Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до 650 °С описывается уравнением
где R0, R0 — сопротивления преобразователя соответственно при рабочей и нулевой температурах; А, В — постоянные коэффициенты.
Для платиновой проволоки, применяемой в промышленных терморезисторах, А = 3,96847 • 10-3 K-1; В = -5,847 • 10-7 К-2. В интервале температур от 0 до -200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид
где C = -4,356 • 10-12K-3.
К недостаткам платиновых преобразователей температуры относятся довольно высокая загрязняемость платины парами металлов (особенно железа) при высоких температурах и сравнительно невысокая химическая стойкость в восстановительной среде, вследствие чего материал становится хрупким, теряет стабильность характеристик.
Медные терморезистшные преобразователи широко используют в диапазоне температур от 50 до 180 °С вследствие их низкой стоимости и довольно высокой стойкости к коррозии. Зависимость сопротивления меди от температуры описывается линейным уравнением
где α = 4,26 • 10-3К-1.
К недостаткам медных преобразователей температуры относится высокая окисляемость меди при нагревании, вследствие чего их применяют в сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов.
Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических большими значениями ТКС, а следовательно, меньшими размерами и инерционностью. Температурная зависимость для них описывается выражением
где A , B — постоянные коэффициенты.
Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающих их эксплуатационные качества, является нелинейность зависимости сопротивления от температуры, значительный разброс номинальных значений сопротивлений различных образцов и их ТКС.
Терморезисторы обычно применяют для измерения температуры. При этом нагрузочный ток, проходящий через преобразователь, должен быть мал. Если через терморезистор пропускать большой фиксированный ток, то его перегрев по отношению к окружающей среде может стать значительным. Установившееся значение перегрева и соответственно сопротивления при этом будет определяться условиями теплоотдачи поверхности терморезистора. Если нагретый терморезистор поместить в среду с переменными теплофизическими характеристиками, то появляется возможность измерения ряда физических величин, например скорости потока жидкостей и газов, плотности газов и т. п.
Чувствительность проволочных медных терморезисторов KSM = dRθ/dθ = αR 0 , платиновых — Ksn = R 0(A + 2Bθ).
Чувствительность проволочных медных терморезисторов постоянна, а чувствительность платиновых изменяется с изменением температуры. При одинаковых значениях R 0 чувствительность медных терморезисторов выше.
Основными источниками погрешнбстей терморезистивных преобразователей температуры являются неточность подгонки сопротивления R 0 при температуре 0 °С и отклонение отношения Wm (сопротивления R 100 при 100 °С к сопротивлению R 0) от номинального значения, нестабильность этих параметров во времени, дополнительный нагрев от прохождения рабочего тока, нестабильность сопротивления съемных проводов, подходящих от измерительной схемы к преобразователю, и др. Относительные погрешности δПОДГ и δОТН (в процентах), обусловленные неточностью подгонки R 0 и отклонением W 100 от номинального значения, определяют по следующим выражениям (для платиновых терморезисторов):
где δR 0 — относительное отклонение R 0 от номинального значения; ΔA — отклонение коэффициента A от номинального значения.
Нестабильность терморезистивных преобразователей объясняется изменением значений R 0 и W 100 вследствие загрязнения чувствительного элемента конструкционными материалами. Погрешности, возникающие в результате изменения R 0 и W 100 , имеют разные знаки, поэтому частично компенсируются.
По динамическим свойствам терморезистивные преобразователи идентичны термоэлектрическим преобразователям.
Промышленно выпускаемые термопреобразователи температуры с платиновыми (ТСП) и медными (ТСМ) чувствительными элементами предназначены для измерения температур в диапазоне от-200 до 1100 °С (табл. 5.1).
Промышленные термопреобразователи выпускают в виде чувствительных элементов в защитных корпусах. Чувствительный элемент современного платинового терморезистора имеет вид спирали, помещенной в канавки двух- или четырехканального керамического каркаса и уплотненной порошкообразным оксидом алюминия. Оксид алюминия является хорошим электрическим изолятором, обладает большой теплостойкостью и хорошей теплопроводностью. Чувствительный элемент медных терморезистивных преобразователей сопротивления представляет собой бескаркасную обмотку из медной изолированной проволоки, покрытой фторопластовой пленкой и помещенной в металлический защитный чехол.
5.9. Термоэлектрические датчики
Термоэлектрический преобразователь (термопара) представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС. Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников A и В, места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур (рис. 5.18, а). Знак и значение термоЭДС в цепи зависят от типа материалов и разности температур в местах спаев. При небольшом перепаде Δθ температур между спаями термо ЭДС ЕАВ можно считать пропорциональной разности температур Δθ:
где KsAB — чувствительность термопары.
Если к термопаре подключить милливольтметр с сопротивлением RH , то по значению термоЭДС можно определить температуру (рис. 5.18, б). Чтобы получить достоверные результаты, необходимо один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой θ1 подлежащей измерению, а температуру θ0 других — нерабочих (холодных; свободных) спаев поддерживать постоянной. Уравнение преобразования будет иметь вид
где C = f(θ0) — постоянная величина.
Обычно термоЭДС не рассчитывают аналитически, а определяют по градуировочным таблицам или графикам, получаемым экспериментально, для различных материалов при температуре холодных спаев θ0 = 0.
При включении в цепь термопары измерительного прибора или другого преобразователя в местах подсоединения образуются другие спаи, и в общем случае такую цепь можно рассматривать как состоящую из трех проводников. Можно показать, что если точки подключения прибора имеют одинаковую температуру, то подключение прибора не влияет на термоЭДС измерительной термопары.
В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий) и их сплавы, а также неблагородные металлы и сплавы (сталь, никель, хром, сплавы нихром, копель, алюмель и др.). Сравнительно редко применяют термопары из полупроводниковых материалов: кремния, селена и др.
Полупроводниковые термопары имеют малую механическую прочность, обладают большим внутренним сопротивлением, хотя и обеспечивают большую термоЭДС по сравнению с металлами.
ТермоЭДС возникает только в спаях разнородных материалов. При сравнении различных материалов в качестве базовой применяют термоЭДС платины, по отношению к которой определяются термоЭДС других материалов.
Хотя зависимость Е = f(θ) при θ0 = 0 является нелинейной, в первом приближении значение термоЭДС можно определить по выражению
где еΣ — суммарная термоЭДС материалов термопары.
Суммарную термоЭДС определяют по данным табл. 5.2:
где е1 е2 — термоЭДС используемых материалов.
Для термопары стремятся использовать материалы, имеющие разный потенциал по отношению к платине.
Так, если использовать хромель, у которого термоЭДС ех = +31,3 мкВ/°С, и алюмель, у которого еА = -10,2 мкВ/°С, то термоЭДС хромель-алюмелевой термопары составит EXA = ех - еА = 31,3 + 10,2 = +41,5 мкВ/°С. При выборе материала термопары необходимо учитывать условия эксплуатации (влияние температуры, влажности, загрязненности и других факторов на материал электродов).
Чтобы повысить выходную ЭДС, используют последовательное включение термопар — термобатарею (рис. 5.18, в). В этом случае все свободные спаи должны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0 °С.
Важным фактором учета погрешностей при измерениях с помощью термопары является введение поправок А на температуру ее свободных концов. При проведении ответственных измерений применяется термостатирование свободных концов термопары при 0 ºС.
Однако в промышленных условиях термостатирование применять технически сложно и экономически нецелесообразно. Значение поправки Δ связано с разностью температур свободных концов через коэффициент Kt . Из-за нелинейности зависимости Е = f(θ) значение Kt различно для каждого участка кривой, поэтому градуировочную кривую (статическую характеристику) разделяют на участки по 100 °С и для каждого участка определяют Kt .
Еще одна причина возможного возникновения погрешности — сопротивление измерительной цепи, состоящей из непосредственно термопары и соединительных проводов.
В отечественных термоэлектрических термометрах сопротивление этой цепи принимают равным 5 Ом и регулируют его при помощи добавочного сопротивления из манганина непосредственно при наладке прибора.
Для измерения температур в пределах от -200 до 2500 °С выпускают стандартные термопреобразователи температуры (табл. 5.3).
В зависимости от назначения термопары делятся на погружаемые, предназначенные для измерения температуры жидких и газообразных сред, и поверхностные, предназначенные для измерения температуры поверхности твердого тела.
Различают термопары малоинерционные, тепловая постоянная времени которых не превышает 5 с для погружаемых и 10 с для поверхностных; средней инерционности — соответственно не более 60 и 120 с; большой инерционности — соответственно до 180 и 300 с.
Термопары помещают в защитный чехол из металла или керамики.
Для изоляции используют стекло, асбест, фарфор, шамот. При низких температурах можно использовать шелковую и эмалевую изоляцию.
К достоинствам термопар необходимо отнести возможность измерений в большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуатации. Благодаря этим достоинствам термопары применяют очень широко.
Недостатки термопар — невысокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.
Глава 6
ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
6.1. Общие сведения
Основное требование, предъявляемое к информационным электрическим машинам автоматических устройств — высокая точность преобразования электрических или механических входных величин (сигналов управления) соответственно в механические или электрические выходные величины, находящиеся в строго постоянной и вполне определенной функциональной зависимости от входной величины. Например, частота вращения n преобразуется в выходное напряжение UВЫХ, что имеет место в тахогенераторах; величина угла поворота α — в значения выходных напряжений, изменяющихся по вполне определенному закону в зависимости от а, что имеет место во вращающихся трансформаторах, сельсинах, магнесинах и т.п.
К информационным электрическим машинам не предъявляется строгих требований в отношении их энергетических показателей (КПД, cos φ), как это имеет место в обычных силовых (энергетических) машинах. Эти требования здесь отступают на второй план, не являясь основными.
Информационные машины весьма разнообразны как по устройству, принципу действия, роду тока, так и по функциям, которые они выполняют в схемах автоматики. Укрупненная классификация информационных электрических машин представлена на рис. 6.1.
6.2. Тахогенераторы