Термоперетворювачі опору

Львів 2010

Зміст

термоперетворювач опір температура аморфний

Загальні положення

1. Термоперетворювачі опору

2. Вимірювання температури за допомогою автоматичного зрівноваженого містка

3. Огляд сучасних термоперетворювачів

4. Вплив агресивного середовища на матеріал

5. Металеві аморфні стопи як матеріали чутливих елементів термоперетворювачів

Висновок

Загальні положення

У сучасних технологічних процесах вимоги до точності вимірювання температури на об’єктах ставлять на дуже високому рівні, тому постійно відбувається пошук шляхів покращання метрологічних характеристик термоперетворювачів. Чутливі елементи, які використовують сьогодні у промисловості, характеризуються недостатніми стабільністю статичної характеристики перетворення та надійністю і порівняно малим ресурсом. Методи та засоби, які застосовують для стабілізації електрофізичних властивостей матеріалів чутливих елементів, нині не забезпечують на необхідному рівні метрологічних та експлуатаційних характеристик сучасних термоперетворювачів.

Здебільшого основною проблемою контактної термометрії є:

- втручання в температуру об’єкта;

- вплив елементів конструкції та захисної арматури (висока інерційність;

-  корозія чутливих елементів і арматури;

- вплив способу монтажу на об’єкті;

-  похибка від гальмування потоку).

Найважливішими властивостями матеріалів для термометрії є:

- відтворюваність та стабільність електрофізичних параметрів;

- лінійність температурної залежності;

- стійкість проти впливів зовнішнього середовища;

- надійність та довговічність термоперетворювачів у робочих умовах.

Для створення термоперетворювачів опору використовують матеріали, що мають стабільні і відтворювані електрофізичні характеристики, а також високу стійкість проти впливу зовнішнього середовища. Для вимірювання високих температур використовують платину, вольфрам, молібден й інші важкотопкі метали, однак вони потребують залучення захисних засобів, що запобігають їх оксидуванню і виходу з ладу. Що стосується термоелектричних перетворювачів, то треба враховувати низку факторів, які впливають на термоелектричні властивості чутливих елементів, а саме:

- вплив механічних напружень у чутливому елементі на термоелектрорушійну силу (термо-ЕРС);

- вплив тиску на термо-ЕРС;

- вплив магнетних, електричних полів і радіаційного опромінювання на термоелектричні властивості матеріалів.

У сучасній термометрії налічується близько 55 % термоелектричних термометрів від загальної кількості контактних термометрів, що використовуються на промислових підприємствах і в наукових установах. Це зумовлено низкою переваг термоелектричних термометрів, зокрема такими, як простота виготовлення і експлуатації, достатня для більшості випадків точність вимірювання, наявність великої кількості вимірювальних приладів, розрахованих на роботу з термоелектричними перетворювачами, порівняно невисока вартість термометрів, високі характеристики надійності, взаємозамінюваність, можливість автоматизації процесу вимірювання.

 

Термоперетворювачі опору

У термометрах опору чутливий елемент виготовляють переважно з металів, стопів і напівпровідників високої чистоти. Більшість металів мають додатний температурний коефіцієнт електричного опору, який становить 0.004–0.006 К-1 для чистих металів, а це означає, що у напівпровідниках з підвищенням температури опір зазвичай зменшується за експоненційним законом. При цьому температурний коефіцієнт опору напівпровідників за абсолютним значенням в 5–10 разів вищий, ніж для чистих металів. Діапазон вимірювання температур термометрами опору лежить в межах від мінус 260 до +1100 °С. Термометри опору забезпечують високу точність вимірювання температури — похибка термометрів окремих типів не перевищує сотих часток Кельвіна. Наявність великої кількості вимірювальних пристроїв для роботи з термоперетворювачами опору, порівняно невисока вартість, висока надійність і стабільність (до 0.01 К на рік) термоперетворювачів, можливість автоматизації процесу вимірювання — всі ці якості забезпечують широке використання термоперетворювачів опору в практиці температурних вимірювань.

Дії термоперетворювачів опору базується на властивості металів збільшувати електричний опір при нагріванні, тобто

 

 

де R_t – опір металу, з якого виготовлено термоперетворювачі, при будь-якій температурі. У загальному випадку для виготовлення термоперетворювачів використовують чисті метали, зокрема мідь і платину. Залежність опору термоперетворювача із міді (R_t) від температури (t) записують у вигляді

 

де R₀ – опір термоперетворювача при t = 0°C;

a = 4,26·10^-3 [1/°С].

Для термоперетворювача опору з платини цю залежність записують у вигляді

 

 

де А = 3,968·10^-3 [1/°С]; В = -5,847·10^-7 [1/°С];

R₀ – опір цього термоперетворювача при t = 0°C.

Для контролю концентрації компонентів, що містяться у матеріалі, вимірюють значення електропровідності і температурного коефіцієнта електричного опору.

Значення температурного коефіцієнта опору для чистих металів зростає зі зростанням їх чистоти. Тому метали нормуються за значенням чистоти, яка корелює зі значенням температурного коефіцієнта опору б0-100. Значення відношення R100/R0 і б0-100 — загальноприйняті показники ступеня чистоти металу і наявності в ньому механічних напружень. Для мінімізації механічних напружень застосовують спеціальний режим відпалювання.

Конструкції термоперетворювачів опору різні, але всі вони мають чутливі термоелементи й зовнішню захисну арматуру. Промисловість випускає термоперетворювачі, у яких: R₀ = 50 Ом, або R₀ = 100 Ом. Термоперетворювачі опору мідні використовують для вимірювання температур від -50 до 200°С, а термоперетворювачі опору платинові – від -200 до 650°С. Найбільше вживають термоперетворювачі опору мідні типу ТСМ-0879, або термоперетворювачі опору платинові типу ТСП-0879. На ФСА ТП термоперетворювачі опору умовно позначають у вигляді: ТЕ – тобто як елемент систем автоматичного керування, це первинний перетворювач (ПП) для вимірювання температури.