Терморезисторы

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор.

Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно при меняются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

R_t=R₀(1+at) (33)

где R0 — сопротивление при 0⁰ С; а = 4,28 * 10^-3 температурный коэффициент.

Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температур-

ный коэффициент платины примерно равен о= 3,91 * 10^-3 К^-1

Чувствительный элемент медного терморезистора (рис. 4.41,а) представляет собой пластмассовый цилиндр /, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0—1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис 21), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь стланец 3.

При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы.

Основные параметры наиболее распространенных терморезисторов и обозначения их градуировок по ГОСТ 6651-84 приведены в таблице

Номинальные функции преобразования (статические характеристики) медных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСТ 6651-84.

Схемы включения металлических терморезисторов. Термометр сопротивления и провода, соединяющие его со вторичным прибором

включены последовательно. Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры.

Вторичные преобразователи термометров сопротивления выполняются такими, чтобы максимально уменьшить эту погрешность. Если требуется наибольшая точность измерения температуры, например при метрологических работах, используется компенсационная схема. По этой схеме применяют четырехзажимные платиновые терморезисторы. Провода1-1 используются для подвода тока, а два других 2—2 служат для измерения падения напряжения Ut на термочувствительной обмотке. Падение напряжения Ut измеряется с помощью потенциометра. Измеряется также падение напряжения U0 на образцовой катушке R0. Сопротивление терморезистора при этом равно

Rt= R₀U/U₀. (34)

Благодаря компенсационному методу измерения отсутствует падение напряжения на проводах, соединяющих термометр с потенциометром, и их сопротивление не влияет на результат измерения.

Рис 21 Рис 22

Фотоэлектрические преобразователи

Принцип действия и основные типы преобразователей. Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные

умножители.

Рис 23

Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототокомДля фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона E=vh где v— частота света; h постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота v_гр=Ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны λгр=с/v_гр где с- скорость света, — длинноволновым порогом фотоэффекта. Если λ > λ Гр, то никакая интенсивность света не может" вызвать фотоэффект.

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых λ гр= 2,7 мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

G=Iф/U (35)

где Iф — фототок; U — напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Типичная зависимость фототока от освещенности приведена на рис 24 Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

К = R_T/R₂₀₀=10⁵ (36)

где RT— темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя;R₂₀₀- сопротивление при Е = 200 лк. ВАХ фоторезисторов линейна (рис 24), т. е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения.

Рис 24

Рис 25

Инерционность характеризуется постоянной времени т. У сернисто-кадмиевых преобразователей т лежит в пределах 1- 140 мс,у селенисто-кадмиевых - 0,5—20 мс.

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.

Особенности применения фотоэлектрических преобразователей для измерения несветовых величин, фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом измерения, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету. Их недостатком является большая погрешность, которая в основном определяется усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры. Вследствие этих особенностей фотоэлектрические преобразователи нашли применение в основном в следующих случаях.

1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала, имеющего диск с отверстиями. Диск прерывает луч света, падающий на фотоэлектрический преобразователь. Измеряемая скорость преобразуется в частоту электрических импульсов.

2. В качестве прямого преобразователя в компенсационных измерительных приборах.

З.При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной преобразования является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором.

Рис 26

Для уменьшения погрешности измерения фотоэлектрические преобразователи включаются в дифференциальные или компенсационные измерительные цепи. Дифференциальная схема с двумя фотоэлектрическими преобразователями, служащая для измерения концентрации раствора, приведена на рис. 26. Первый луч света от источника проходит через объект измерения 2, например через кювету с исследуемым раствором, и попадает на фоторезистор 3. Второй луч проходит через применяемый для настройки прибора оптический клин 4 и попадает на второй фоторезистор 5. Фоторезисторы включены в мостовую цепь. Благодаря дифференциальной схеме компенсируются температурные и другие аддитивные погрешности. Однако вследствие разброса характеристик и параметров фотоэлектрических преобразователей каналы дифференциальной цепи несколько отличаются друг от друга, и компенсация tполучается неполной. Достоинством схемы является ее пригодность для измерения быстропеременных величин. Инерционность прибора обусловливается инерционностью фотоэлектрических преобразователей и выходного прибора.