2.7. Теплові перетворювачі

Тепловими називаються перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні теплових процесів (нагрівання, охолодження, теплообміну) і вхідною величиною яких є температура. Теплові перетворювачі широко використовуються як перетворювачі не тільки температури, але і таких величин, як тепловий потік, швидкість потоку газу або рідини, витрачання, хімічний склад і тиск газів, вологість, рівень рідини і т.п. При побудові теплових перетворювачів найчастіше використовуються такі явища, як виникнення термо-е.р.с., залежність опору речовини від температури.

2.7.1. Терморезистивні перетворювачі

Принцип дії терморезистивних перетворювачів оснований на властивості провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при зміні температури.

Для терморезистивних перетворювачів використовують матеріали, що характеризуються високою стабільністю ТКО, високим відтворенням електричного опору при даній температурі, значним питомим електричним опором, високим ТКО, стабільністю хімічних і фізичних властивостей при нагріванні, інертністю до досліджуваного середовища. До таких матеріалів в першу чергу відносяться платина, мідь, нікель, вольфрам і ін. Але найбільш широко використовуються платинові і мідні терморезистори.

Опір платинових терморезисторів в діапазоні температур від 0 до 650⁰ С описується рівнянням

R_ = R₀ (1+A+B ²),

де R_, R₀ – опір перетворювача

при робочій і нульовій температурі; А і В – постійні коефіцієнти.

Для платинової проволоки, що використовується в промислових терморезисторах, А= 3,9684710^–3 К^–1; В= -5,84710^–7 К^–2. В інтервалі температур від 0 до -200⁰ С залежність опору платини від температури має вигляд

R_ = R₀[1+A+B²+C(-100)³],

де C=–4,35610^–12 К^–3.

До недоліків платинових перетворювачів температури відноситься досить висока забрудненість платини парами металів (особливо заліза) при високих температурах, порівняно невелика хімічна стійкість у відновлювальному середовищі, внаслідок чого матеріал стає крихким, втрачає стабільність характеристик.

Мідні терморезистивні перетворювачі широко використовуються в діапазоні температур від 50 до 180⁰ С завдяки низькій вартості, досить високій стійкості до корозії. Залежність опору від температури описується лінійним рівнянням

R_ = R₀(1+),

де =4,2610^–3 К^–1.

До недоліків мідних перетворювачів температури відносяться висока окисність міді при нагріванні, внаслідок чого їх використовують у визначеному порівняно невеликому діапазоні температур в середовищах з низькою вологістю і при відсутності агресивних газів.

Нікель, хімічно стійкий матеріал навіть при високих температурах, має складну залежність опору від температури і невисоку її відтворюваність. Тугоплавкі метали – вольфрам, молібден, тантал, ніобій – використовують мало через вплив температури на структуру металу, що робить його крихким. Сплави, які характеризуються більш високим питомим опором, ніж чисті метали, в якості металів для перетворювачів не використовують через порівняно невисокий ТКО, значення якого в значній мірі залежить від кількісного і якісного складу домішок.

Терморезистори зазвичай використовують для вимірювання температур. При цьому струм навантаження, що проходить через перетворювач, повинен бути малим. Якщо через терморезистори пропускати великий фіксований струм, то перегрів терморезистора по відношенню до навколишнього середовища може стати значним. Усталене значення перегріву і, відповідно, опору при цьому буде визначатись умовами тепловіддачі поверхні терморезистора. Якщо нагрітий терморезистор помістити в середовище зі змінними теплофізичними характеристиками, то з’являється можливість вимірювання ряду фізичних величин, наприклад, швидкості потоку рідин і газів, щільності газів і т.п.

Чутливість мідних терморезисторів

платинових –

К_SП = R₀ (a+2B).

Чутливість мідних терморезисторів постійна, а чутливість платинових змінюється зі зміною температури. При однакових значеннях R₀ чутливість мідних терморезисторів вище.

Основним джерелом похибок терморезистивних перетворювачів температури є неточність підгонки опору R₀ при температурі 0⁰ С і відхилення відношення W₁₀₀ опору R₁₀₀ при 100⁰ С до опору R₀, нестабільність цих параметрів в часі, додатковий нагрів від проходження робочого струму, нестабільність опору знімальних дротів, що підходять від вимірювальної схеми до перетворювача та інші.

Відносні похибки _ПІДГ і _ВІД (у відсотках), зумовлені неточністю підгонки R₀ і відхилення W₁₀₀ від номінального значення, визначають за виразом (для платинових терморезисторів):

де – відносне відхиленняR₀ від номінального значення; А – відхилення коефіцієнта А від номінального значення.

Нестабільність терморезистивних перетворювачів пояснюється зміною значень R₀ і W₁₀₀, внаслідок забруднення чутливого елементу конструкційними матеріалами. Похибки, що виникають за рахунок зміни R₀ і W₁₀₀, мають різні знаки, тому частково компенсуються.

За динамічними властивостями терморезистивні перетворювачі ідентичні термоелектричним перетворювачам.

Термоперетворювачі температури, які випускаються виробництвом, з платиновими (ТОП) і мідними (ТОМ) чутливими елементами призначені для вимірювання температур в діапазоні від -200 до +1100⁰ С (табл. 2.7.1).

Таблиця 2.7.1.