Сопротивление постоянному току одноэлементного резистивного преобразователя зависит от его длины l, поперечного сечения S и удельного
сопротивления материала r:
.
Если сечение резистора постоянно по его длине, то R = r l/S. Применяемые в настоящее время пленочные резисторы, толщина которых определяется технологией нанесения пленки, а ширина и длина сравнимы по значению, характеризуются сопротивлением R площадки, имеющей равные ширину и длину. Таким образом, сопротивление R 0 резистора, имеющего длину l и ширину b, определяется формулой R 0 = Pl/b (например, при l = 3 мм и b = 1 мм R 0 = 3 R).
Мощность, выделяемая на резисторе при включении его в измерительную цепь, определяется формулой:
Р=I 2 R, или Р = U 2 /R,
где I и U – ток и падение напряжения на резисторе.
Значение допустимой мощности P допдля резистора задается, как правило, допустимым перегревом, поэтому ток ограничивают через преобразователь или напряжение на нем , где R max и R min– границы диапазона, в которых может изменяться сопротивление преобразователя в процессе работы. Значение допустимой мощности определяется площадью поверхности S охл, условиями охлаждения и допустимой температурой перегрева Θдоп, а именно:
P доп=ξ S охлΘдоп,
где x – коэффициент теплоотдачи поверхности, или удельная мощность, при выделении которой на единице поверхности охлаждения температура преобразователя повышается на 1°C по отношению к окружающей среде. В отдельных случаях среди технических характеристик преобразователей указывается допустимая плотность тока и по ней определяется ток.[1]
Эквивалентная схема резистивного преобразователя учитывает, что при включении резистора в цепь последовательно с его сопротивлением R o оказывается включенным сопротивление соединительных проводов и контактов R л= 2 R пр+ 2 R к, а параллельно – сопротивление изоляции контактами и сопротивление утечек на корпус или на землю, вместе образующих сопротивление R ут (рис. 2-3, а и б).
a) б)
Рис. 2-3
Таким образом, эквивалентное сопротивление определится следующим образом:
R = (R 0 + R л ) R ут /(R 0 + R л + R ут ).
Разность между сопротивлениями R и R 0 равна
D R = R – R 0 = (R л R ут – R 0 R л – R 02 )/(R 0+ R л +R ут )» R л – R 0 /R ут,
и относительная погрешность сопротивления g R = DR/R 0= R л /R 0 – R 0 /R ут. Очевидно, что при малых сопротивлениях R 0 погрешность определяется сопротивлением R л, а при больших сопротивлениях R 0 сопротивлением R ут.
При погрешность g R > 0, а при значение g R <0.
При включении резистора в цепь переменного тока необходимо учитывать его индуктивность и емкость. Емкость С может быть образована межвитковыми емкостями и емкостями между резистором и близлежащими элементами. Индуктивность прямолинейного участка провода радиусом r 0 и длиной l определяется формулой:
.
Индуктивность одновиткового контура радиусом r равна
.
Индуктивность особенно велика у многовитковых проволочных резисторов. Чтобы ее уменьшить, применяют бифилярную обмотку, показанную на рис. 2-4, а.
Рис. 2-4
При бифилярной обмотке можно пренебречь индуктивностью, но существенно возрастает емкость между проводами при их сближении. Компромиссным решением является применение бифилярной секционной обмотки, показанной на рис. 2-4, б. Индуктивность L и емкость С являются распределенными параметрами, однако в большинстве случаев их можно учесть как сосредоточенные L экв и С экв. Наличие индуктивности и емкости приводит как к появлению реактивной составляющей сопротивления, так и к некоторому изменению активной составляющей. Эквивалентная схема (рис.2-4, в) может быть представлена в виде последовательного или параллельного включения активного и реактивного сопротивлений, определяемых при малых L экв и С экв приближенными формулами:
;
;
;
.
Сопротивление переменному току можно характеризовать постоянной времени t, равной t = L' экв/ R или t = C' экв R. Лучшие с этой точки зрения резистивные преобразователи характеризуются t» 10-6 ¸ 10-7 с. Для преобразователя с t=10-6 с изменение модуля сопротивления на 0,01% происходит при частоте напряжения питания 1000 Гц.
Активное сопротивление переменному току R на высокой частоте из-за поверхностного эффекта больше сопротивления постоянному току R 0. Для медного провода диаметром 1 мм увеличение сопротивления на 0,01% соответствует частоте 10 кГц.
Во всяком сопротивлении R присутствуют тепловые шумы, средняя мощность которых определяется формулой Найквиста:
где k – постоянная Больцмана, равная k = 1,38 · 10-23 Дж/К; Т – абсолютная температура; D f – полоса частот, к которой относится мощность.
Действующее шумовое напряжение зависитот значения сопротивления и определяется формулой:
.
В полной эквивалентной схеме резистивного преобразователя (рис. 2-4, г) напряжение шума учитывается в виде источника электродвижущей силы (ЭДС) .
В зависимости от условий работы преобразователя должны быть учтены те или иные составляющие эквивалентной схемы, однако всегда приходится учитывать сопротивление соединительных проводов и контактов и сопротивление изоляции, поэтому устранению их влияний уделяется особое внимание. Кроме того, при включении преобразователя в измерительную цепь приходится учитывать электрохимическую ЭДС e эх, термо – ЭДС и ЭДС наводок е инд и е э.
Чувствительность преобразователя и влияние внешних факторов. В общем случае на резистивный преобразователь влияют различные по физической природе величины: электрические (Х э), магнитные (Х м), механические (Х мх), тепловые (X т), световые (Х с) и т.д. Полное изменение сопротивления составляет
Частные производные в правой части уравнения являются чувствительностями к различным входным величинам. Функциональные зависимости между сопротивлением резистивного преобразователя и воздействующим фактором используются для построения соответствующих преобразователей, но в то же время приводят к нестабильности сопротивления и появлению погрешностей. Поэтому при построении преобразователя стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления происходило под действием лишь одной измеряемой величины; для этого влияние остальных величин сводят к минимуму конструктивным путем или применением компенсирующих устройств.
Одним из наиболее существенно влияющих факторов является температура. Для чистых металлов и большинства сплавов сопротивление повышается с ростом температуры и приближенно определяется формулой:
,
где R 2 и R 1 – сопротивления при температурах Q2 и Q1;aQ – температурный коэффициент сопротивления (ТКС), составляющий для большинства металлов приблизительно 0,004 К-1. Исключение составляют лишь специально разработанные термостабильные сплавы (манганин, константан). Температурная зависимость сопротивления манганина в диапазоне температур 10 – 35 °С определяется формулой:
,
где a» (1 ¸ 1,5)10-5 К-1 и b» (3 ¸ 6)10-6К-2.
В более широком диапазоне температур (от – 100 до +300 °С) изменение сопротивления достигает ±0,5%. Удельное сопротивление полупроводников с ростом температуры падает, зависимость сопротивления от температуры нелинейная, но в диапазоне температур 10 – 30 °С можно приближенно считать ТКС равным 0,03 К-1. Для уменьшения температурных погрешностей применяется термостатирование преобразователей и различные схемы температурной коррекции.
Изменение сопротивлений под действием однонаправленного механического напряжения s, вызывающего относительную деформацию e l =D l/l =s /Е, характеризуется коэффициентом тензочувствительности . Для металлических резисторов К T = 2¸2,5, для полупроводниковых K T=100¸200. Чувствительность проводниковых и полупроводниковых материалов к давлению окружающей среды характеризуется барическим коэффициентом . Этот эффект для металлов сказывается лишь при очень высоких давлениях (больше 108 Па).
Для измерения высоких и сверхвысоких давлений (до 30×108 Па) используются манганиновые преобразователи. Барический коэффициент манганина К Р =2,5×10-11 Па-1. Для работы в активных средах применяются сплавы золота с хромом (К Р = 1,05×10-11 Па-1). Ведется также исследование полупроводниковых материалов, барические коэффициенты которых значительно выше.
Влияние внешнего магнитного поля заметно лишь в преобразователях из специальных материалов, поэтому в большинстве случаев влияние магнитного поля на стабильность резисторов не учитывается. Для измерения индукции магнитных полей разработан специальный тип преобразователей – магниторезисторы, чувствительность которых в сильных магнитных полях (В» 1 Тл) достигает 20 – 50 Тл-1.
Освещенность существенно влияет на сопротивление полупроводниковых резисторов. В специально разработанных фоторезисторах сопротивление при переходе от темноты к полной освещенности уменьшается в 100–1000 раз. На другие полупроводниковые резисторы (терморезисторы, тензорезисторы и т.д.) освещенность влияет, безусловно, меньше, однако может привести к заметной нестабильности их характеристик, поэтому они должны быть экранированы от световых потоков.
Радиоактивное излучение влияет на металлические и полупроводниковые резисторы, вызывая при больших дозах даже необратимые изменения, определяемые как изменениями самого сопротивления, так и ухудшениями свойств изоляции и нарушением герметичности. На основе селенистого кадмия и сернистого кадмия выпускаются специальные резисторы, чувствительные к радиоактивному излучению.
Удельная проводимость некоторых полупроводниковых материалов существенно зависит от напряженности электрического поля. На основе этих материалов (тирит, тервит, винит и т.д.) разработаны и выпускаются нелинейные полупроводниковые резисторы, называемые варисторами. Сопротивление варистора падает при увеличении напряжения на нем, коэффициент чувствительности к напряжению достигает 0,1–1 В-1 при напряжении питания до 10–20 В. Варисторы находят применение в схемах регулирования и стабилизации электрических величин, а также в схемах защиты от перенапряжений.