Центр РА
Обучение  
Исследования  
Консультации  
Программное обеспечение  
Издания  
Науки  
Контакты  
Научное общество  
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ    ИНФОРМАЦИЯ  
 
За информацией о
работе Центра обращайтесь:
info@center-ra.ru
Студия интернет-дизайна TechApple.ru
Методические пособия.     Терморезистивные преобразователи
 


Скачать


Цель работы

Изучить основы теории, принцип действия и причины возникновения погрешностей терморезистивных преобразователей;

Экспериментально исследовать характеристики терморезистивных преобразователей.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Назначение и принцип действия терморезистивных преобразователей.

Принцип действия терморезистивных преобразователей (терморезисторов), основан на свойстве ряда веществ изменять свое электрическое сопротивление при воздействии температуры.
Терморезисторы используются при создании измерительных устройств: термометров и датчиков температуры.
В авиации термометры и датчики температуры применяются для измерения температуры газов в газотурбинных двигателях (ГТД), температуры в камерах сгорания реактивных двигателей, температуры масла и охлаждающих сред, наружного воздуха и др. Диапазон температуры газов в ГТД весьма широк и находится в пределах от 300 до 12000С, а иногда повышается до 16000С. В камерах сгорания реактивных двигателей температура может превышать 30000С. В системах охлаждения двигателей и в маслосистемах максимальная температура достигает 1500С.
Для изготовления терморезисторов применяются металлические, неметаллические и полупроводниковые материалы.

Металлические терморезисторы
Электрический ток в металлах представляет собой движение свободных электронов.
Идеальная кристаллическая решетка проводниковых материалов не создает сопротивления для их движения: ее электрическое сопротивление равно нулю. Причиной сопротивления является неидеальная периодичность кристаллической решетки материалов, которая обусловливается, с одной стороны, тепловыми колебаниями атомов и, с другой стороны, дефектами кристаллической решетки.
Большинство химически чистых металлов обладают положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). В зависимости от диапазона температур и других предъявляемых требований терморезисторы изготавливаются из платины, никеля и, реже, из меди и вольфрама.
На рис.1 представлен график зависимости сопротивления терморезисторов этих металлов от температуры, а в таблице 1 даны численные значения их характеристик.



Рис.1. Графики зависимости относительного сопротивления чистых металлов: платины, меди, никеля, железа - от температуры


Таблица 1


Принцип действия терморезисторов основан на том, что сопротивление проволоки, по которому протекает электрический ток, зависит от температуры окружающей среды, геометрических параметров конструкции, свойств материалов.
На рис. 2 изображена схема конструкции датчика температуры с металлическим терморезистором.



Рис.2. Схема конструкции датчика температуры с металлическим терморезистором: 1-металлическая проволока, 2-каркас из изоляционного материала, 3-изоляционные прокладки, 4-упругие скобы,5-токоподводы, 6- защитный корпус.


Неметаллические терморезисторы с положительным ТКС

Неметаллические терморезисторы с положительным ТКС называются позисторами. Многие позисторы изготавливаются из сегнетоэлектрическиех керамик на основе титанатов, цирконатов и других солей свинца, бария мышьяка. Их ТКС может превышать 10 [ ] Область применения позисторов ограничивается весьма узкими интервалами температур, где нужна высокая чувствительность измерения. Помимо позисторов на основе сегнетоэлектрической керамики существуют кремниевые терморезисторы.
У позисторов температурный коэффициент сопротивления положительный и имеет величину порядка 0,7 [ ] при температуре 25 0С. Рабочий диапазон температур от -50 до 120 0С.
На рис. 3 изображена схема конструкций позистора.



Рис. 3. Схема конструкции позистора.


Тело 1 из неметаллического термочувствительного материала с двумя токовыми контактами 2 размещено в металлическом защитном корпусе 3. С одной стороны токовый контакт 2 соединен с корпусом при помощи клеммы 4, а с другой стороны подсоединен к гермовыводу 5.

Полупроводниковые терморезисторы: термисторы


Термистор - это полупроводниковый терморезистор с отрицательным ТКС. Основное отличие терморезистора этого типа состоит в том, что их чувствительность к температуре значительно выше (приблизительно в 10 раз), чем у металлических. Терморезисторы изготавливаются из смесей поликристаллических полупроводниковых оксидов металлов (MgO, MgAl2O4, Mn3O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4). Термисторы выпускаются в виде дисков, цилиндров, колец, шариков.
Чувствительный элемент имеет защитный корпус.
Высокие значения удельного сопротивления при малой массе и, следовательно, малых размеров ( порядка 1мм), позволяет проводить измерения температуры практически в точке, и имеют, малую инерционность.
На рис.4 приведен пример температурной характеристики терморезистора. Видно, что характеристика нелинейна, а терморезистор имеет отрицательный ТКС.



Рис.4. Зависимость R = f(T) термистора.


Зависимость сопротивления R полупроводникового терморезистора от температуры описывается следующим выражением:
R=Rнe^-αΔT

где Rн-начальное сопротивление терморезистора;
α-температурный коэффициент сопротивления;
&DeltaТ = ( Т-Тн)
Т и Тн – текущая и начальная температуры окружающей среды;
Терморезисторы чаще всего включаются в специальные мостовые схемы или в схемы делителей на входе электронных усилителей.

Погрешности терморезисторов


Терморезисторам свойственны следующие методические погрешности:
-динамические;
-нелинейность статической характеристики;
-температурная погрешность за счет нагрева обмотки током.
Динамическая характеристика терморезистора определяется тепловой инерцией при разном нагревании и охлаждении.
Реакция нагрева терморезистора на единичный скачок температуры Тн выражается зависимостью
Т = Тн (1- e^-t ?? ) ,
где t =

m – масса терморезистора, кг;
Ср – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг•0К) ;
Sохл – площадь поверхности охлаждения , м2 ;
к – коэффициент теплообмена с поверхности тела, Вт/(м2•0К) ;
Инструментальные погрешности терморезисторов определяется следующими факторами:
-качеством изготовления и сборки конструкции,
-нестабильностью характеристик термочувствительных материалов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание


-Изучить теоретическую часть.
-Ознакомиться с лабораторной установкой.
-Снять статические температурные характеристики R = f(T) для нескольких
типов терморезисторов (по заданию преподавателя).
-Построить графики статических температурных характеристик по результатам эксперимента.
-Определить критерии качества исследованных терморезисторов.

Описание лабораторной установки


В схему лабораторной установки входят следующие устройства:
-лицевая панель лабораторного стенда (ЛС);
-термокамера для нагрева и охлаждения терморезисторов;
-термометр для определения температуры в термокамере;
-термометр для определения температуры окружающей среды;
-омметр для определения сопротивления терморезисторов;
-источник напряжения питания на +9 В, +12 В, +15 В, +24 В.
В лабораторной установке для создания нужной температуры применяется термоэлектрическое охлаждение и нагревание, основанное на использовании эффекта Пельтье.
Эффект Пельтье состоит в том, что при прохождении электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в местах контактов (спаев) выделяется или поглощается некоторое количество тепла. Разнородность должна заключаться в различии величин энергии носителей тока в этих проводниках. Чем больше разнородность этих величин, тем сильнее проявляется эффект Пельтье и тем больше выделяется и поглощается тепла в местах контактов. Коэффициент, отражающий указанное качество различных проводников, называется коэффициентом Пельтье. Для определенной пары материалов выделение или поглощение тепла в единицу времени линейно зависит от силы тока, проходящего через место контактов:
Q=П• I,

где Q- теплота Пельтье, П- коэффициент Пельтье, I- сила тока.
На рис. 5 схематично проиллюстрирован физический смысл этого явления. На оси ординат отложена энергия электронов двух различных веществ: полупроводника и металла. Энергия электронов проводимости в электронном проводнике выше, чем в металле. Если под воздействием электрического поля электроны начнут двигаться из полупроводника в металл, то они будут переходить в состояние с более низкой энергией, отдавая избыточную энергию атомам кристаллической решетки. Эта энергия и является теплом Пельтье. При обратном направлении движения электроны, переходя на более высокий энергетический уровень, «отнимают» часть энергии от кристаллической решетки - тепло Пельтье поглощается.

Рис.5 Схема расположения энергетических уровней.



В обоих случаях выделение или поглощение тепла происходит непосредственно вблизи контакта двух веществ, так как тепловое равновесие наступает в результате всего нескольких десятков соударений электрон-атом.
Эффект Пельтье достигает максимального значения при использовании не металлов, а полупроводников. Для пары, составленной из электронного и дырочного веществ, у которых разница в энергетических уровнях особенно велика, процесс обмена энергии электрон-атом, сопровождающийся выделением или поглощением тепла, суммируется для разных носителей тока (электронов и дырок).
Описанное явление обратимо. Если в той же цепи, составленной из тех же проводников, искусственно создать в месте контактов различные температуры, то между контактами возникнет разность потенциалов и по цепи пойдет ток. Это явление получило название – эффект Зеебека, который используется в термоэлектрических преобразователях (термопарах).
Принципиальная схема лабораторной установки показана на рис.6. Для охлаждения и нагрева в термокамере используются два элемента Пельтье 3. Спаи Пельтье сопрягаются с хорошим тепловым контактом с телом 2 из меди, на котором устанавливаются семь исследуемых терморезисторов 1. Здесь же установлен терморезистор Тк ,используемый для измерения температуры в термокамере в качестве образцовых. В связи с тем, что терморезисторы расположены не в одной точке, а тело из меди обладает тепловой инерцией, то требуется определенное время для выравнивания температуры по поверхности тела 2. Поэтому при проведении лабораторного эксперимента необходимо задавать так называемые временные и температурные «полки», т.е. интервалы времени, в течение которых происходит выравнивание заданной температуры по поверхности тела 2.
На рис. 7 и на лицевой панели ЛС изображена циклограмма температур в термокамере с пятью полками в диапазоне изменения температур от -15 0С до +60 0С (смотрите на лицевой панели ЛС «Режимы температур»).
Для выравнивания температуры на поверхности тела 2 используются радиаторы 5 и вентиляторы 6. Рабочая камера защищена слоем теплоизоляции 4, изготовленной из пенопласта. Для доступа в рабочую камеру служат теплоизолированная крышка.

Рис.7. Циклограмма изменения температур в термокамере.


В лабораторной работе исследуются статические характеристики семи терморезисторов, указанных в таблице 2 и на лицевой панели.
Таблица 2


Порядок выполнения работы


1. Для каждого исследуемого терморезистора составляется таблица 3;
2. Установить на лицевой панели ЛС:
-тумблер «сеть» в положение «вкл.»;
-переключатель «режимы работы» в положение «0»;
-переключатель «выбор датчика» в положение «0»;
3. Установить тумблер «сеть» в положение «вкл.», при этом загорится светодиод 1 красного цвета и заработают вентиляторы.
4. Удостовериться, что температура внутри термокамеры равна температуре Тн окружающей среды, сличая показания соответствующих термометров. Записать значение термометра Тн в таблицу 3.
5. Устанавливая последовательно переключатель «Выбор датчика» в положение соответствующим выбранным терморезистору, записать в таблицы 3 значения начального сопротивления Rн этих терморезисторов.
6. Установить переключатель «режимы работы» в положение 1. При этом загорится светодиод 2 зеленого цвета.
7. Проследить по термометру Тк , чтобы процесс изменения температуры в термокамере соответствовал полке выбранной циклограммы, изображенной на лицевой панели ЛС. Дождаться, когда температура в термокамере стабилизируется в пределах выбранной полки (смотри на лицевой панели ЛС таблицу «режим температур»)
8. Установить переключатель «выбор датчика» в положение соответствующее одному из терморезисторов, рекомендуемому для исследования. При этом загорится соответствующий этому терморезистору светодиод.
9. Измерить и занести в таблицу 3 выбранного терморезистора пять значений температур в термокамере и сопротивлений терморезистора снятых одномоментно.
10. Установить переключатель «выбор датчика» последовательно в положения соответствующим следующим исследуемым терморезисторам и провести работу по п.п. 8,9.
11. Установить переключатель «режимы работы» последовательно в положения 2, 3, 4, 5 полок циклограммы и провести работу в соответствии с п.п. 6, 7, 8, 9.
12. Вычислить и записать в таблицу 3 средние значения температуры в термокамере и сопротивления терморезистора по формулам:

  5                       5
Т jср = ΣT j,i / 5 ; Rjср = ΣRj,i / 5 ,
        i=1                    i=1

где j-порядковый номер температурной полки, j=1,…,5:
i-порядковый номер измерения, i=1,…,5.
13. Построить графики статических характеристик Rjср = f(Tjср 0С) всех исследованных терморезисторов.
14. Определить критерии качества исследованных терморезисторов.

Тип терморезистора:

Тн= ……… [oC] ; Rн= ……… [Ом]

Таблица 3


ЛИТЕРАТУРА


1. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи.- Л.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Лаврова А.Т. Элементы автоматических приборных устройств.- М.: Машиностроение, 1975.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ


Отчет должен содержать следующие данные:
-название работы;
- Ф.И.О. и группу студента;
-задание;
-принципиальную схему лабораторной установки;
-перечень измерителей входной и выходной величин и их точность;
-таблицы и графики Rjср = f(Tjср) терморезисторов;
-критерии качества терморезисторов.

Оставить запись в книге
Посмотреть на книгу гостей
Дата модификаци:
05 мая 2006 г.
Программа обучения
Преподаватели центра
Исследовательская деятельность
Консультативная деятельность
Услуги организациям
Виртуальная астрология
Лекции
Медицина