Урок 2. Параметрические тепловые и ионизационные преобразователи

Раздел 1. Тепловые преобразователи (термосопротивления)

Термосопротивление представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффи­циентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой.

Имеется несколько путей теплообмена:

1) конвекцией;

2) теплопроводностью среды;

3) теплопроводностью самого проводника;

4) излучением.

Интенсивность теплообмена проводника с окружающей средой зависит от следующих факторов:

1) скорости газовой или жидкой среды;

2)физических свойств среды (плотности, теплопроводно­сти, вязкости);

3) температуры среды;

4) геометрических размеров проводника.

Эту зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно использовать для измерения различных неэлектрических ве­личин, характеризующих газовую или жидкую среду: темпе­ратуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума).

Материал преобразователей

Как уже указывалось выше, термосопротивлением может служить проводник с высоким и стабильным температурным коэффициентом электрического сопротивления.

Этим требованиям удовлетворяют в основном проводники из химически чистых металлов, так как большинство из них обладает положительным температурным коэффициентом, колеблющимся
(в интервале 0…100°С) от 0,35 до 0,68% на 1 градус.

Наибольшее распространение в качестве термопреобразо­вателей получили платина, медь и никель. Вопрос о выборе материала для того или иного преобразователя решается в основном химической инертностью металла в измеряемой среде и пределом изменения температуры.

Так медный преобразователь можно применять при темпе­ратуре в пределах (- 50 … 180°С) в атмосфере, свободной от влажности и коррелирующих газов. При более высоких тем­пературах медь окисляется. Изоляцией для меди могут слу­жить эмаль, винифлекс, шелк.

Недостатком меди является ее малое удельное сопротив­ление.

Никель, при условии хорошей изоляции от воздействия среды, можно применять до 250 - З00°С; при более высоких температурах зависимость R=f(t) для него неоднозначна. Линейная зависимость R=f(t) у никеля можно принять только для температур не свыше 100°С.

Недостатком никелевых преобразователей является раз­личной для каждой марки никеля температурный коэффи­циент (0,51—0,58% на 1°С). Поэтому последовательно с ни­келевой проволокой обычно включают манганиновое сопро­тивление, снижающее температурный коэффициент до рас­четного и стабилизирующее его.

Большим достоинством никеля является большая величина его удельного сопротивления (r=0,075-0,085 Ом×мм²/м).

Наилучшими свойствами обладает платина, так как она, во-первых, химически инертна, а во-вторых, может быть использована в диапазоне температур от —200 до +650°С.

Однако платину нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. д.).

В настоящее время все чаще применяются полупроводни­ковые термосопротивления, которые изготавливают из смеси окислов различных металлов (CuO, CoO, MuO и др.). В про­цессе изготовления термосопротивления подвергают обжигу при высокой температуре. При обжиге окислы спекаются в плотную массу, образуя химическое соединение.

Зависимость сопротивления полупроводников от темпера­туры выразится следующей формулой:

(4.5)

где А - постоянная, зависящая от физических свойств полу­проводника, размеров и формы термосопротивления;

В - постоянная, зависящая от физических свойств полу­проводника;

Т - температура термосопротивления в градусах абсолютной шкалы.

Промышленность выпускает термосопротивления в разно­образном конструктивном исполнении типов ММТ, КМТ-4, МКМТ.

Достоинством таких термосопротивлений является очень высокой (отрицательный) температурный коэффициент сопро­тивления (2,5—-4% на градус).

Недостатками полупроводниковых термосопротивлений является нелинейная зависимость их сопротивления от тем­пературы (рис. 4.15) и большой разброс характеристик от об­разца к образцу. Это затрудняет получение линейной шкалы прибора и замену вышедшего из строя полупроводника. Кро­ме того, у них довольно мал температурный диапазон (—100…+120°).

Рис. 4.15. Вольтамперная характеристика полупроводникового термосопротивления.

Применяя преобразователи для измерения различных ве­личин, нужно стремиться к тому, чтобы все факторы, кроме измеряемой величины, как можно меньше влияли на измене­ние сопротивления термопреобразователя. Следовательно, требования к преобразователю, его погрешности и свойства будут определяться в зависимости от того, что измеряет при­бор.

Поэтому целесообразно рассмотреть применение термосо­противлений на конкретных примерах.

Применение. Тепловые преобразователи используются в приборах для измерения скорости газового потока (термоанемометрах); для определения процентного содержания компонента газовой смеси (газоанализаторах); для измерения температур (термометрах сопротивления); в измерителях плотности газа (вакуумметрах).

Рассмотрим применение тепловых преобразователей для измерения различных неэлектрических величин.