Scopul lucrării: familiarizarea cu principiul acțiunii, proiectarea, metodele de calcul al principalelor caracteristici și parametrii termorezistenților
Concepte de bază
Procesele de măsurare în sistemele automate de comandă și control sunt considerate ca un singur proces de funcționare în comun a senzorilor, convertoarelor și dispozitivelor de măsurare. Măsurarea temperaturii în aceste sisteme se realizează cu ajutorul convertoarelor termoelectrice, care transformă modificarea valorii tactice a temperaturii într-o modificare a tensiunii electrice. Aceste convertoare includ termometre termoelectrice (termocuple) și termometre de rezistență.
Acțiune termometre termoelectrice bazate pe proprietatea metalelor și aliajelor generează o forță electromotoare termică în funcție de temperatura capetele confluențele două conductoare diferite care formează senzorul termometrului - termocuplu. Valoarea tensiunii de ieșire a termocuplului Uout este determinată de diferența de temperatură dintre punctul fierbinte t1 și joncțiunea rece t0. Uout = f (t1-t0).
Figura 1 prezintă designul termocuplului.
Figura 1 - Diagrama designului termocuplului.
Efectul termometrelor de rezistență se bazează pe o modificare a rezistenței conductorilor sau a semiconductorilor, în funcție de schimbarea temperaturii lor.
Caracteristicile senzorului: materialul senzorului trebuie să fie inert chimic; Proprietățile fizice și chimice ale materialului trebuie să fie stabile cu creșterea temperaturii; au un coeficient de temperatură constant constant mare de rezistență; dependența schimbării rezistenței materialului elementului sensibil la schimbarea de temperatură trebuie să fie apropiată de cea liniară.
Există TPN metalice (sârmă) - metalele pure sunt folosite ca elemente de element sensibil: platină (Pt), cupru (Cu), nichel (Ni).
În domeniul temperaturii de la -260 ° C la +1100 ° C se utilizează platină TPN (diametrul firului - 0,05 0,2 mm): caracteristica statică este neliniară:
a și b sunt coeficienți constanți
aPt = 0,0039 o C -1 - coeficientul de temperatură de rezistență Pt.
În intervalul de temperatură între -200 ° C și +200 ° C se utilizează termocupluri rezistente la cupru ().
Caracteristică statică liniară :; .
În domeniul temperaturilor măsurate - se utilizează traductoare de rezistență termică pe bază de nichel (60 ° C - 300 ° C): caracteristică statică neliniară:
rezistență termocupluri cu semiconductoare (termistoare) - ca material al germaniu elementului senzor utilizat, amestecuri de oxizi de metale (cupru, mangan, fier, nichel, vanadiu), comprimat și sinterizate la temperaturi ridicate.
În intervalul de temperatură cuprins între 1,5 K și 30 K, se folosesc termorezistențele din germaniu dopat cu antimoniu, de la 4,2 K - 13,8 K - la germaniu. Elementele sensibile sunt realizate sub formă de tablete, cilindri, filme.
CARACTERISTICI PRINCIPALE ALE TERMOZETERILOR
1. Caracteristica statică (temperatură) este dependența rezistenței materialului elementului sensibil la temperatura:
unde T este temperatura în K,
Exemplul 1-1. S-au măsurat valorile de rezistență ale MFR la temperaturi T1 = 293 și T2 = 373 ° K: R1 = 965 * 10 3. -R2 = 27,6 * 10 3 ohm. Calculați caracteristica de temperatură.
Prin trasarea coeficientului caracteristicii de temperatură în multiplicitate rezistența MFR (rezistența ori va fi denumit raportul R1 / R2, prezentat în Fig. 1-1, descoperim că multitudinea R1 / R2 = 35 corespunde la B = 4850 ° K. Valoarea obținută a coeficientului B , precum și valoarea cunoscută a lui R1 și temperatura corespunzătoare T1 pe care o înlocuim în expresia (1-4):
Rezultatele calculării temperaturii caracteristice acestui FOV sunt prezentate în tabelul. 1-1, caracteristica însăși este construită în Fig. 1-2.
2. Caracteristica curentului de tensiune
Statică Caracteristica volt-ampere de termistoare semiconducting (MFR) este relația dintre care curge curent și căderea de tensiune în modul de încălzire constantă.
În legătură cu faptul că, atunci când trece prin curentul PTR în acesta, căldura este eliberată, temperatura fluidului de lucru este mai mare decât temperatura ambiantă. Rezistența PTR are o valoare corespunzătoare acestei temperaturi totale (temperatura medie plus supraîncălzirea).
Deoarece rezistența este legată de temperatură de o dependență neliniară, caracteristica curent-tensiune este, de asemenea, neliniară. Caracteristica curent-tensiune este luată experimental la o temperatură ambiantă constantă. Compoziția mediului și viteza de deplasare a acestuia față de suprafața MFR ar trebui să fie menținute constant pe întreaga durată a experimentului.
Datorită neliniarității caracteristicilor de tensiune curentă, rezistența statică a PTR depinde de curentul stabilit prin PTO. Acesta este definit ca raportul dintre căderea de tensiune pe MFR și curentul care trece prin el în starea de echilibru:
unde U este scăderea de tensiune pe MFR, V;
I este curentul la starea de echilibru prin MFR, A.
Rezistența statică, rămânând mereu pozitivă, scade odată cu eliminarea punctelor caracteristicilor de curent de la origine, unde R corespunde temperaturii ambiante. Astfel, la punctul maxim prezentat în Fig. 1-4 caracteristici de volt-amperi, R = 27,6 kom și la punctul K, unde U = 12,2 V și I = 6,9 mA, R = 1,77 com.
Prin valoarea rezistenței statice R, este posibil să se găsească temperatura substanței active PTR corespunzătoare unui punct dat al caracteristicii de tensiune curentă. Pentru a face acest lucru, trebuie să avem temperatura caracteristică pentru MFR dată.
Rezistența diferențială egală cu raportul de tensiune limită în trepte la incrementarea MFR curent în acesta, atunci când acesta din urmă este incrementat la zero, de asemenea, scade în tranziția de la origine la situată la punctele de dreapta. Dacă caracteristica curent-tensiune are un punct maxim, atunci în acest moment rezistența diferențială
În dreapta punctului maxim rg <0.
Rezistența statică este proporțională cu tangenta unghiului α format de secantul tras de la origine până la punctul curent al caracteristicilor de tensiune curentă și axa curenților. Rezistența diferențială este proporțională cu tangenta unghiului β formată de tangenta la punctul considerat al caracteristicii cu axa curenților.
Pentru a determina valoarea rezistenței diferențiale la un moment dat al caracteristicii curent-tensiune trebuie să tragă o tangentă și, având în vedere o creștere curent ΔI, împărțit la increment corespunzătoare tensiunilor luate l AU tangențială. Pentru punctele situate în dreapta maximului, ca ΔU și ΔI, este posibil să se ia segmentele tăiate de tangenta pe axele de coordonate. De exemplu, la punctul K (Figura 1-4), rg = l7.5: 21.6 = 0.81 com.
În încălzirea la starea de echilibru a PTR, curentul care trece prin el, toată puterea eliberată în fluidul de lucru al MFR este disipată în mediul înconjurător. Această condiție poate fi scrisă sub forma unei ecuații a echilibrului energetic pentru regimul staționar:
unde b este coeficientul de împrăștiere, luând în considerare toate tipurile de propagare a căldurii din mediul de lucru PTR (conductivitate termică, convecție și radiație termică);
Θ este temperatura de supraîncălzire, adică diferența dintre temperatura fluidului de lucru în acest mod T și temperatura ambiantă T0.
Valoarea coeficientului de împrăștiere b depinde de material, de dimensiunile, de starea suprafeței fluidului de lucru în MFD și de părțile care transportă curentul, precum și de proprietățile mediului înconjurător. Coeficientul de împrăștiere care intră în Eq. (1-9) este o funcție a temperaturii supraîncălzirii :.
3. Caracteristica împrăștierii - dependența cantității de energie furnizată de suprafața termistorului împotriva supraîncălzirii
b - coeficientul de transfer termic, W / cm 2 * ºС;
Pentru a construi o proprietate de împrăștiere, suficient pentru a avea o caracteristică curent-tensiune de o copie a tipului IFM, făcută la o temperatură constantă de fapt și temperatura acestuia. facilitate. Pe caracteristica de tensiune curentă, sunt selectate un număr de puncte, în fiecare dintre acestea rezistența statică este calculată folosind expresia (1-7). Apoi, caracteristicile de temperatură sunt temperatură MFR, corespunzând fiecăruia dintre punctele selectate ale caracteristicilor curent-tensiune, și prin scăderea din acesta temperatura mediului Pentru a determina valorile supraîncălzit Θ. Valoarea lui b este calculată prin expresia (1-9). Un exemplu de caracteristică de împrăștiere construită astfel este prezentată în Fig. 1-5.
După cum sa arătat deja, caracteristica curentului de tensiune al PTR poate avea un punct maxim și, prin urmare, o regiune în care rezistența diferențială este mai mică decât zero. Această regiune este adesea numită secțiunea care se încadrează în caracteristica volt-ampere. Prezența unui maxim pe caracteristica de tensiune curentă a unui PTR poate determina un lanț cu o astfel de rezistență să aibă un număr de proprietăți specifice. Prin urmare, este extrem de important să cunoaștem condițiile în care caracteristica curentului de tensiune are un punct maxim.
Conform ecuației de echilibru termic (1-9), în care căderea de tensiune în MFR este înlocuită de produsul curentului cu valoarea corespunzătoare a rezistenței statice, putem scrie:
Substituind aici expresia (1-4), obținem
Expresiile (1-12) și (1-14) reprezintă ecuația caracteristicii de tensiune curentă într-o formă parametrică. Presupunând că b = const, diferențiem ecuația (1-14) în raport cu temperatura T. Ecuând derivatul la zero obținem:
Rezolvând ecuația obținută pentru T, găsim expresia pentru temperatura semiconductorului Tm. corespunzător punctului maxim al caracteristicii de tensiune curentă:
Din expresia (1-17) rezultă că temperatura corespunzătoare punctului maxim al caracteristicii de tensiune curentă depinde de temperatura mediului. Este, de asemenea, evident că caracteristica de tensiune curentă a unui PTR poate avea un punct maxim numai dacă: