Терморезисторы, термопары и магниторезистивные датчики

Терморезисторы — это разновидности параметрических резистивных датчиков, меняющие свое сопротивление в соответствии с изменением измеряемой температуры.

Терморезисторы бывают двух разновидностей: полупроводниковые и металлические. Для металлических терморезисторов используют такие металлы как платина и медь, причем эти металлы должны быть особо чистыми. Применяют также никелевые сплавы, которые имеют температурный коэффициент, в два раза более высокий, чем у платины, что значительно повышает чувствительность преобразования. Качественная зависимость от температуры отношения сопротивления терморезистора R_T при температуре Т к его сопротивлению при нулевой температуре представлена на рис. 2.14. На этом рисунке характеристика 1 соответствует металлическому терморезистору, а характеристика 2 — полупроводниковому.

Рис. 2.14. Зависимость сопротивления терморсзистора от измеряемой температуры

Существует два способа измерения температуры с помощью терморезисторов:

• 1. Температура определяется окружающей средой. В этом случае терморезистор называется термометром сопротивления и включается в схемы измерительных мостов.
• 2. Температура определяется условиями охлаждения терморезистора, нагреваемого постоянным по величине током. Такая схема применяется, например, для построения датчиков потока жидкости или газа, теплопроводности окружающей среды, плотности окружающего газа и т.п.

Полупроводниковые терморезисторы называют термисторами.

Термометры сопротивления имеют чувствительность 0,1... 10 Ом/°С, воспроизводимость 0,05 *С, диапазон измеряемых температур 150...850 °С, минимальные габариты 5 х 5 мм.

Термисторы имеют чувствительность 0,1...1,0 Ом/°С, воспроизводимость 5 ^вС, диапазон измеряемых температур -100...+350 °С, минимальный диаметр 0,8 мм.

Примером терморезистора, использующего второй из вышеназванных методов измерений, является датчик анемометра, служащего для измерения скорости газового потока. Схематическое изображение этого датчика приведено на рис. 2.15. В соответствии с методом измерений, изображенным на рис. 2.15, нить 1 нагревается протекающим по ней током до температуры 200...800 °С.

Одновременно она охлаждается газовым потоком. Коэффициент теплоотдачи является функцией скорости газового потока, и при постоянном токе накала нити ее температура также является функцией скорости этого потока. В описываемом устройстве нить 1 выполнена из платины и имеет длину 10 мм. Концы проволоки припаяны к держателям 2, закрепленным в корпусе 3. К этим держателям по проводникам 4 подводится электрическое питание.

Рис. 2.15. Схема термометра сопротивления для измерения скорости газового потока

Интенсивность охлаждения газовым потоком нагретой металлической проволоки зависит не только от скорости этого потока, но и от его состава. Поэтому датчики такого рода находят применение, например, в системе контроля и регулирования содержания угарного газа СО в выхлопных газах автомобильного двигателя. Это содержание зависит от полноты сгорания топлива, а следовательно, и от оптимального для данных оборотов двигателя соотношения между расходом воздуха и бензина в рабочей смеси. Схема такой установки приведена на рис. 2.16.

На этом рисунке датчик 4 двигателя J, контролирует содержание СО в потоке выхлопных газов 5. Одновременно датчик 2 измеряет расход воздуха /, а датчик 6 измеряет расход паров бензина в их потоке 7. Путем сопоставления показаний датчиков 2, б и 8 производится контроль качества приготовления рабочей смеси и работы двигателя. Показания датчика 6 могут быть также использованы для индикации мгновенного значения удельного расхода бензина.

Рис. 2.16. Схема контроля качества рабочей смеси автомобильного двигателя

Особого рассмотрения требует метод измерения температур, основанный на использовании термопар. Термопара, использующая явление термоэлектричества, представляет собой источник термо-ЭДС, т. е. это не параметрический, а генераторный датчик. Термодатчики такого типа широко применяются в целях исследования и автоматизации технологических процессов и заслуживают самостоятельного рассмотрения.

Явление термоэлектричества, открытое Зеебеком, заключается в том, что в электрической цепи, составленной из двух различных проводников или полупроводников, соединенных своими концами, появится ЭДС и потечет ток, если сделать различной температуру точек соединения проводников. Это явление называется эффектом Зеебека. Цепь из подобных проводников, которые в этом случае называются термоэлектродами, называется термопарой, а места соединения проводников независимо от процесса, с помощью которого это соединение было осуществлено, называются спаями. Термоэлектрическую цепь можно разорвать в месте спая или разорвать любой из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник в место разрыва. При этом значение термо-ЭДС останется прежним. Пельтье открыл, что термоэлектрический эффект обратим, т. е. если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то один из спаев нагреется, а другой охладится. Какой из спаев нагреется, а какой охладится, зависит от направления тока. Это явление называется эффектом Пельтье.

Рис. 2.17. Статические характеристики различных термопар

Статические характеристики различных комбинаций термоэлектродов, образующих термопары, представлены на рис. 2.17. На этом графике 1 соответствует паре медь-константан, 2— паре хромель-алюмель, 3 — паре железо-константан, 4 — паре хромель- константан, 5—паре вольфрам-рений и 6— паре платина-плати- нородий.

При конструировании термопар стремятся подбирать электроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой — отрицательную ЭДС. Характеристики термопар обусловлены стандартами. Из представленных на рис. 2.17 характеристик видно, в частности, что пара медь-константан предназначается для работы при температурах, не превышающих 350 ^вС.

Термопары вообще достаточно хрупки и подвержены коррозии. Поэтому их заключают в защитный корпус, внутри которого находится инертный газ, предохраняющий термопару от окисления. Наличие корпуса значительно увеличивает инертность термопары и уменьшает ее коэффициент полезного действия. Поэтому термопары не используются при измерении температур маломощных источников, а также тел, имеющих малую теплоемкость или малую теплопроводность. В промышленности термопары используют, например, при определении температуры в плавильных или закалочных печах.

Рис. 2.18. Графическое изображение обмотки магниторезистивного датчика

Наконец, следует назвать еще один из видов резистивных параметрических датчиков, так называемый магниторезистивный преобразователь. Сущность его работы заключается в том, что под воздействием магнитного поля некоторые ферромагнитные материалы, например пермаллой (80 % Ni и 20 % Fe), существенно изменяют свое сопротивление. Величина изменения сопротивления зависит от напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности магнитного поля и направлением тока.

Обмотка такого датчика выполняется методом травления или напыления на изолирующей подложке в виде так называемого двойного меандра, как показано на рис. 2.18. Сопротивления А и В включаются в плечи измерительного моста, и при подаче напряженности внешнего магнитного поля Н сопротивления А и В изменяются, так что мост оказывается разбалансированным. По напряжению, возникающему в диагонали измерительного моста, можно делать выводы о пройзошедшем изменении магнитного поля. Такой датчик может служить, например, для счета оборотов диска, в который заделан постоянный магнит. Во время каждого оборота диска при неподвижном жестко закрепленном датчике в рабочей зоне датчика возникает «всплеск» напряженности магнитного поля, что приводит к «всплеску» напряжения в диагонали измерительного моста. Таким образом можно построить датчик вращения циклического типа.