Терморезистивные преобразователи

1. Цель и содержание работы

Работа предназначена для ознакомления студентов с проволочными и полупроводниковыми терморезисторами, используемыми в качестве термометров сопротивления.

Содержанием работы является градуировка двух типов термометров сопротивления в диапазоне температур 0 ÷ 100ºС и расчет их основных характеристик.

1. Принцип действия и устройство терморезисторов

Измерение температуры термометрами основано на свойстве электрических проводников менять сопротивление в зависимости от температуры. Зная зависимость R = f(t) можно по величине сопротивления R определить температуру t, до которой нагревает термометр сопротивления.

Основным материалом для чувствительных элементов терморезисторов являются чистые металлы и ряд полупроводников. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, колеблющимся (в интервале 0 ÷ 100ºС) от 0,35 до 0,68% на 1ºС. Наибольшее распространение для изготовления чувствительных элементов имеют медь, платина и никель.

Зависимость сопротивления металлов от температуры, как правило, не является линейной. Для платины зависимость сопротивления R от температуры t в пределах от 0 до +660ºС выражается уравнением:

, (1)

где - сопротивление при 0ºС.

Для чистой платины: , .

В интервале от 0 до -190 ºС зависимость сопротивления платины от температуры выражается уравнением:

, (2)

где .

Для меди в интервале -50 ÷ (-200) ºС при сопротивлении, соответствующей температуре t, пользуются обычно формулой:

, (3)

где - сопротивление при температуре t₀;

- температурный коэффициент для интервала температур, начинающегося от t₀.

Формула (3) выражает линейную зависимость сопротивления от температуры.

Следует отметить, что сопротивление в формуле (3) должно соответствовать начальной температуре того интервала температур, для которого задано значение .

Действительно, пусть задано для интервала температур от t₀ до t_к (рис.1).

Тогда R = f(t) представляет собой участок прямой АВ между абсциссами 1 и 2.

Для температуры t внутри рассматриваемого участка справедливо:

. (4)

Рис.1. Вид градуировочной характеристики проволочного термометра сопротивления.

Рис.2. Вид градуировочной характеристики полупроводникового термометра сопротивления.

Рис.3. Блок-схема экспериментальной установки.

При сравнении формул (4) и (3) видно, что:

и . (5)

Величина имеет физический смысл, характеризуя чувствительность термометра сопротивления. В самом деле, чувствительность терморезистора представляет собой отношение изменения сопротивления к соответствующему изменению температуры. Если обозначить чувствительность термометра сопротивления через , то

,

В простейшем случае линейной зависимости R = f(t) легко видеть, что

.

Таким образом, чувствительность термометра сопротивления определяется величиной , а также чувствительностью термометрического материала , из которого выполнен его чувствительный элемент.

В качестве чувствительных элементов терморезисторов, благодаря высоким температурным коэффициентам и малым размерам при значительном сопротивлении, все большее применение находят полупроводниковые термосопротивления.

Основной характеристикой термосопротивления считается температурная зависимость, определяемая в рабочем диапазоне температур выражением:

, (6)

где - величина термосопротивления, соответствующая температуре ;

и - постоянные коэффициенты, характеризующие свойства материала и геометрию термосопротивления.

Выражение (6) можно представить в виде:

, (7)

где соответствует .

Согласно определению и выражениям (6) и (7) температурный коэффициент определяется как

. (8)

Следовательно, температурный коэффициент зависит от температуры и характеризует термосопротивление лишь в определенной точке.

Тогда на основании уравнений (7) и (8) можно записать:

, (9)

где и соответствует .

Температурный коэффициент термосопротивления можно определить на основании его температурной характеристики.

Для температур и имеем:

и . (10)

Откуда . (11)

Температурный коэффициент сопротивления определится по формуле:

. (12)

Задача может быть решена и графически. Предположим, что необходимо определить при температуре , что соответствует точке А на кривой R = f(t) (рис.2), тогда

,

Искомая величина температурного коэффициента будет равна:

, (13)

где - масштаб оси ординат, Ом/мм;

- масштаб оси абсцисс, К/мм.

Чувствительность полупроводникового термометра сопротивления при температуре определяется как величина

(14)

или

. (15)

1. Методика выполнения работы и описание экспериментальной установки.

Работа выполняется с одним проволочным и одним полупроводниковым термометрами сопротивления. Нагрев этих двух терморезисторов производится в специальном сосуде. Измерение их сопротивления проводится с помощью универсальных цифровых приборов. Схема экспериментальной установки приведена на рис.3.

При градуировке термометров сопротивления их температура меняется от 0 до +100ºС. Сопротивление проволочного термометра измеряется через каждые 10º, а полупроводникового – через 5º в диапазоне температур 0…-30ºС и через 10º в диапазоне +30… +100ºС.

1. Порядок выполнения работы

1. Поместить исследуемые термометры сопротивления в сосуд с тающим льдом, выдержать их до установления температурного равновесия между чувствительными элементами и окружающей средой и измерить сопротивление .
2. Включить нагреватели и произвести градуировку термометров сопротивления в диапазоне 0 ÷ (+100)ºС. Измерение сопротивления выполнять согласно указания раздела 3. Результаты эксперимента занести в таблицу.
3. Построить градуировочную характеристику R = f(t) для проволочного термометра сопротивления.
4. Определить чувствительность проволочного терморезистора . Значение находится по градуировочной кривой (см. рис.1).
5. Определить величину коэффициента для диапазона температур 0 ÷ 100ºС по формуле (5).
6. Построить градуировочные характеристики R = f(t) для полупроводникового термометра сопротивления.
7. Рассчитать величину коэффициентов В по формуле (11) для полупроводникового терморезистора. Значения температур Т₁ и Т₂ указывается преподавателем.
8. Определить температурный коэффициент полупроводникового терморезистора по формуле (13) для среднего значения температуры в интервале Т₁ ÷ Т₂.
9. Для этой же температуры найти чувствительность полупроводникового терморезистора графическим путем по градуировочным характеристикам и формуле (14) и расчетным путем по формуле (15).

1. Содержание отчета

В отчет должны быть включены:

1. Таблицы с результатами эксперимента.
2. Графики градуировочных характеристик.
3. Расчеты значений температурных коэффициентов и чувствительности.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23