Оборудование для измерения температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Температура как физическая величина является одним из определяющих параметров состояния, позволяющих контролировать протекание самых различных производственных процессов. Измерение температуры - важнейший источник информации о ходе физических явлений и об изменении состояния вещества. Поскольку из всех термодинамических функций состояния вещества температура наиболее изучена в метрологическом отношении, ее практически оказывается полезным измерять взамен прямого измерения ряда характеристик объекта, зависящих от его состояния и непосредственно интересующих технолога. К таким характеристикам относятся энергия вещества, его химическая активность, вязкость, твердость, изменение его химического или фазового равновесия, скорость изменения структуры, тепловое расширение, изменение электрических и магнитных свойств и т.д.

В то же время измерению температуры контактными методами с помощью термометров, приводимых в тепловой контакт с объектом измерения, присущи специфические трудности, резко возрастающие по мере повышения температуры. Эти трудности связаны с выбором материала для чувствительного элемента, которые бы обеспечивали стабильность показаний и минимальное воздействие на объект измерений, с выбором изоляционных материалов для электрических термометров. Погрешности, связанные при контактных измерениях с несовершенством теплового равновесия между термометром и объектом, с плохим тепловым контактом и посторонними тепловыми влияниями могут быть значительными.

Одним из вариантов для измерения температуры является использование термисторов. Среди преимуществ термистора можно выделить большое значение температурного коэффициента, то есть значительное изменение сопротивления в зависимости от температуры (порядка 2-10% на Кельвин).

Для измерения температуры наибольшее распространение получили полупроводниковые терморезисторы марки КМТ (на основе окислов марганца и кобальта), а также ММТ (окислы марганца и меди). Функция преобразования термисторов достаточно линейна в диапазоне температур -100 - 200°C, надежность полупроводниковых терморезисторов очень высока, характеристики стабильны в течение долгого времени.

Единственным недостатком является то, что в серийном производстве не удается с достаточной точностью воспроизвести необходимые характеристики. Один экземпляр значительно отличается от другого, примерно так же, как транзисторы: вроде бы из одной упаковки, а коэффициент усиления у всех разный, двух одинаковых из сотни не найдешь. Такой разброс параметров приводит к тому, что при замене термистора приходится заново производить регулировку аппаратуры.

Для питания термопреобразователей сопротивления чаще всего используется мостовая схема, в которой уравновешивание моста производится при помощи потенциометра. При изменении сопротивления терморезистора от воздействия температуры уравновесить мост можно только поворотом потенциометра. [2]

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Термисторы - это терморезистивные преобразователи, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов - NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC (с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип - NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в основном в системах сигнализации и контроля.

Конструкция и материалы

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы:

- бусинковые (0,1-1 мм),

- дисковые (2,5-18 мм),

- целиндрические (3-40 мм),

- пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм).

Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток. Большинство термисторов - керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 °С. Сложные двойные и тройные структуры оксидов переходных металлов, такие как (AB)₃O₄, (ABC)₃O₄ лежат в основе термисторов. Распространенной формулой является (Ni_0.2Mn_0.8)₃O₄. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 °С являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС. Удельная проводимость термистора зависит от химического состава и степени окисления. Дополнительное управление проводимостью осуществляется добавлением очень малых концентраций таких металлов как Li и Na.

При изготовлении бусинковых термисторов бусинки наносятся на две параллельные платиновые проволоки при температуре 1100 °С, проволоки разрезаются на куски для получения необходимой конфигурации выводов. На бусинки наносится стеклянное покрытие, спекаемое при 300 °С, либо бусинки герметизируются внутри миниатюрных стеклянных трубок. Для получения металлических контактов в дисковых термисторах, на диск наносится металлическое покрытие Pt-Pd-Ag и выводные проводники соединяются с покрытием пайкой или прессованием.

Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.[3]

Зависимость сопротивления термистора от температуры

Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой

R(T) = A exp(b/T)

где A, b - постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.

Однако, сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта

1/T = a+b(lnR)+c(lnR)³

где T - температура в К;

R - сопротивление в Ом;

a,b,c - константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.

Типичный 10 кОм термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 °С близкие к следующим значениям:

a = 1,03 10^-3 К^?1

b = 2,93 10^-4 К^?1

c = 1,57 10^-7 К^?1

Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т.е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки.

Градуировка термисторов может осуществляться в жидкостных термостатах. Необходимо герметизировать термисторы, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для градуировки и вычисления констант проводится сличение термистора с образцовым платиновым термометром. В диапазоне от 0 до 100 °С сличение проводится в точках с интервалом 20 °С. Погрешность интерполяции обычно не превышает 1 -5 мК при использовании модифицированного уравнения Стейнхарта и Харта:

1/T = a+b(lnR)+c(lnR)² + d(lnR)³

Могут также использоваться реперные точки: тройная точка воды (0,01 °С), точка плавления галлия (29,7646 °С), точки фазовых переходов эвтектик и органических материалов. Для градуировки нескольких термисторов они могут быть соединены последовательно, так чтобы через них проходил одинаковый ток. При градуировке и использовании термисторов важно учитывать эффект нагрева измерительным током. Для 10 кОм - ого термистора рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК), до 100 мкА (погрешность 10 мК).

Стабильность

Причины нестабильности термисторов следующие:

- напряжения, возникающие в материале при термоциклировании и образование микротрещин;

- структурные изменения в полупроводнике;

- внешнее загрязнение (водой и др. веществами) и в результате химические реакции в порах и на поверхности полупроводника;

- нарушение адгезии металлической пленки;

- миграция примесей из металлических контактов в материал термистора.

Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике.

Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 °С). Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 °С).

Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °С.

Диапазон наилучшей стабильности термисторов - от 0 до 100 °С. Основными преимуществами термисторов являются вибропрочность, малый размер, малая инерционность и невысокая цена. [4]

Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 1 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа MMT-I и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.

Терморезисторы типов ММТ-4а и КМТ-4а заключены в металлические капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы при любой влажности и даже в жидкостях, не являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1-19 и CT3-I9 имеют каплевидную форму. Для герметизации чувствительный элемент в них оплавлен стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность.[5]

Рисунок 1- Конструкции терморезисторов: ММТ-1 и КМТ-1, ММТ-4 и КМТ-4,СТ1-19 и СТ3-19

Рассмотрим для примера кратко три типа терморезисторов (термосопротивления): ММТ-1, ММТ-4 и ММТ-5. На рис.2( В) показаны принципиальное устройство и конструкции этих терморезисторов. Терморезистор ММТ-1 покрыт снаружи эмалевой краской и предназначен для работы в сухих помещениях; терморезисторы ММТ-4 и ММТ-5 смонтированы в металлических капсулах и герметизированы. Поэтому они не подвержены вредному влиянию окружающей среды, предназначены для работы в условиях любой влажности и даже могут находиться в жидкостях (не действующих на корпус терморезисторов)

Омическое сопротивление терморезисторов находится в диапазоне от 1000 - 200000 ом при температуре 20° С, а температурный коэффициент б около 3% на 1°С. На рис.2 изображена кривая, показывающая в процентах изменение омического сопротивления термистора в зависимости от его температуры. На этом графике за начальное значение принято сопротивление при 20° С.

Описываемые типы терморезисторов рассчитаны на работу в температурном интервале от -100 до + 120° С. Перегрев их недопустим.

Термосопротивления (термисторы, терморезисторы) упомянутых типов весьма стабильны, т. е. сохраняют практически неизменным свое "холодное" сопротивление, величина которого определяется при 20° С в течение весьма длительного времени. Высокая стабильность терморезисторов типа ММТ определяет их большой срок службы, который, как указано в паспорте, в нормальном режиме их работы практически безграничен. Термосопротивления (термисторы, терморезисторы) типа ММТ обладают хорошей механической прочностью.

Рисунок 2- Конструкции некоторых термисторов, характерная температурная зависимость сопротивления термистора.

А - Температурная зависимость сопротивления термосопротивления и металла

В - Конструкция термосопротивлений и их размеры:а - тело термосопротивления, б - контактные колпачки, в - слой эмалевой краски, г - защитный металлический чехол, д - стеклянный изолятор, е - металлическая фольга, ж - слой олова, к - выводы

Сейчас российским предприятием ООО «Диамант» из г. Александрова, серийно выпускаются термисторы ТРА-1, ТРА-2 на основе монокристаллов полупроводникового алмаза (рис.3). Производителем они позиционируются как «Терморезисторы изолированные, герметизированные, с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, предназначены для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока для измерения температуры, скорости потока жидкости или газа, разрежения и температурной компенсации элементов электрических цепей и т.д.» и выпускаются по техническим условиям ДИЛС 434121001ТУ

Термисторы на основе известных монокристаллических полупроводниковых материалах также имеют существенные ограничения рабочих температур(250…300° С) и требуют защиты поверхности от многих воздействий внешней среды, что связано с потерей термочувствительности и увеличением тепловой инерции. К достоинствам рассматриваемых термисторов на основе монокристаллов алмаза можно отнести их стабильные характеристики, даже при длительном воздействии предельных температур, большой рассеиваемой мощностью, широким диапазоном температур, высоким быстродействием и устойчивостью к внешним воздействиям. [6]

Рисунок 3- Конструкция монокристаллического полупроводникового алмаза

ВЫБОР И РАССЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

термистор вольтамперметр монокристаллический температура

Выбор и расчет датчика

На основе проведенного обзора литературы для изготовления термистора был выбран термистор ТРА-1. Конструкция датчика представляет из себя трубку из материал на основе полупроводникового монокристалла синтетического алмаза.

Температурная зависимость сопротивления термисторов вблизи рабочей точки описывается выражением:

где:

R_T0 - сопротивление терморезисторов при температуре 25°С=298 К, Ом

В - коэффициент температурной чувствительности, К

Т₀ - температура в К, при которой определяют R_T.

Принимаем значения: B=500, R_T0=100 Ом, при 25°С

Градуировочная таблица ТРА1

Градуировочный график ТРА1

Ток, протекающий через датчик составляет 10 мА. Расчет напряжения:

U(T=-20) = IЧR(T=-20) = 10^-3Ч134,77=0,13В

U(T=100) = IЧR(T=100) = 10^-3Ч27,26=0,03В

Рассчитаем коэффициент усиления измерительной части для 3 В

К= 3 В / 0,03 В=100

Выбор измерительного механизма

Вольтамперметр М253 переносный многопредельный магнитоэлектрической системы предназначен для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока.

Вольтамперметры М253 используются при температуре окружающего воздуха от 10 до 35° С и относительной влажности до 80% (при 30° С).

По устойчивости к механическим воздействиям прибор М253 относится к обыкновенным.

По степени защищенности от внешних магнитных влияний прибор относится к категории I.

Вольтамперметр класса точности 0,5.

Диапазон измерения: 0В-3В

Технические характеристики: Время успокоения подвижной части вольтамперметра не более 4 сек.

Габаритные размеры прибора 224х158х100 мм; масса 1,8 кг.

Корпус прибора Вольтамперметр М253 пластмассовый.

Подвижная часть прибора укреплена на растяжках.

Отсчетное устройство - стрелочный указатель.

Произведем расчет относительной погрешности термометра, если относительная погрешность ТРА 1 - 0,5%, измерительной части примем равной 0,01%, измерительного механизма 0,5%.

д=0,5%+0,01%+0,5%=1,01%

Расчет абсолютной погрешности

Д=100 ?СЧ1,01/100=1,01? С

ВЫВОД

В результате выполнения данного курсового проекта был разработан прибор для измерения температуры на основе термистора, который соответствует техническому заданию.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 22261-94. Средства измерений лектрических и магнитных величин.

2. Шахмаев, Н. М. и др. Физика: Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений / Н.М. Шахмаев. - М.: Просвещение, 1996. - 240 с.

3. http://sensorse.com/page46.html

4. Ахмеджанов,Р.А. Физические основы получения информации: учеб. пособие / Р. А. Ахмеджанов, А. И. Чередов, - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 184 с.

5. Ложников, В.Я. Резистивные и емкостные измерительные преобразователи: учеб. пособие / В.Я. Ложников. - Новосибирск: НИСИ, 1977. - 80 с.

6. ГОСТ 28884-90. М. Бондаренко, В. Лаптев, Терморезисторы на основе монокристаллов полупроводникового алмаза: характеристики, параметры, применение

Размещено на Allbest.ru