Термометры сопротивления принцип работы

Термометр сопротивления – датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Термометр сопротивления – датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды - фотография 1 - изображение 1

Температура – один из основных физических параметров. Измерять и контролировать его важно как в бытовой жизни, так и на производстве. Для этого существует множество специальных устройств. Термометр сопротивления – один из самых распространенных приборов, активно применяющийся в науке и промышленности. Сегодня мы расскажем что такое термометр сопротивления, его преимущества и недостатки, а также разберемся в различных моделях.

Область применения - изображение 2 - изображение 2

Область применения

Термометр сопротивления – это устройство, предназначенное для измерения температуры твердых, жидких и газообразных сред. Также его используют и при измерении температуры сыпучих веществ.

Свое место термометр сопротивления нашел в газо- и нефтедобыче, металлургии, энергетике, сфере ЖКХ и многих других отраслях.

ВАЖНО! Термометры сопротивления можно использовать как в нейтральных средах, так и в агрессивных. Это способствует распространению прибора в химической промышленности.

Обратите внимание! Для измерения температур в промышленности также используют термопары, про них подробнее узнаете из нашей статьи про термопары.

Виды датчиков и их характеристики - фотография 3 - изображение 3

Виды датчиков и их характеристики

Измерение температуры термометром сопротивления происходит с помощью одного или нескольких чувствительных элементов сопротивления и соединительных проводов, которые надежно спрятаны в защитном корпусе.

Классификация ТС происходит именно по типу чувствительного элемента.

Металлический термометр сопротивления по ГОСТ 6651-2009

Согласно ГОСТ 6651-2009 выделяют группу металлических термометров сопротивления, то есть ТС, чей чувствительный элемент – это небольшой резистор из металлической проволоки или пленки.

Платиновые измерители температуры

Градуировочные таблицы термометров сопротивления - фотография 4 - изображение 4

Платиновые ТС считаются самым распространёнными среди других видов, поэтому их часто устанавливают для контроля важных параметров. Диапазон измерения температуры лежит от -200 °С до 650 °С. Характеристика близка к линейной функции. Один из самых распространённых видов – Pt100 (Pt – платиновый, 100 – означает 100 Ом при 0 °С).

ВАЖНО! Основной недостаток этого устройства – дороговизна за счет использования драгоценного металла в составе.

Никелевые термометры сопротивления

Никелевые ТС почти не используются в производстве за счет узкого температурного диапазона (от -60 °С до 180 °С) и сложностей эксплуатации, однако, следует отметить, что именно они имеют самый высокий температурный коэффициент 0,00617 °С-1.

Ранее такие датчики использовались в кораблестроении, однако, сейчас в этой отрасли их заменили на платиновые ТС.

Медные датчики (ТСМ)

Казалось бы, у медных датчиков диапазон использования еще уже, чем у никелевых (всего от -50 °С до 170 °С), но, тем не менее, именно они являются более популярным типом ТС.

Секрет в дешевизне прибора. Медные чувствительные элементы просты и неприхотливы в использовании, а также отлично подходят для измерения невысоких температур или сопутствующих параметров, например, температуры воздуха в цехе.

Срок службы такого устройства невелик, однако, и средняя стоимость медной ТС не слишком бьет по карману (около 1 тыс. рублей).

Класс допуска - фото 5 - изображение 5

Терморезисторы

Терморезисторы – это термометр сопротивления, чей чувствительный элемент сделан из полупроводника. Это может быть оксид, галогенид или другие вещества с амфотерными свойствами.

Преимуществом данного прибора является не только высокий температурный коэффициент, но и возможность придать любую форму будущему изделию (от тонкой трубки до устройства длиной в несколько микрон). Как правило терморезисторы рассчитаны для измерения температуры от -100 °С до +200 °С.

Различают два вида терморезисторов:

  • термисторы – имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, то есть при росте температуры, сопротивление уменьшается;
  • позисторы – имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, то есть при увеличении температуры, сопротивление также возрастает.

Градуировочные таблицы термометров сопротивления

Градуировочные таблицы – это сводная сетка, по которой можно легко определить при какой температуре термометр будет иметь определенное сопротивление. Такие таблицы помогают работникам КИПиА оценить значение измеряемой температуры по определённому значению сопротивления.

В рамках этой таблицы существуют специальные обозначения ТС. Их вы можете увидеть в верхней строчке. Цифра означает значение сопротивления датчика при 0°С, а буква металл, из которого оно создано.

Для обозначения металла используют:

  • П или Pt – платина;
  • М – медь;
  • N – никель.

Например, 50М – это медный ТС, с сопротивлением 50 Ом при 0 °С.

Ниже представлен фрагмент градуировочной таблицы термометров.

  50М (Ом) 100М (Ом) 50П (Ом) 100П (Ом) 500П (Ом)
-50 °С 39.3 78.6 40.01 80.01 401.57
0 °С 50 100 50 100 500
50 °С 60.7 121.4 59.7 119.4 1193.95
100 °С 71.4 142.8 69.25 138.5 1385
150 °С 82.1 164.2 78.66 157.31 1573.15

Класс допуска

Класс допуска не стоит путать с понятием класса точности. С помощью термометра мы не напрямую измеряем и видим результат измерения, а передаем на барьеры или вторичные приборы значение сопротивления соответствующее фактической температуры. Именно поэтому введено новое понятие.

Класс допуска – это разница между фактической температурой тела и температурой, которую получили при измерении.

Существует 4 класса точности ТС (от наиболее точного к приборам с большей погрешностью):

  • АА;
  • А;
  • B;
  • С.

Приведем фрагмент таблицы классов допуска, полную версию вы можете увидеть в ГОСТ 6651-2009.

Класс точности Допуск, °С Температурный диапазон, °С
Медный ТС Платиновый ТС Никелевый ТС
АА ±(0,1 + 0,0017 |t|) - от -50 °С до +250 °С -
А ±(0,15+0,002 |t|) от -50 °С до +120 °С от -100 °С до +450 °С -
В ± (0,3 + 0,005 |t|) от -50 °С до +200 °С от -195 °С до +650 °С -
С ±(0,6 + 0,01 |t|) от -180 °С до +200 °С от -195 °С до +650 °С -60 °С до +180 °С

Схема подключений

Для того, чтобы узнать значение сопротивления его надо измерить. Сделать это можно с помощью включения его в измерительную цепь. Для этого используют 3 типа схем, которые отличаются между собой количеством проводов и достигаемой точностью измерений:

  • 2-проводная цепь. Содержит минимальное количество проводов, а значит, самый дешевый вариант. Однако, при выборе данной схемы достичь оптимальной точности измерений не получится – к сопротивлению термометра будет прибавляться сопротивление используемых проводов, которые и будут вносить погрешность, зависимую от длины проводов. В промышленности такая схема применяется редко. Используется лишь для измерений, где не важна особая точность, а датчик находится в непосредственной близости от вторичного преобразователя. 2-проводная схема изображена на левом рисунке.
  • 3-проводная цепь. В отличии от предыдущего варианта здесь добавляется дополнительный провод, накоротко соединённый с одним из двух других измерительных. Его основная цель – возможность получить сопротивление подключенных проводов и вычесть это значение (компенсировать) из измеренного значения от датчика. Вторичный прибор, кроме основного измерения, дополнительно измеряет сопротивление между замкнутыми проводами, получая тем самым значение сопротивления проводов подключения от датчика до барьера или вторичника. Так как провода замкнуты, то это значение должно быть равно нулю, но по факту из-за большой длины проводов, это значение может достигать нескольких Ом. Далее эта погрешность вычитается из измеренного значения, получая более точные показания, за счёт компенсации сопротивления проводов. Такое подключение применяется в большинстве случаев, поскольку является компромиссом между необходимой точностью и приемлемой ценой. 3-х проводная схема изображена на центральном рисунке.
  • 4-проводная цепь. Цель такая же, что и при использовании трехпроводной схемы, но компенсация погрешности идёт обоих измерительных проводов. В трехпроводной схеме значение сопротивления обоих измерительных проводов принимается за одинаковое значение, но по факту оно может незначительно отличаться. За счет добавления ещё одного четвёртого провода в четырехпроводной схеме (закороченного со вторым измерительным проводом), удается получить отдельно его значение сопротивления и почти полностью компенсировать всё сопротивление от проводов. Однако, данная цепь является более дорогой, так как требуется четвёртый проводник и поэтому реализуется или на предприятиях с достаточным финансированием, или при измерении параметров, где нужна большая точность. 4-х проводную схему подключений вы можете увидеть на правом рисунке.

Схема подключений - изображение 6 - изображение 6

Обратите внимание! У датчика Pt1000 уже при нуле градусов сопротивление равно 1000 Ом. Увидеть их можно, например, на паровой трубе, где измеряемая температура равна 100-160 °С, что соответствует примерно 1400-1600 Ом. Сопротивление же проводов в зависимости от длины равно примерно 3-4 Ом, т.е. на погрешность они практически не влияют и смысла в использовании трёх или четырёх проводной схемы подключения особо нет.

Преимущества и недостатки термометров сопротивления

Как и любой прибор, использование термометров сопротивления имеет ряд преимуществ и недостатков. Рассмотрим их.

Преимущества:

  • практически линейная характеристика;
  • измерения достаточно точны (погрешность не более 1°С);
  • некоторые модели дешёвые и просты в использовании;
  • взаимозаменяемость приборов;
  • стабильность работы.

Недостатки:

  • малый диапазон измерений;
  • довольно низкая предельная температура измерений;
  • необходимость использования специальных схем подключения для повышенной точности, что увеличивает стоимость внедрения.

Термометр сопротивления – распространенное устройство практически во всех отраслях промышленности. Этим прибором удобно измерять невысокие температуры, не опасаясь за точность полученных данных. Термометр не отличается особой долговечностью, однако, приемлемая цена и простота замены датчика перекрывают этот небольшой недостаток.

Термометры сопротивления: виды, типы конструкции, классы допуска

Преимущества и недостатки термометров сопротивления - фотография 7 - изображение 7

Термометрия относится к наиболее простым и эффективным методам измерений. Она основана на том, что физические свойства материала меняются в зависимости от температуры. В частности, измеряя сопротивление металла, сплава или полупроводникового элемента, можно определить его температуру с высокой степенью точности. Датчики такого типа называются термоэлектрическими или термосопротивлениями. Предлагаем рассмотреть различные виды этих устройств, их принцип работы, конструкции и особенности.

Содержание

  1. Виды термодатчиков
  2. Расшифровка аббревиатур
  3. Чем отличается термосопротивление от термопары?
  4. Платиновые измерители температуры
  5. Никелевые термометры сопротивления
  6. Медные датчики (ТСМ)
  7. Типовые конструкции платиновых термосопротивлений
  8. Класс допуска
  9. Схемы включения ТСМ/ТСП
  10. Обслуживание

Виды термодатчиков

Наиболее распространенными считаются следующие типы термометров сопротивления (далее ТС):

  1. Полупроводниковые датчики. Отличительные особенности этих приборов заключается в высокой точности и стабильной чувствительности, а также в возможности измерения быстротечных процессов. Благодаря низкому измерительному току имеется возможность работы со сверхнизкими температурами (до -270°С). Пример конструкции полупроводникового ТС.

    Термометр сопротивления: подключение и принцип действия

    Термометры сопротивления: виды, типы конструкции, классы допуска - фотография 8 - изображение 8

    Термометр сопротивления, принцип действия которого состоит в замере инструментом сопротивления нагревательного элемента прибора, является устройством, замеряющим температуру.

    Нагревательный компонент термометра создан в виде особого резистора из чувствительной пленки или металлического стержня, реагирующих на малейшее изменение температуры. Металлический элемент смонтирован на прочный корпус, созданный из фарфора или кварца и помещенный в защитную колбу, которая может быть из металла или стекла.

    Термометр сопротивления ТСП

    Стандартные термометры для замеряющего элемента используют платину, так как она меньше окисляется и точно выдает показания температуры. Но чаще всего применяются более дешевые ТС - из меди и никеля. У этих устройств много преимуществ, они могут замерять большой диапазон различных температур, четко улавливая колебания в ту или иную сторону.

    Термометр сопротивления обладает устойчивостью к вибрациям, что разрешает их установку в сейсмических зонах. Эти термометры производятся разнообразных размеров - от самых малых до больших. Потому их используют в различных ситуациях на любых объектах.

    Несмотря на все положительные моменты применения устройства, его высокую надежность и практичность, имеются и свои минусы. Надо учесть, приобретая термометр сопротивления - подключение и установка должны производится в 3-х или 4-проводной электрической системе. Если использовать меньше проводов, то показания температуры будут иметь погрешность. Еще одним недостатком прибора считается трудоемкий процесс подбора особенного типа глазури для герметической защиты датчика. При неправильном выборе смазки, когда произойдет резкий скачок температуры, корпус термометра может лопнуть.

    Виды термодатчиков - фотография 9 - изображение 9

    Термометр сопротивления: принцип действия различных датчиков

    Основное требование к термометру – четкость и точность показания температуры при различных условиях работы, которые могут быть и неблагоприятными: вибрации, резкие перепады температуры, агрессивная окружающая среда и так далее.

    Для примера возьмем три типа ТС, распространенных в использовании, и сравним их характеристики и возможности.

    Термометр сопротивления: подключение и принцип действия - фотография 10 - изображение 10

    Устройство из платины

    Рекомендуемый рабочий диапазон: от -200 до +600 градусов. Некоторые модели могут использоваться в диапазоне -260…+1000 0С. Такие ТС характеризуются высокоточными и стабильными показаниями температуры, широким диапазоном замера и высоким удельным сопротивлением.

    Термометр сопротивления платиновый массово применяют в промышленном секторе всех стран, благодаря его высоким показателям и надежности. В некоторых государствах Западной Европы чувствительный элемент термометра изготавливают из специальной пленочной подложки, сверху покрытой платиновым напылением.

    Термометр из никеля

    Специалисты советуют использовать этот термометр сопротивления в диапазоне -60…+180 градусов.

    Устройство характеризуется высоким температурным коэффициентом с максимально допустимым термическим показателем в 350 0С. Если эту температурную точку превысить, то может произойти нарушение всей структуры термометра и он придет в негодность.

    Этот прибор применяют реже, чем платиновый, из-за их невысоких показателей. В недавнем прошлом его часто использовали на кораблях в системах контроля.

    Термометр сопротивления ТСП - фотография 11 - изображение 11

    Термометр медный

    Оптимальные рабочие параметры -50…+150 градусов. Обладает наиболее линейной характеристикой, но контролирует небольшой диапазон температур. Также у этого ТС низкое сопротивление, из-за чего необходимо применять медную проволоку большой длины.

    Термометр сопротивления медный в основном применяют на электростанциях, электрогенераторах и в некоторых секторах промышленности.

    Особенности конструкции устройств

    Самый распространенный конструкторский вариант имеет термометр в виде «свободной от напряжения спирали», который производится многими отечественными компаниями. Разница в моделях этого типа заключается в различных размерах используемых деталей и применении разнообразных материалов, использующихся при герметизации чувствительного компонента. Для различных температур необходимо использовать свой тип глазури. Этот тип ТС распространен не только в нашей стране, но и заграницей. Схема термометра сопротивления этого распространенного вида показана ниже.

    Термометр сопротивления: принцип действия различных датчиков - фото 12 - изображение 12

    Второй вид ТС менее популярен из-за своей дороговизны. Он называется на языке специалистов «полой конструкцией». Такой термометр можно найти на важных государственных предприятиях или объектах атомной и оборонной промышленности. Полый тип чувствительного элемента обладает высокой надежностью и стабильностью в работе.

    Третий вид ТС – пленочные контрольные элементы. На керамическую основу наносят тонкий слой платины. Такой тип устройства широко распространен за рубежом. Этот термометр сопротивления дешевле предыдущих приборов и практичен, так как имеет меньшие размер и вес. Однако есть и свой минус – низкие стабильность и устойчивость к изменениям окружающей среды и резким перепадам температуры.

    Четвертый вариант – платиновый стержень, покрытый массой из стекла. Такой ТС получается дорогим, но зато обеспечивается полная герметизация чувственного компонента и повышается устойчивость к влаге. Но у этого термометра низкий диапазон замера температур.

    Создание термометров

    Лучший способ сборки термометров сопротивления – использовать обыкновенную сварку. Такой метод разрешает минимизировать загрязнение элементов устройства различными металлами. Ведь внутренние компоненты прибора состоят из меди, никеля и их соединений. Термометр сопротивления, работая с разными температурными режимами, может иметь внешний корпус из других металлов. Так, при пониженной или комнатной температуре хорошо подходит корпус из латуни или обыкновенной стали. Большая стойкость к коррозии замечена у никеля.

    Устройство из платины - изображение 13 - изображение 13

    Длина термометра

    Чем длиннее устройство, тем на большую глубину его можно опускать. Также размер термометра и глубина погружения учитываются при расчете измерения температуры.

    Процесс измерения температуры

    Следует иметь в виду, что термометр измеряет не температуру жидкой среды, в которую помещен, а градусы, идущие от его чувствительного компонента. Точность показания температуры устройства и замеряемой среды зависит от сопротивления контрольного датчика.

    Термометр из никеля - фотография 14 - изображение 14

    Достоинства термометров

    Подводя итог всему вышеописанному можно сделать вывод, что устройства обладают следующими преимуществами:

    - высокая точность установления температуры внутренней среды (погрешность меньше 1 0С);

    - линейные характеристики приборов;

    - возможность применения 3-х или 4-проводной системы замеров.

    Термометр медный - фотография 15 - изображение 15

    Минусы устройств

    Если сравнивать термометры сопротивления с известными термоэлементами, называемыми «термопарами», то устройства из платины стоят намного дороже, имеют небольшой диапазон температурных измерений, а также им необходим вспомогательный источник питания для установления температуры.

    Вывод

    По мнению ведущих отечественных и иностранных специалистов, точность работы и надежность термометров сопротивления с каждым годом растет. Если необходим температурный датчик высокой надежности и долгой работоспособности для температур диапазоном от 200 0С до 600 0С, то лучше, чем платиновый термометр, найти что-либо тяжело. Эти устройства могут служить многие годы без замены чувствительного элемента.

    И пускай такой термометр стоит недешево, зато качество его работы, точность показаний и надежность находятся на высоком уровне, что положительно оценили не только наши промышленники, но и специалисты ведущих зарубежных компаний.

    Большинство случаев выхода из строя современных датчиков сопротивления связано не со сборкой устройства, а с их неправильным креплением на измерительном объекте и ошибочным подключением к электрической сети. Также следует при эксплуатации прибора придерживаться рекомендованных рабочих температур, иначе с каждым «перебором» точность показаний начнет идти все с большей погрешностью.

    Конструкция и принцип работы термометров сопротивления

    Особенности конструкции устройств - фото 16 - изображение 16

    Термометр сопротивления, прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на изменении электрического сопротивления чистых металлов, сплавов и полупроводников с температурой (на увеличении сопротивления R с повышением температуры Т у металлов и обратная зависимость R от Т у полупроводников). Чувствительный элемент термометра представляет собой резистор, который сделан из пленки или металлической проволоки, и обладающий зависимостью электрического сопротивления от температуры. Проволока намотана на жесткий каркас, сделанный из кварца, слюды или фарфора, и заключена в защитную металлическую (стеклянную, кварцевую) оболочку. Наиболее популярны термосопротивления из платины. Темометры сопротивления (термосопротивления) обычно используют для замера температур в диапазоне от минус 263 С до плюс 1000 С. У медных термометров сопротивления диапазон значительно меньше – всего лишь от минус 50 до плюс 180 С. Основное требование к конструкции термометра – она должна быть достаточно чувствительной и стабильной, т.е. достаточной для необходимой точности замеров в указанном диапазоне температур при соответствующих условиях использования. Условия использования могут быть как благоприятными, так и неблагоприятными – агрессивные среды, вибрации и т.д. Обычно термометры сопротивления работают в совокупности с потенциометрами, логометрами, мостами измерительными.

    1. Работа термометров сопротивления в паре с логометрами.

    Логометр — измерительный прибор, вращающий момент которого зависит от отношения двух токов, протекающих по двум подвижным катушкам.

    Логометры бывают различных типов. Очень широко распространен Л-64. Он позволяет измерять температуру в производственных и технологических процессах. Измерения проводятся по трехпроводной схеме, обеспечивающей высокую точность измерений. Сама конструкция и внутреннее устройство логометра Л-64 простое и весьма надежное. Данное качество прибора обеспечивает его работоспособность в течение десятков лет. На территории бывшего Советского Союза логометры до сих пор применяются на производстве. Источником питания служит сетевой внешний блок питания СВ-4. Он обеспечивает на выходе постоянное напряжение 4 вольта. Это напряжение используется для питания измерительного моста прибора.

    1. Уравновешенные мосты ручного и автоматического действия.

    Уравновешенный мост

    Уравновешенный мост, принципиальная схема которого приведена на (рис. 8а), используется для определения величины сопротивления при градуировке ТС и при измерениях температуры в лабораторных условиях.

    Нулевой метод измерения характеризуется высокой точностью, так как исключается влияние окружающей температуры, магнитных полей и изменения напряжения батареи питания Б. Однако значительная погрешность может возникать при изменении сопротивления соединительных проводов Rл, что вызывается значительными сезонными и суточными колебаниями температуры в местах прохождения кабеля, соединяющего ТС и измерительный мост.

    Неуравновешенный мост

    Неуравновешенный мост исключает необходимость выполнения ручных операций по изменению величины R3. В нем вместо нуль-прибора G в диагональ моста AC устанавливается миллиамперметр. При постоянном напряжении питания и постоянных сопротивлениях R1, R2, R3 через этот прибор протекает ток, величина которого зависит (нелинейно) от изменения RТ. Использование данных мостов для измерения температуры ограниченно. В основном они применяются для преобразования сопротивления термометра в напряжение.

    Автоматические уравновешенные мосты

    Автоматические уравновешенные мосты широко используются для измерения и регистрации температуры в комплекте с ТС. Их характеризует высокая точность и возможность использования в системах автоматического регулирования. Они выпускаются различных модификаций: одно- и многоточечные, с дисковой или ленточной диаграммой, с сигнальными устройствами и др.

    1. Бесконтактное измерение температуры. Законы, лежащие в основе работы пирометров. Понятие условной температуры. Погрешности, возникающие при измерении.

    Бесконтактное измерение температуры

    Основные понятия и законы излучения

    О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

    Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

    На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

    пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;

    пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;

    пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

    В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

    Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.

    Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.

    Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд

    1. Пирометры частичного излучения, устройство, принцип действия, преимущества, недостатки.

    Пирометры частичного излучения

    К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

    Оптические пирометры

    Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры. На (рис. 11) представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.

    Изображения излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы 5. Оператор через диафрагму 6 линзу 8 окуляра и красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поя зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи 10. Прибор 9, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в 0С.

    Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до

    8000 0С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 1200?2000 0С основная допустимая погрешность измерения составляет ?20 0С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей.

    Фотоэлектрические пирометры

    Фотоэлектрические пирометры частичного излучение обеспечивают непрерывное автоматическое измерения и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

    Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:

    пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения;

    пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

    В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения от 500 до

    1100 0С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800?4000 0С вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0.65?0.01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.

    1. Пирометры полного излучения, принцип действия, устройство, достоинства и недостатки.

    Пирометры суммарного излучения

    Пирометры суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона

    Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0.4?2.5, а для плавленого кварца 0.4?4 мкм.

    Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п. Наиболее широко применяются термобатареи (рис. 14 а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам 1, закрепленным на

    слюдяном кольце 3. Металлические выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры.

    Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20?2 0С, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40 0С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ?4 0С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.

    На (рис. 14б) показано устройство телескопа ПСИ. Он включает: корпус 1 с диафрагмой 7; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу 2, устанавливаемую во втулке 13, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных винтов 10; компенсационное медное сопротивление 4, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу 8 и защитное стекло 9. Фланец 11 служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.

    ПСИ имеют меньшую точность по сравнению с другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры при использовании ПСИ возникают вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты , из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (измерение температуры металла в печах) и из-за поглощения энергии водяными парам и углекислым газом, содержащихся в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром. Вследствие последней причины оптимальным считается расстояние 0.8-1.3 м.

    Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур начиная с 100 0С, кварцевое стекло используется для температуры 400?1500 0С, а оптическое стекло для температур 950 0С и выше.

    ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500 0С. Основная допустимая погрешность технических промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000, 2000 и

    3000 0С составляет соответственно ?12; ?20 и ?35 0С.

    Что такое термистор (терморезистор)

    Создание термометров - фотография 17 - изображение 17

    Термистор представляет собой резистивный термометр или резистор, сопротивление которого зависит от температуры. Термин представляет собой комбинацию термо и резистор. Он изготовлен из оксидов металлов, спрессован в шарики, диски или цилиндрическую форму, а затем герметизирован непроницаемым материалом, таким как эпоксидная смола или стекло.

    Существует два типа термисторов: отрицательный температурный коэффициент (NTC) и положительный температурный коэффициент (PTC). С термистором NTC, когда температура увеличивается, сопротивление уменьшается. И наоборот, когда температура снижается, сопротивление увеличивается. Этот тип термистора используется чаще всего.

    Длина термометра - фотография 18 - изображение 18

    Процесс измерения температуры - изображение 19 - изображение 19

    Термистор PTC работает немного по-другому. Когда температура увеличивается, сопротивление увеличивается, а когда температура уменьшается, сопротивление уменьшается. Этот тип термистора обычно используется в качестве предохранителя. Огромный выбор терморезисторов вы можете посмотреть и приобрести на Алиэкспресс:

    Достоинства термометров - фотография 20 - изображение 20

    Как правило, термистор достигает высокой точности в ограниченном температурном диапазоне около 50ºC относительно целевой температуры. Этот диапазон зависит от базового сопротивления.

    Термистор на схеме

    Минусы устройств - фото 21 - изображение 21

    Стрелка Т обозначает, что сопротивление является переменным в зависимости от температуры. Направление стрелки или полосы не имеет значения.

    Термисторы просты в использовании, недороги, прочны и предсказуемо реагируют на изменения температуры. Хотя они не очень хорошо работают при чрезмерно высоких или низких температурах, они являются предпочтительным датчиком для применений, которые измеряют температуру в желаемой базовой точке. Они идеальны, когда требуются очень точные температуры.

    Некоторые из наиболее распространенных применений термисторов используются в цифровых термометрах, в автомобилях для измерения температуры масла и охлаждающей жидкости, а также в бытовых приборах, таких как духовки и холодильники, но они также встречаются практически в любом приложении, где для обеспечения безопасности требуются защитные контуры отопления или охлаждения. Для более сложных приложений, таких как детекторы лазерной стабилизации, оптические блоки и устройства с зарядовой связью, встроен термистор. Например, термистор 10 кОм является стандартом, который встроен в лазерные пакеты.

    История термистора

    Майкл Фарадей — английский ученый впервые открыл понятие термисторов в 1833 году, сообщая о полупроводниковом поведении сульфида серебра. Благодаря своим исследованиям он заметил, что устойчивость к сульфидам серебра снижалась с повышением температуры. Это открытие впоследствии привело к коммерческому производству термисторов в 1930-х годах, когда Сэмюэль Рубен изобрел первый коммерческий термистор. С тех пор технология улучшилась; прокладывать дорогу к совершенствованию производственных процессов; наряду с доступностью более качественного материала.

    Как работает термистор

    Термистор на самом деле ничего не «читает», вместо этого сопротивление термистора меняется в зависимости от температуры. Степень изменения сопротивления зависит от типа материала, используемого в термисторе.

    В отличие от других датчиков, термисторы являются нелинейными, то есть точки на графике, представляющие взаимосвязь между сопротивлением и температурой, не будут образовывать прямую линию. Расположение линии и степень ее изменения определяется конструкцией термистора. Типичный график термистора выглядит следующим образом:

    Вывод - фото 22 - изображение 22

    Как изменение сопротивления преобразуется в измеримые данные, будет подробно рассмотрено ниже.

    Разница между термистором и другими датчиками

    В дополнение к термисторам используются несколько других типов датчиков температуры. Наиболее распространенными являются резистивные датчики температуры (RTD) и интегральные схемы (IC), такие как типы LM335 и AD590. Какой датчик лучше всего подходит для конкретного использования, зависит от многих факторов. В приведенной ниже таблице дано краткое сравнение преимуществ и недостатков каждого из них.

    Параметр Термистор RTD LM335 AD592
    Разница температур В пределах ~ 50° С от заданной центральной температуры От −260° C до + 850° C   От −40° C до + 100° C   От -20° C до + 105° C  
    Относительная стоимость   Недорогой Самый дорогой Дорогой Дорогой
    Постоянная времени От 6 до 14 секунд От 1 до 7 секунд От 1 до 3 секунд От 2 до 60 секунд
    Стабильность Очень стабильный, 0,0009° C ~0.05° С ~0.01° С ~0.01° С
    Чувствительность   Высоко Низкий Низкий Низкий
    Преимущества   ДолговечныйДолгоиграющийВысокочувствительныйМаленький размерСамая низкаяСтоимостьЛучше всего подходит для измерения температуры в одной точке   Лучшее время откликаЛинейный выходСамый широкий диапазон рабочих температурЛучше всего для измерения диапазона температур   Умеренно дорогоЛинейный выход   Умеренно дорогоЛинейный выход  
    Недостатки Нелинейный выходОграниченный температурный диапазонМедленное время отклика   ДорогоНизкая чувствительность   Ограниченный температурный диапазонНизкая чувствительностьБольшой размер   Самое медленное время откликаОграниченный температурный диапазонНизкая чувствительностьБольшой размер  

    Температурный диапазон: приблизительный общий диапазон температур, в которых может использоваться тип датчика. В пределах заданного температурного диапазона некоторые датчики работают лучше, чем другие.

    Относительная стоимость: относительная стоимость, поскольку эти датчики сравниваются друг с другом. Например, термисторы недороги по отношению к термометрам сопротивления, отчасти потому, что предпочтительным материалом для термопреобразователей сопротивления является платина.

    Постоянная времени: приблизительное время, необходимое для перехода от одного значения температуры к другому. Это время в секундах, которое термистору требуется для достижения 63,2% разницы температур от начального показания до окончательного.

    Стабильность: способность контроллера поддерживать постоянную температуру на основе обратной связи датчика температуры.

    Чувствительность: степень реакции на изменение температуры.

    Преимущества и недостатки NTC и PTC

    Термисторы NTC прочны, надежны и стабильны, и они оборудованы для работы в экстремальных условиях окружающей среды и помехоустойчивости в большей степени, чем другие типы датчиков температуры.

    • Компактный размер: варианты упаковки позволяют им работать в небольших или ограниченных пространствах; тем самым занимая меньше места на печатных платах.
    • Быстрое время отклика: небольшие размеры позволяют быстро реагировать на изменение температуры, что важно, когда требуется немедленная обратная связь.
    • Экономичность: термисторы не только дешевле, чем другие типы датчиков температуры; Если приобретенный термистор имеет правильную кривую RT, никакая другая калибровка не требуется во время установки или в течение срока ее эксплуатации.
    • Совпадение точек: способность получить определенное сопротивление при определенной температуре.
    • Соответствие кривой: сменные термисторы с точностью от + 0,1 ° C до + 0,2 ° C.

    Какие типы и формы термистора доступны на рынке

    Термисторы бывают разных форм — дисковые, микросхемы, шариковые или стержневые и могут монтироваться на поверхности или встраиваться в систему. Они могут быть заключены в эпоксидную смолу, стекло, обожжены в феноле или окрашены. Наилучшая форма часто зависит от того, какой материал контролируется, например, от твердого вещества, жидкости или газа.

    Например, терморезистор с бусинками идеально подходит для встраивания в устройство, а стержень, диск или цилиндрическая головка лучше всего подходят для оптических поверхностей. Термисторный чип обычно монтируется на печатной плате (PCB). Существует много, много разных форм термисторов, и некоторые примеры:

    Конструкция и принцип работы термометров сопротивления - фотография 23 - изображение 23

    Выберите форму, которая обеспечивает максимальный контакт поверхности с устройством, температура которого контролируется. Независимо от типа термистора, соединение с контролируемым устройством должно быть выполнено с использованием теплопроводящей пасты или эпоксидного клея. Обычно важно, чтобы эта паста или клей не были электропроводящими.

    Какое сопротивление термистора и ток смещения следует использовать

    Термисторы классифицируются по величине сопротивления, измеренной при комнатной температуре окружающей среды, которая считается 25° C. Устройство, температуру которого необходимо поддерживать, имеет определенные технические характеристики для оптимального использования, как определено производителем. Они должны быть определены до выбора датчика. Поэтому важно знать следующее.

    Каковы максимальные и минимальные температуры для устройства

    Термисторы идеально подходят для измерения температуры в одной точке, которая находится в пределах 50 ° C от температуры окружающей среды. Если температура слишком высокая или низкая, термистор не будет работать. Хотя есть исключения, большинство термисторов работают лучше всего в диапазоне от -55 ° C до + 114 ° C.

    Поскольку термисторы являются нелинейными, то есть значения температуры и сопротивления изображены на графике в виде кривой, а не прямой линии, очень высокие или очень низкие температуры регистрируются неправильно. Например, очень небольшие изменения при очень высоких температурах будут регистрировать незначительные изменения сопротивления, которые не приведут к точным изменениям напряжения.

    Каков оптимальный диапазон термисторов

    В зависимости от тока смещения от контроллера каждый термистор имеет оптимальный полезный диапазон, то есть диапазон температур, в котором небольшие изменения температуры точно регистрируются.

    В таблице ниже приведены наиболее эффективные диапазоны температур для термисторов с длиной волны при двух наиболее распространенных токах смещения.

    Что такое термистор (терморезистор) - фотография 24 - изображение 24

    Лучше всего выбрать термистор, где заданная температура находится в середине диапазона. Чувствительность термистора зависит от температуры. Например, термистор может быть более чувствительным при более низких температурах, чем при более высоких температурах, как в случае с термистором TCS10K5 10 кОм длины волны. В TCS10K5 чувствительность составляет 162 мВ на градус Цельсия в диапазоне от 0 до 1° C, и 43 мВ / °C в диапазоне от 25 до 26 ° C, и 14 мВ ° C в диапазоне от 49 до 50 ° C. C.

    Каковы верхний и нижний пределы напряжения на входе датчика регулятора температуры

    Пределы напряжения обратной связи датчика к регулятору температуры устанавливаются производителем. В идеале следует выбрать комбинацию термистора и тока смещения, которая создает напряжение в пределах диапазона, разрешенного регулятором температуры.

    Напряжение связано с сопротивлением по закону Ома. Это уравнение используется для определения того, какой ток смещения необходим. Закон Ома гласит, что ток через проводник между двумя точками прямо пропорционален разности потенциалов между двумя точками и для этого тока смещения записывается как:

    V = I BIAS x R

    Где: V — напряжение, в вольтах (В) I BIAS — ток, в амперах или амперах (A) I BIAS — постоянный ток, R — сопротивление, в Ом (Ом)

    Контроллер генерирует ток смещения для преобразования сопротивления термистора в измеряемое напряжение. Контроллер принимает только определенный диапазон напряжения. Например, если диапазон контроллера составляет от 0 до 5 В, напряжение термистора должно быть не ниже 0,25 В, чтобы электрические помехи на нижнем конце не мешали считыванию, и не должно превышать 5 В для считывания.

    Предположим, что используется вышеуказанный контроллер и термистор 100 кОм, такой как TCS651 длины волны, и температура, которую необходимо поддерживать устройству, составляет 20° C. Согласно спецификации TCS651, сопротивление составляет 126700 Ом при 20 ° C. Чтобы определить, может ли термистор работать с контроллером, нам нужно знать полезный диапазон токов смещения. Используя закон Ома, чтобы решить для I BIAS , мы знаем следующее:

    V / R = I BIAS

    0,25 / 126700 = 2 мкА — нижний предел диапазона 5,0 / 126700 = 39,5 мкА — верхний предел

    Да, этот термистор будет работать, если ток смещения регулятора температуры можно установить в диапазоне от 2 мкА до 39,5 мкА.

    При выборе термистора и тока смещения лучше всего выбрать тот, в котором развиваемое напряжение находится в середине диапазона. Входной сигнал обратной связи контроллера должен быть под напряжением, которое выводится из сопротивления термистора.

    Поскольку люди наиболее легко относятся к температуре, сопротивление часто нужно менять на температуру. Наиболее точная модель, используемая для преобразования сопротивления термистора в температуру, называется уравнением Стейнхарта-Харта.

    Автор: Тимеркаев Борис

    Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

    Особенности термосопротивления Pt100 и принцип работы

    Термистор на схеме - фото 25 - изображение 25

    Термодатчики являются основными элементами во многих системах управления. Термосопротивление PT100 – это один из видов приборов, которые могут использоваться. Существуют также приборы Pt-500, Pt-100, 10K. Конкретно этот вид изготавливается на основе платины, но можно встретить и медные, и никелевые. В нашей статье мы рассмотрим особенности датчиков измерения температуры.

    Основные особенности прибора

    Платиновое термосопротивление Pt100 является достаточно распространенным элементом, так как у него очень хорошее соотношение качества и цены. Его можно использовать как отдельный прибор для измерения. Но можно встроить в гильзу иного устройства, чтобы осуществлять учет данных изменения температуры. Главное при этом – правильно учесть диаметр гильзы, чтобы не было большой разницы диаметров. В этом случае удастся обеспечить наилучшее условие для того, чтобы анализировать температуру сред.

    История термистора - фотография 26 - изображение 26

    Обычно такие датчики применяются для того, чтобы контролировать температуру в системах вентиляции, теплоэнергетических установках, а также иных отраслях.

    Принцип функционирования

    В основе лежат элементы из платины, у которых сопротивление при 0 градусов равно 100 Ом. Стоит отметить, что у платины имеется положительный коэффициент. А это означает, что сопротивление растет при увеличении температуры. У некоторых приборов в одном корпусе может быть заключено сразу три термоэлемента. Но чаще всего в промышленности используют термосопротивление Pt100 "Овен" с одним элементом. "Овен" - это отечественная компания, которая занимается производством и продажей оборудования для автоматизации и измерения данных.

    В зависимости от разновидности измерительной цепи, используется определенный способ подключения – двух-, трех-, четырехпроводной. От того, где и для чего используется устройство, вы можете подобрать наиболее приемлемую характеристику. Термосопротивления Pt-100 можно использовать для измерения температуры газов или жидкостей. Впрочем, его можно применять и для контроля температуры продуктов в пищевой промышленности.

    Как работает термистор - изображение 27 - изображение 27

    Эти приборы могут быть совместимы с устройствами, у которых аналогичное входное сопротивление. Максимальная температура, которую позволяет измерять датчик – около 350 градусов. Но в пике может выдерживать скачки до 400 градусов. Но это усредненные значения, зависят они от производителя. Для одних датчиков рабочий диапазон -40..+90, для других уже -50..+250. Но есть и модели, которые работают и в диапазоне -100..+600.

    Когда нельзя сделать монтаж?

    Не допускается монтаж устройств в таких условиях:

    1. Если слишком высокий уровень вибрации.
    2. Большая вероятность нанесения повреждения корпуса.
    3. Агрессивная химическая среда.
    4. Взрывоопасная среда.
    5. В непосредственной близости к источникам электрических помех.

    Технические характеристики прибора

    Разница между термистором и другими датчиками - фотография 28 - изображение 28

    Технические особенности датчика (в пример взято термореле):

    1. Корпус изготавливается из нержавеющей стали.
    2. Масса – 600 гр.
    3. Размеры 62х66х67 см. Не учитывается размер непосредственно чувствительного элемента датчика.
    4. Может измерять температуры в диапазоне -50..+100 градусов.
    5. Максимальное значение погрешности – 2%.
    6. Максимальная потребляемая мощность – 2 Вт.
    7. Влажность среды, в которой происходит работа – 80% при температуре 35 градусов.
    8. Давление – 0,01..1,6 МПа.

    При проведении монтажных работ крайне важно соблюдать требования техники безопасности. На предприятиях монтаж этих устройств осуществляется лицами, прошедшими соответствующий инструктаж. Они также должны быть обучены работе с оборудованием. Установка, демонтаж и проведение осмотра возможно только при условии отключения питания от устройства.

    Почему ломаются датчики?

    Преимущества и недостатки NTC и PTC - изображение 29 - изображение 29

    Всего можно выделить три причины, по которым происходит выход из строя элемента:

    1. Нарушены правила эксплуатации.
    2. Отказ одного или нескольких элементов реле.
    3. Слабый крепеж датчика.

    Чтобы избежать преждевременного выхода из строя, нужно перед установкой и обслуживанием изучить внимательно инструкцию.

    Как происходит работа датчика?

    Принцип работы не очень сложный. Как мы говорили, в основе находится платиновый элемент, у которого при 0 градусов сопротивление равно 100 Ом. Если речь идет о датчике, например, Pt1000, то у него, соответственно, сопротивление уже будет 1000 Ом (1 кОм). У платиновых приборов коэффициент положительный, поэтому при возрастании температуры увеличивается и сопротивление.

    Какие типы и формы термистора доступны на рынке - изображение 30 - изображение 30

    На рисунке вы можете видеть подключение термосопротивления Pt100. Мы упоминали о том, что существует несколько вариантов подключений – с двумя, тремя или четырьмя проводами. Какой выбрать – решать только вам. Но нужно отметить, что наилучшая точность будет у четырехпроводного прибора. Но если вам не нужна высокая точность, то разумнее использовать двухпроводные датчики.

    Существует также два класса точности – А и В. Последний разделяется на два подкласса – В1/3DIN и В1/10DIN. Они не могут самостоятельно использоваться на целиковом диапазоне температур.

    Подведем итоги

    Очень часто датчики Pt-100 используются в теплоэнергетике, чтобы поддерживать заданную температуру в измеряемой среде. Также часто их используют для автоматической системы регулировки обогрева. Это позволяет автоматизировать производство и снизить затраты на управление системами.

    Нередко датчики устанавливаются в подводных и подземных трубопроводах. У изделия очень высокое качество, что гарантирует большой срок службы. Если правильно проведен монтаж, конечно. Характеристики термосопротивления Pt100 достаточно хорошие, что позволяет использовать прибор в любых сферах.

    Диапазон рабочих температур достаточно большой, что позволяет использовать прибор практически в любой отрасли. Также датчик может контролировать состояние воздушной среды. Поэтому может использоваться в складских и производственных помещениях, у которых имеются определенные требования к среде и климату. Утилизация должна проводиться по правилам, которые относятся к переработке электроотходов.

    Все про терморезисторы, назначение, виды, устройство, принцип действия

    Какое сопротивление термистора и ток смещения следует использовать - изображение 31 - изображение 31

    Люди, далекие от радиоэлектроники, смутно представляют назначение и принцип действия терморезистора. Какие функции выполняет этот элемент? Для его он предусмотрен? Как маркируется? О каких тонкостях проверки и подключения необходимо знать? Какие бывают виды, и в чем их особенности? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

    Что такое терморезистор, общие положения

    Терморезистор — полупроводниковый элемент с меняющимися характеристиками (по сопротивлению) в зависимости от температуры. Изделие изобрели в 1930 году, а его создателем считается известный ученый Самуэль Рубен.

    С момента появления терморезистор получил широкое распространение в радиоэлектронике и успешно применяется во многих смежных сферах.

    Деталь изготавливается с применением материалов, имеющих высокий температурный коэффициент (ТК). В основе лежат специальные полупроводники, по характеристикам превосходящие наиболее чистые металлы и их сплавы.

    При получении главного резистивного элемента применяются оксиды некоторых металлов, галогениды и халькогениды. Для изготовления используется медь, никель, марганец, кобальт, германий, кремний и другие вещества.

    В процессе производства полупроводнику придется разная форма. В продаже можно найти терморезисторы в виде тонких трубок, крупных шайб, тонких пластинок или небольших круглых элементов.  Некоторые детали имеют габариты, исчисляемые несколькими микронами.

    Особенности термосопротивления Pt100 и принцип работы - фото 32 - изображение 32

    Основные виды терморезисторов — термисторы и позисторы (с отрицательным и положительным ТКС (температурный коэффициент сопротивления) соответственно. В термисторах с ростом температуры сопротивление падает, а позисторах, наоборот, увеличивается.

    Основные особенности прибора - изображение 33 - изображение 33

    Где используется (сфера применения)

    Терморезисторы активно применяются в разных сферах, тесно связанных с электроникой. Они особенно важных при реализации процессов, зависящих от правильности настройки температурного режима.

    Такой подход актуален для компьютерных технологий, устройств передачи информации, высокоточного промышленного оборудования и т. д.

    Распространенный способ применения терморезисторов — ограничение токов, возникающих в процессе пуска аппаратов.

    При подаче напряжения к БП конденсатор быстро набирает емкость, что приводит к протеканию повышенного тока. Если не ограничить этот параметр, высок риск повреждения (пробоя) диодного моста.

    Принцип функционирования - фотография 34 - изображение 34

    Для защиты дорогостоящего узла применяется термистор — элемент, ограничивающий ток в случае резкого нагрева. После нормализации режима температура снижается до безопасного уровня, и сопротивление термистора возвращается до первоначального уровня.

    Устройство и виды

    Терморезистор — полупроводниковый элемент, который в зависимости от вида меняет сопротивление при росте/снижении температуры. Сегодня выделяется два вида изделий:

    1. Термисторы — детали с негативным температурным коэффициентом (NTC). Их особенность состоит в падении сопротивления при росте температуры.

      Когда нельзя сделать монтаж? - фотография 35 - изображение 35

    2. Позисторы — элементы, имеющие «плюсовой» температурный коэффициент (PTC). В отличие от прошлого вида, при повышении T сопротивление, наоборот, растет.

      Технические характеристики прибора - фотография 36 - изображение 36

    В зависимости от типа полупроводника при его производстве применяются разные элементы. Как отмечалось, при создании резистивных элементов используются оксиды, халькогениды и галогениды различных металлов, а конструктивное исполнение может меняться в зависимости от сферы назначения.

    Типы по принципу действия

    Терморезисторы различаются по принципу действия. Выделяется два типа:

    1. КОНТАКТНЫЕ. К этой категории относятся термопары, термодатчики, заполненные термометры и термометры биметаллического типа.

      Почему ломаются датчики? - изображение 37 - изображение 37

    2. БЕСКОНТАКТНЫЕ. В эту группу входят терморезисторы, построенные на инфракрасном принципе действия. Они активно применяются в оборонной сфере, благодаря способности выявлять тепловое излучение ИК и оптических лучей (выделяются газами и жидкостями).

      Как происходит работа датчика? - фото 38 - изображение 38

    Классификация по температурному срабатыванию

    Терморезисторы отличаются по температуре, на которую они реагируют при срабатывании. С этой позиции выделяются следующие типы деталей:

    1. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Такие элементы срабатывают при температуре ниже 170 Кельвинов (минус 1020С). 1 Кельвин = минус 272,150С.
    2. СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Здесь диапазоне работы выше и находится между 170 и 510 Кельвинами.
    3. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Терморезисторы такого класса работают при температурах от 570 Кельвинов.
    4. ОТДЕЛЬНЫЙ КЛАСС. Выделятся также индивидуальная группа высокотемпературных термических резисторов, работающих в диапазоне от 900 до 1300 К.

    Подведем итоги - фотография 39 - изображение 39

    Вне зависимости от вида (позисторы, термисторы) терморезисторы могут работать в разных температурных режимах и внешних условиях. При эксплуатации в условиях частых изменений температур первоначальные параметры детали могут меняться.

    Речь идет о двух параметрах — сопротивлении детали в условиях комнатной температуры и коэффициенте сопротивления.

    По виду нагрева

    По способу нагревания терморезисторы делятся на два типа:

    1. ПРЯМОГО НАГРЕВА. Подразумевается изменение температуры детали под действием окружающего воздуха или тока, протекающего через деталь. Устройства с прямым нагревом чаще всего применяются для решения двух задач — изменения температуры или восстановления нормального режима. Такие терморезисторы применяются в градусниках, ЗУ, термостатах и других устройствах.
    2. КОСВЕННОГО НАГРЕВА. В отличие от прошлого типа здесь нагрев происходит из-за элементов, находящихся в непосредственной близости от резистора. Узлы никак не взаимосвязаны. При таком подходе сопротивление полупроводника обуславливается изменением тока, который проходит через близлежащий элементы. Терморезисторы, работающие на косвенном принципе, нашли применение в мультиметрах (комбинированных приборах).

    Главные параметры терморезисторов

    При выборе детали важно ориентироваться на ее показатели и характеристики, меняющиеся в зависимости от типа, производителя, исходного материала и других показателей.

    При выборе изделия нужно выяснить главные параметры и определить, подходят они для решения поставленной задачи или нет.

    Параметры терморезисторов:

    1. ГАБАРИТЫ. При покупке нужно быть уверенным, что деталь подходит по размеру и поместится на плате (в схеме).
    2. СОПРОТИВЛЕНИЯ RT и RT. Параметры измеряются в Омах и указываются применительно к текущей температуре в градусах Цельсия или Кельвинах. Если деталь рассчитана на работу при температурах от -100 до +200 градусов Цельсия, температурный режим для окружающей среды принимается на уровне 20-25 градусов Цельсия.
    3. ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ Τ (СЕК). Параметр отражает тепловую инерционность. При расчете учитывается время, которое необходимо для изменения температуры термического резистора на 63% от разницы t детали и окружающего воздуха. В большинстве случаев этот параметр принимается равным 100 градусов Цельсия.
    4. ТКС (в % на один градус Цельсия). Как правило, этот показатель прописывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление. В такой ситуации при обозначении используются другие цифры — at.
    5. Мощность рассеивания Pmax (предельно допустимый параметр), Вт. По этому показателю можно судить о пределе, до достижения которого в полупроводнике не происходит необратимых изменений (параметры остаются прежними). При этом превышение температуры tmax при достижении Pmax исключено.
    6. Температура tmax — максимально допустимый параметр, при котором характеристики терморезистора длительное время остаются без изменений (на установленном производителем уровне).
    7. Коэффициент энергетической чувствительности (измеряется в Вт/проценты*R). Обозначение — G. Показатель отражает мощность, которую необходимо рассеять на детали для снижения параметра R на один процент.
    8. Коэффициент рассевания (измеряется в Вт на один градус Цельсия). Условное обозначение — H. Параметр отражает мощность, которая рассеивается на термическом резисторе при разнице в температурных режимах детали и окружающего воздуха на один градус.

    Рассмотренные выше коэффициенты (G и H) зависят от характеристик применяемого полупроводника и особенностей обмена тепла между изделием и окружающей его средой. Параметры связаны друг с другом через специальную формулу — G=H/100а.

    1. Теплоемкость (измеряется в Джоулях на один градус Цельсия). Условное обозначение — C. Показатель отражает объем тепла (энергии), необходимой для нагрева терморезистора на один градус.

    Некоторые рассмотренные параметры связаны друг с другом. В частности, постоянная времени τ равна отношению между теплоемкостью и коэффициентом рассеивания.

    При покупке позитрона, кроме указанных выше параметров, нужно учесть интервал позитивного температурного сопротивления и кратность изменения R в секторе положительного ТКС.

    Базовые характеристики терморезисторов

    При оценке терморезисторов нужно учесть и проанализировать их характеристики:

    1. Вольтамперная характеристика — кривая на графике, показывающая зависимость напряжения на образце от проходящего через терморезистор тока. График рисуется с учетом теплового равновесия с окружающей природой. Для позисторов и термисторов графики различаются.
    2. Температурная характеристика. При построении графика снимается зависимость сопротивления от температуры в определенном режиме. По оси R выставляется параметр по принципу десятикратного увеличения (10Х), а по оси времени пропускается участок в диапазоне от нуля до 223 Кельвинов.
    3. Подогревная характеристика. С помощью графика можно увидеть параметры термических резисторов, работающих на косвенном принципе. Иными словами, кривая отражает зависимость сопротивления детали от подаваемой к нему мощности. При указании графика масштаб по сопротивлению берется с учетом 10Х.

    Все про терморезисторы, назначение, виды, устройство, принцип действия - фотография 40 - изображение 40

    Общий принцип действия

    Терморезисторы делаются максимально чувствительными к изменению температурного режима, ведь на этом принципе они и работают. При отсутствии нагрева атомы, входящие в состав детали, находятся в правильном порядке и формируют длинные ряды.

    В случае нагрева количество активных «переносчиков» заряда растет. Чем больше таких единиц, тем выше проводимость материала.

    При изучении кривой зависимости сопротивления от температуры можно увидеть характеристику нелинейного типа. При этом лучшие характеристики терморезистор показывает в диапазоне от -90 до +130 градусов.

    Важно учесть, что принцип действия таких деталей строится на корреляции между температурным режимом и металлами в составе детали.

    Сам терморезистор изготавливается с применением полупроводниковых составов (оксидов, марганца, меди, никеля, силикатов, железа и других). Такие компоненты способны реагировать на малейшее изменение в температуре.

    Создаваемое электрическое поле подталкивает электрон, который перемещается до момента удара об атом. По этой причине движение электрона затормаживается.

    При росте температуры атомы двигаются активнее. При таких обстоятельствах исходный актом быстрее столкнется с другим элементом. В результате возникает дополнительное сопротивление.

    После снижения рабочей температуры электроны «падают» в нижние валентные уровни и переходят в невозбужденное состояние. Иными словами, они меньше перемещаются и не создают такого сопротивления.

    В случае повышения температуры растет и показатель R. Но здесь нужно учесть тип терморезистора, от которого зависит принцип повышения и роста сопротивления при изменении температурного режима.

    NTC

    Терморезисторы NTC — изделия, имеющие отрицательный температурный коэффициент. Их особенность — повышенная чувствительность, высокий температурный коэффициент (на один или два порядка выше, чем у металла), небольшие габариты и широкий температурный диапазон.

    Полупроводники NTC удобны в применении, стабильны в работе и способны выдерживать большую перегрузку.

    Особенность NTC в том, что их сопротивление увеличивается при снижении температуры. И наоборот, если t снижается, параметр R растет. При изготовлении таких деталей применяются полупроводники.

    Что такое терморезистор, общие положения - фотография 41 - изображение 41

    Принцип действия прост. При повышении температуры число носителей заряда резко растет, и электроны направляются в зону проводимости. При изготовлении детали, кроме полупроводников, могут применяться и переходные металлы.

    При анализе NTC нужно учесть бета-коэффициент. Он важен в случае, если изделие применяется при измерении температуры, для усреднения графика и вычислений с помощью микроконтроллеров.

    Как правило, термисторы NTC применяются в температурном диапазоне от 25 до 200 градусов. Следовательно, их можно использовать для измерений в указанном пределе.

    Отдельного нужно рассмотреть сфера их использования. Такие детали имеют небольшую цену и полезны для ограничения пусковых токов при старте электрических двигателей, для защиты Li аккумуляторов, снижения зарядных токов блока питания.

    Где используется (сфера применения) - фотография 42 - изображение 42

    Терморезистор NTC также используется в автомобиле — датчик, применяемый для определения точки отключения и включения климат-контроля в машине.

    Еще один способ применения — контроль температуры двигателя. В случае превышения безопасного предела, подается команда на реле, а дальше двигатель глушится.

    Устройство и виды - фотография 43 - изображение 43

    Не менее важный элемент — датчик пожара, определяющий рост температуры и запускающий сигнализацию.

    Терморезисторы NTC обозначаются буквами или имеют цветную маркировку в виде полос, колец или других обозначений. Варианты маркировки зависят от производителя, типа изделия и других параметров.

    Пример обозначения 5D-20, где первая цифра показывает сопротивление терморезистора при 25 градусах Цельсия, а расположенная рядом с ней цифра (20) — диаметр.

    Типы по принципу действия - фото 44 - изображение 44

    Чем выше этот параметр, тем большую мощность рассеивания имеет изделие. Чтобы не ошибиться в маркировке, рекомендуется использовать официальную документацию.

    PTC

    В отличие от рассмотренных выше терморезисторов, PTC — термисторы, имеющие положительный коэффициент сопротивления. Это означает, что в случае нагрева детали увеличивается и ее сопротивление. Такие изделия активно применялись в старых телевизорах, оборудованных цветными телескопами.

    Сегодня выделяется два типа PTC-терморезисторов (от числа выводов) — с двумя и тремя отпайками. Отличие трехвыводных изделий заключается в том, что в их состав входит два позитрона, имеющих вид «таблеток», устанавливаемых в одном корпусе.

    Классификация по температурному срабатыванию - изображение 45 - изображение 45

    Внешне может показаться, что эти элементы идентичны, но на практике это не так. Одна из «таблеток» имеет меньший размер. Отличается и сопротивление — от 1,3 до 3,6 кОм в первом случае, и от 18 до 24 Ом для второй такой таблетки.

    Двухвыводные терморезисторы производятся с применением полупроводникового материала (чаще всего Si — кремний). Внешне изделие имеет вид небольшой пластинки с двумя выводами на разных концах.

    По виду нагрева - изображение 46 - изображение 46

    Терморезисторы PTC применяются в разных сферах. Чаще всего их используют для защиты силового оборудования от перегруза или перегрева, а также поддержания температуры в безопасном режиме.

    Главные направления применения:

    1. Защита электрических двигателей. Задача изделия состоит в защите обмотки от перегорания при клине ротора или в случае поломки системы охлаждения. Позистор играет роль датчика, подключаемого к управляющему прибору с исполняющим реле, контакторами и пускателями. При появлении форс-мажорной ситуации сопротивление растет, а сигнал направляется к управляющему элементу, дающему команду на отключение мотора.
    2. Защита трансформаторных обмоток от перегрева или перегруза. В такой схеме позистор устанавливается в цепи первичной обмотки.
    3. Нагревательный узел в пистолетах для приклеивания.
    4. В машинах для нагрева тракта впуска.
    5. Размагничивание ЭЛТ-кинескопов и т. д.

    Как проверить с помощью мультиметра

    Важный вопрос при эксплуатации термисторов — знание принципов их проверки. При оценке исправности нужно понимать, что термисторы бывают двух видов — с положительными и отрицательным температурным коэффициентом (об этом упоминалось выше). Следовательно, сопротивление детали снижается или уменьшается с ростом температуры.

    С учетом этого факта для проверки термистора потребуется всего два элемента — паяльник для нагрева и мультиметр.

    Алгоритм действий:

    1. Перевод прибора в режим замера сопротивления.
    2. Подключение щупов к клеммам терморезистора (расположение не имеет значения).
    3. Фиксация сопротивления на бумаге и поднесение нагретого паяльника к детали.
    4. Контроль сопротивления (оно растет или падает в зависимости от вида терморезистора).
    5. Если сопротивление снижается или увеличивается, полупроводник работает правильно.

    Для примера можно использовать термистор NTC типа MF 72. В нормальном режиме он показывает сопротивление 6,9 Ом при обычной температуре.

    Главные параметры терморезисторов - изображение 47 - изображение 47

    После поднесения паяльника к изделию ситуация изменилась — сопротивление пошло в сторону снижения и остановилось на уровне двух Ом. По этой проверке можно сделать вывод, что терморезистор исправен.

    Если сопротивление меняется резко или вообще не двигается, можно говорить о выходе детали из строя.

    Стоит учесть, что такая проверка очень грубая. Для точного контроля нужно проверить температуру и сопротивление термистора, а после сравнить данные с официальными параметрами.

    Как подключить

    Принцип подключения термисторов прост (на примере Arduino). Для этого потребуется монтажная плата, деталь и резистор на 10 кОм. Так как изделие имеет высокое сопротивление, этот параметр для проводников не влияет на конечный результат.

    Один контакт сопротивления подключается к контакту 5В, а второй — к контакту термистора.

    Вторую отпайку терморезистора необходимо посадить на «землю». Центр двух резисторов подключается к контакту «Аналог 0).

    <

    Где находится на схеме

    Отображение терморезистора на схеме может различаться. Изделие легко найти по обозначениям t и t0. Внешне оно отражается как сопротивление, через которое проходит полоска по диагонали с «подставкой» под t0 снизу. Главные обозначения — R1, TH1 или RK1.

    Базовые характеристики терморезисторов - фотография 48 - изображение 48

    Общий принцип действия - фотография 49 - изображение 49

    Если возникают сомнения в сфере применения, терморезистор можно нагреть и посмотреть на его поведение. Если сопротивление будет меняться, это нужный элемент.

    Терморезисторы используются почти везде — в плате зарядного устройства, в автомобильных усилителях, блоках питания ПК, в Li-Ion аккумуляторах и других устройства. Найти их на схеме не трудно.

    NTC - фотография 50 - изображение 50

    SMD и встроенные терморезисторы

    Существует также еще два вида терморезисторов, которым стоит уделить внимание:

    1. SMD — детали с особым типом монтажа (для внешнего крепления). Внешне они не сильно отличаются от конденсаторов SMD, изготовленных из керамики. Габариты соответствуют стандартному ряду — 1206, 0805, 0603 и т. д. По виду отличить такие изделия от терморезисторов SMD почти невозможно.

      PTC - фотография 51 - изображение 51

    2. Встроенные. Применяются в паяльных станциях (для контроля температуры жала), в том числе термовоздушного типа.

    Как проверить с помощью мультиметра - фотография 52 - изображение 52

    В дополнение стоит сказать, что в электронике вместе с терморезисторами используются термореле и термические предохранители, которые работают на похожем принципе и также устанавливаются в электронных приборах.

    <

    5 / 5 ( 1

    голос)

    Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 918)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты