Служат для непосредственного преобразования температуры в параметр электрической цепи. Они бывают проволочные и полупроводниковые.
Проволочные резисторы характеризуются следующими зависимостями сопротивления от температуры:
платиновые в диапазоне от 0 °С до 650 °С
RT = R 0(1+ aT D T – aB D T 2), (12)
где aT =3,97×10–3 1/К и aB =5,85×10–7 1/К2 – температурные коэффициенты сопротивления;
медные в диапазоне от –50°С до 180°C
RT = R 0(1+ aT D T),(13)
Сопротивление R 0градуируют при 0°С. Для более точных измерений используют специальные таблицы для промышленных проволочных резисторов основных типов (приложение 2).
Для преобразования температуры в электрический сигнал с помощью терморезисторов используют измерительные схемы.
Схемауравновешенного моста приведена на рисунке 4, а. В одно из плеч моста включен термочувствительный элемент RT (ТСМ, ТСП или терморезистор). Питание от источника напряжения GB подключено к одной из диагоналей моста, в другую включен измерительный прибор. Если мост уравновешен, то ток в измерительной диагонали равен нулю, что достигается при соотношении сопротивлений плеч R 3= RT (R 2/ R 1).
Рис. 4. Измерение сопротивления способом:
а – уравновешенного моста; б – неуравновешенного моста; в – с помощью логометра.
Принцип измерения температуры состоит в том, что при изменении сопротивления RT с помощью переменного резистора R 3добиваются равновесия моста. Таким образом, указатель шкалы связан с подвижным контактом переменного резистора R 3, причем характер шкалы полностью соответствует температурной характеристике термочувствительного элемента. Измерительный прибор РА служит в качестве нуль-индикатора, а шкала переменного резистора отградуирована в °С. К преимуществам уравновешенной схемы относится независимость точности измерения от колебаний напряжения источника, что важно при использовании батарей или аккумуляторов. Недостаток схемы – необходимость ручной настройки шкалы при измерении.
Схема неуравновешенного моста приведена на рисунке 4, 6. Равновесие моста обеспечивается при настройке в одной точке температурного диапазона измерения (обычно в его начале), а при разбалансе моста определяют ток в измерительной диагонали
I = U ав(R 1 R 3 – R 2 RT)/ R 2 R 3(R 1+ RT). (14)
В этом случае шкала измерительного прибора РА отградуирована в °С, но она нелинейно связана с температурной характеристикой термочувствительного элемента, так как величина RT входит в числитель и знаменатель выражения (14). Шкала приблизительно линейна при небольших изменениях температуры и более сжата к концу температурного диапазона. Кроме того, точность измерения существенно зависит от напряжения U ав. Чтобы обеспечить его постоянство, используется переменный резистор R 1, который настраивают после переключения измерительной цепи на контрольный резистор R 3. Сопротивление R к соответствует значению сопротивления RT при некоторой температуре, которая на шкале отмечена красным. При переключении на сопротивление R к указатель РА должен устанавливаться на это метке. Таким образом, при использовании уравновешенной схемы измерения необходимо обеспечить стабильность напряжения моста.
Полупроводниковые терморезисторы обладают более высокими значениями сопротивления и чувствительности по сравнению с проволочными.
Сопротивление полупроводниковых терморезисторов зависит от температуры
RT = RTo exp(BT / T – BT / T 0), (15)
Температурный коэффициент сопротивления резисторов aТ (1/К) зависит от температуры и имеет отрицательный знак
aТ = – BT / T 2. (16)
Вольт-амперная характеристика терморезисторов имеет точку максимума по напряжению, что позволяет использовать их также в схемах сигнализаторов температуры. Для расчетов удобно пользоваться безразмерной вольт-амперной характериситкой терморезисторов типов КМТ и ММТ (приложение 3). При нахождении характеристики конкретного терморезистора должны быть известны значения напряжения и тока в точке максимума
I = IM x, U=UM y. (17)
Линейный участок при небольших токах используется для измерения температуры, точка максимума – в термореле, а участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением при большом нагреве рабочего тела – для измерения влажности, давления, скорости и т.д.
Нелинейность вольт-амперных характеристик как полупроводниковых, так и проволочных терморезисторов определяется повышением температуры рабочего тела за счет нагревания протекающим током
Tp = T +(U I)/ b, (18)
Коэффициент b зависит от конструкции термопреобразователя и условий окружающей среды.
Тепловая инерционность преобразователей объясняется наличием определенной массы и теплового контакта со средой, в результате чего температура рабочего тела меняется не мгновенно. Обычно измерение температуры рабочего тела происходит по экспоненциальной зависимости
D Tp =D T (1–e– t / t), (19)
где D T – изменение температуры среды, К; t – постоянная времени, которая так же, как и коэффициент b, зависит от условий окружающей среды, с.
Тепловую инерционность и нагревание рабочего тела терморезисторов необходимо учитывать при выборе электрических и тепловых режимов работы.
В современной измерительной технике применяются также термопреобразователи с полупроводниковыми термочувствительными элементами (диоды, транзисторы, тиристоры). Они характеризуются небольшими размерами и тепловой инерционностью, широким диапазоном выбора параметров. Кроме того, при сохранении их функционального назначения в электронных схемах можно получать термопреобразователи с непосредственным преобразованием температуры в частоту и амплитуду импульсов, в цифровой сигнал.
Контрольные вопросы:
1. Проволочные и полупроводниковые
2. Схема уравновешенного моста
3. Сопротивление полупроводниковых терморезисторов
4. Вольт-амперная характеристика терморезисторов