линейность функции преобразования R(?);

– широкий температурный диапазон ?min ч ?max;

– химическую инертность в агрессивных средах.

Найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям, не удаётся, поэтому приходится идти на компромиссы. Практически используются металлические и полупроводниковые ИП, сильно различающиеся по своим свойствам. Из металлов применяется, в основном, медь и платина.

3.4.2. Разновидности терморезисторных ИП.



Медные ИП.
В диапазоне от – 50 до 200 0С медные ИП имеют линейную функцию преобразования
R = R0(1 + ??), (3.1)
где R0 – сопротивление при ? = 0оС;

? – температурный коэффициент; ? = 4,26 Ч 10–3 1/ оС;

? – температура в диапазоне от минус 50 до плюс 200 оС.

Из (3.1) следует, что чувствительность медных ИП

а относительная чувствительность
= 0,426 %/ oC,
т.е. приблизительно 4% на 10 оС. {3К9}
Главными достоинствами медных ИП является линейность функции преобразования и низкая стоимость.

Главные недостатки:

– узкий диапазон преобразуемых температур: при ? > 200оС происходит окисление;

– эти ИП не допускают влажности и коррозирующих газов.
Платиновые ИП.
Температурный диапазон ?min ч ?max у платиновых ИП значительно шире, чем у медных: от – 260 до 850 оС (до 1100 оС для единичного производства).

В диапазоне от 0 до 850 оС функция преобразования описывается выражением
R = R0(1 + ?? + ??2), (3.2)
где ? = 3,96847 Ч 10–3 ; ? = – 5,847 Ч 10–7 .

Как видно из (3.2), функция преобразования R(?) платиновых ИП, в отличие от медных, не линейна. Максимальное относительное отклонение от прямой линии, проведённой через крайние точки диапазона 0 и 650 оС, составляет около 5%. Функция преобразования R(?) платиновых ИП табулирована с шагом в 1 оС, и, в соответствии со стандартом, допускаемые отклонения от табличных значений очень малы. {3К10} Поэтому не нужно думать, что нелинейность R(?) создаёт погрешность преобразования температуры в сопротивление, но эта нелинейность так или иначе должна быть учтена в средствах измерения.

Относительная чувствительность платиновых ИП примерно такая же, как медных, т.е. около 4% на 10 оС.

Платина, в отличие от меди, – благородный металл, обладающий химической инертностью в агрессивных средах.

Само собой разумеется, что платиновые ИП дороже медных.
Полупроводниковые ИП.
Полупроводниковые ИП изготавливают из германия, а также из смеси окислов различных металлов (меди, кобальта, марганца), обжигаемой при высокой температуре и спекающейся в прочную массу. Последние получили название термисторов. {3К11}

Функция преобразования полупроводниковых ИП сильно отличается от металлических:

R = Ae B / ?, (3.3)
где ? – температура в градусах Кельвина (К);

А и В – постоянные, А – в омах, В – в градусах Кельвина.

Значения А и В зависят от свойств полупроводника, а значение А ещё и от размеров и формы терморезистора.

Из (3.3) сразу видны отличия полупроводниковых ИП от металлических:



Нелинейность функции преобразования ограничивает применение полупроводниковых ИП сравнительно узким диапазоном ?min ч ?max, например, диапазоном температур человеческого тела.

Существенный недостаток полупроводниковых ИП состоит в том, что значения постоянных А и В имеют большой разброс по экземплярам. Для каждого данного экземпляра их можно найти экспериментально:
R1 = Ae B / ?1;

R2 = Ae B / ?2,
где R1 и R2 – значения R, измеренные при ? = ?1 и ? = ?2.

Решение этой системы уравнений относительно А и Б даёт:

Конструкции терморезисторных ИП весьма разнообразны. {3К12}

3.4.3. Измерительные цепи.



На рис. 3.4 показан неравновесный мост с терморезистором R1, например, медным.





Рис. 3.4. Неравновесный мост с терморезистором.
Для медного терморезистора
R1 = R0(1 + ??). (3.4)
При ? = 0 мост уравновешен, т.е. U = 0. Это будет при условии
R0 R3 =R2 R4,
в частности, при

R0 = R4 (3.5)

и

R2 = R3 = R. (3.6)
При ? ? 0


Введём обозначение А = R/ R0. Тогда с учётом (3.4) – (3.6)
. (3.7)

Из (3.7) видно, что при линейной зависимости R1(?), функция преобразования моста U(?) оказывается нелинейной. Оценим нелинейность функции U(?) как её отклонение от касательной, проходящей через начало координат. Можно показать, что уравнение этой касательной будет
(3.8)

а относительное отклонение от неё
. (3.9)
Как выбрать значение А = R / R0 или как выбрать R при известном R0?

Выделим в (3.8) ЕА/(1 + А) и подставим сюда А = R/ R0:

где I – ток, протекающий по R2 = R и R1 = R0 (см. рис. 3.4). Тогда вместо (3.8) получим
(3.10)
Из (3.10) видим, что чем больше I и чем больше R, тем больше U, а из (3.9) – что чем больше R, тем меньше ?, т.е. тем меньше нелинейность функции U(?). Увеличение тока I ограничено нагревом терморезистора этим током и, соответственно, изменением его сопротивления не от воздействия измеряемой температуры ?, а от нагрева током. Существует эмпирическая формула

где I – ток в амперах; d – диаметр проволоки терморезистора в миллиметрах; ?? – превышение температуры терморезистора по сравнению с измеряемой температурой из-за нагрева током в оС.

Пример.

Пусть при d = 0,1 мм и ?? = 0,1оС имеем I = 20 мА.

Полагая в (3.10) R >> R0, т.е А >> 1 + ??, получим
U ? IR0??, (3.11)
что означает линейную зависимость R от ?.

Но при заданном значении I увеличение R требует увеличения Е, ибо

Е = I (R + R0). {3К13}

Очевидно, что стремление увеличить Е и R2 = R в схеме рис. 3.4 соответствуют стремлению заменить их на источник тока. Ток идеального источника тока остаётся неизменным при температурных изменениях R1, и именно это исключает нелинейность функции U(?). В схеме рис. 3.5 равенство (3.11) будет не приближённым, а точным.

Рис. 3.5. Замена неравновесного моста на схему с источниками тока.
Практически идеальных источников тока не существует, но к ним приближаются некоторые элементы с нелинейными характеристиками, например, вольтамперная характеристика транзистора, включённого по схеме с общей базой. Например, микросхема ADТ70 фирмы Analog Devices содержит в своём составе два источника тока как на рис. 3.5, так что к ней достаточно подключить только R1 и R2, чтобы получить преобразователь температуры ? в код. {3К14}

Другая разновидность измерительных цепей с терморезисторами – равновесные мосты с автоматическим уравновешиванием. {3К15}
ВОПРОСЫ:

1. Что представляет собой терморезисторный измерительный преобразователь? Для измерения каких неэлектрических величин он используется?

2. Каков принцип действия терморезисторного измерительного преобразователя?

3. Какие материалы используются для изготовления терморезисторных измерительных преобразователей? Каковы технические требования к этим материалам?

4. Каковы технические характеристики медных терморезисторных измерительных преобразователей? Укажите их достоинства и недостатки.

5. Каковы технические характеристики платиновых терморезисторных измерительных преобразователей? Укажите их достоинства и недостатки.

6. Каковы технические характеристики полупроводниковых терморезисторных измерительных преобразователей? Укажите их достоинства и недостатки.

7. Нарисуйте простейшие схемы включения терморезисторных измерительных преобразователей.


3.5. Индуктивные измерительные преобразователи.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   41


3.4.1. Принцип действия
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации