Лабораторная работа

Исследование датчиков параметрического типа. Терморезистор

Цель работы: Исследование и снятие характеристик терморезистора. Определение влияния нагрузки на статические характеристики.

Краткие теоретические сведения

Терморезистором называется проводник или полупроводник, электрическое сопротивление которого значительно меняется с изменением температуры окружающей среды. Качество терморезистора характеризуется его чувствительностью к изменениям температуры и определяется температурным коэффициентом сопротивления.

Терморезисторные датчики используются, в частности, на тепловозах для измерения температуры масла. При этом терморезистор подключается к мостовой схеме измерения, выходной электрический прибор которой проградуирован в градусах.

Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы называют также термометрами сопротивления или термосопротивлениями. Они применяются для измерения температуры в широком диапазоне от -270 до 1600 °С.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы.

Чувствительность полупроводниковых терморезисторов на один-два порядка больше, чем металлических. Недостаток металлических терморезисторов - их тепловая инерционность (постоянная времени достигает нескольких минут), а полупроводниковых - нелинейность и нестабильность характеристик. Металлические терморезисторы выполняются из меди или платины. Медные терморезисторы применяются для измерения температур в диапазоне –50…+180°С, а платиновые –200…+650°С.

Металлические терморезисторы изготовляют из чистых металлов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и вольфрама. Для большинства чистых металлов температурный коэффициент электрического сопротивления составляет примерно (4—6,5) • 10^-3  1/°С, т. е. при увеличении температуры на 1 °С сопротивление металлического терморезистора увеличивается на 0,4—0,65 %. Наибольшее распространение получили медные и платиновые терморезисторы. Хотя железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температурный коэффициент сопротивления, чем медные и платиновые, однако применяются они реже.

Широкое применение в автоматике получили полупроводниковые терморезисторы, которые для краткости называют термисторами. Материалом для их изготовления служат смеси оксидов марганца, никеля и кобальта; германий и кремний с различными примесями и др.

По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые имеют меньшие размеры и большие значения номинальных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший температурный коэффициент сопротивления (до -6 • 10^-2 1/°С). Но этот коэффициент отрицательный, т. е. при увеличении температуры сопротивление термистора уменьшается. Существенный недостаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с металлическими - непостоянство температурного коэффициента сопротивления. С ростом температуры он сильно падает, т.е. термистор имеет нелинейную характеристику. При массовом производстве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.

Серийно выпускаются медно-марганцевые (тип ММТ) и кобальтово-марганцевые (тип КМТ) термисторы. На рисунке 1 показаны зависимости сопротивления от температуры для термисторов этих типов и для сравнения — для медного терморезистора. Величина В для термисторов составляет 2—5 тыс. К (меньше — для ММТ, больше для КМТ).

Электрическое сопротивление термистора при окружающей температуре +20 °С называют номинальным или холодным сопротивлением. Для термисторов типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5 эта величина может составлять 1—200 кОм, а для типов К.МТ-1, ММТ-4 — от 20 до 1000 кОм.

Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ — 120 °С, а для типа КМТ - 180 °С.

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко уменьшается с ростом температуры. Их чувствительность значительно выше, чем металлических, поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезисторов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов

α = (4-6)- 10^-3 1/°С, то для полупроводниковых терморезисторов

|α| > 4 • 10^-2 1/°С. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от температуры и им редко пользуются при практических расчетах.

Основной характеристикой терморезистора является зависимость его сопротивления от абсолютной температуры Т:

R_т=Ae^B/T                                                     (1.1)

где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров термистора;

В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника;

е - основание натуральных логарифмов.

Термисторы выпускаются в различных конструктивных исполнениях: в виде стерженьков, дисков, бусинок. На рисунке 2 показаны некоторые конструкции термисторов.

Термисторы типов ММТ-1, КМТ-1 (рисунок 2 а) внешне подобны высокоомным резисторам с соответствующей системой герметизации. Они состоят из полупроводникового стержня 1, покрытого эмалевой краской, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Термисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рисунок 2 б) также состоят из полупроводникового стержня 1, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Кроме покрытия эмалью стержень обматывается металлической фольгой 4, защищен металлическим чехлом 5 и стеклянным изолятором 6. Такие термисторы применимы в условиях повышенной влажности.

На рисунке 2 в показан термистор специального типа ТМ-54 — «Игла». Он состоит из полупроводникового шарика 7 диаметром от 5 до 50 мкм, который вместе с платиновыми электродами 2 впрессован в стекло толщиной порядка 50 мкм. На расстоянии около 2,5 мм от шарика платиновые электроды приварены к выводам 3 из никелевой проволоки. Термистор вместе с токоотводами помещен в стеклянный корпус 4. Термисторы типа МТ-54 обладают очень малой тепловой инерцией, их постоянная времени порядка 0,02 с, и они используются в диапазоне температур от -70 до +250 °С. Малые размеры термистора позволяют использовать его, например, для измерений в кровеносных сосудах человека.

Оборудование: лабораторный стенд, соединительные провода.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомится с электрической схемой опыта.

2. Произвести соединение от гнезда “+12В” блока питания к нагревательному элементу Rтн на гнездо “X1”.

3. На гнездо “X2” этого термоэлемента подать нулевой провод стенда.

4. Гнездо “+5В” блока питания соединить с входным гнездом “10” миллиамперметра РА2.

Рисунок 3. Схема исследования терморезистора

5. Второе гнездо «*» миллиамперметра соединить с гнездом “X2” термодатчика R1.

6.С гнезда “X1” термодатчика произвести соединение на нулевой провод стенда.

7. Включить напряжение питания стенда и снять показания измерительных приборов РА2 и PS1 при различных значениях температуры.

8. Результаты измерений занести в таблицу 1.

9. Рассчитать сопротивление терморезистора при влиянии на него температуры.

10. По результатам измерений и вычислений построить график Rт= f(t), сделать вывод о проделанной работе.

Таблица 1 Результаты измерений и вычислений

Контрольные вопросы

1.     Как классифицируются датчики по принципу действия, привести примеры?

2.     Объясните принцип действия терморезистора.

3.     Как изменяется сопротивление полупроводникового терморезистора?

4.     Чем отличаются металлические термисторы от полупроводниковых?

5.     Какие материалы применяют для изготовления полупроводниковых терморезисторов?

Скачано с www.znanio.ru