Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.
Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые. Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.
Функция преобразования медного терморезистора линейна:
(1)
где R 0 — сопротивление при 0 t 0 С; a = 4,28.10-3 K-1 — температурный коэффициент.
Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен a= 3,91.10 -3 K-1 .
Функция преобразования платинового терморезистора:
R t = R0 (1+a (T1 — T0 )) (2)
Чувствительный элемент
Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец. При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы. Основные параметры наиболее распространенных терморезисторов и обозначения их градуировок определяются по ГОСТ 6651-84.
Номинальные функции преобразования (статические характеристики) медных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСТ 6651-84.
Термодатчики представляют собой чувствительные элементы с присоединенными гибкими посеребренными сигнальными проводами в термостойкой тефлоновой изоляции.
Датчиками температуры служат миниатюрные высокоточные платиновые терморезисторы стандарта DIN EN60751 class B (рисунок 1).
Методы и средства контактных электроизмерений температуры
... их измерения. Наиболее распространенные методы измерения температуры и области их применения приведены в таблице 1. Таблица 1 контактные методы и средства электроизмерения температур. 1. ... величиной которого является температура . К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового ...
Цена — 21 у. е.
С разъемом для подключения вместо МФ-100 — 31 у. е.
В отличие от термопар терморезисторы подключаются без соблюдения полярности. Также отпадает проблема с подгонкой термопар различного типа, и не требуется дополнительный холодный спай. Особенно следует отметить высокую точность изготовления и полную взаимозаменяемость терморезисторов одного типа, поэтому при замене не требуется калибровка системы. Термопары при установке на плоскую поверхность имеют точечный контакт, в отличие от этого, терморезисторы, имеющие форму прямоугольника, обеспечивают хороший тепловой контакт по всей плоскости и поэтому более точно отображают температуру элементов. Из этого следует, что в диапазоне температур до +500 °C применение терморезисторов предпочтительнее термопар.
Термометр сопротивления и провода, соединяющие его со вторичным прибором, включены последовательно. Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры.
Вторичные преобразователи термометров сопротивления выполняются такими, чтобы максимально уменьшить эту погрешность. Если требуется наибольшая точность измерения температуры, например при метрологических работах, используется компенсационная схема. По этой схеме применяют четырехзажимные платиновые терморезисторы. Два провода используются для подвода тока, а два других служат для измерения падения напряжения на термочувствительной обмотке. Падение напряжения измеряется с помощью потенциометра. Измеряется также падение напряжения U 0 на образцовой катушке. Сопротивление терморезистора при этом равно
(3)
Благодаря компенсационному методу измерения отсутствует падение напряжения на проводах, соединяющих термометр с потенциометром, и их сопротивление не влияет на результат измерения.
В менее ответственных случаях для измерения сопротивлений терморезисторов используются мосты: в лабораторной практике — с ручным уравновешиванием, в производственных условиях — автоматические.
Термометр сопротивления может подключиться к мосту с помощью двух- или трехпроводного кабеля. Двухпроводный кабель дешевле, однако при его использовании сопротивления обоих проводов включаются последовательно с термометром в одно плечо. Токоведущие жилы кабеля выполнены из медного провода: при изменении температуры их сопротивление изменяется, что вносит погрешность в измерение. Двухпроводный кабель используется в тех случаях, когда его температура постоянна и погрешность, обусловленная ее изменением, незначительна.
При включении термометра по трехпроводной схеме по одной жиле кабеля к термометру подводится напряжение питания. К плечам моста термометр подсоединяется с помощью двух других жил, включенных в смежные плечи моста. Одинаковые изменения их сопротивлений практически не разбалансируют мост. Таким образом, исключается погрешность, которая могла бы быть при изменении температуры кабеля.
В качестве вторичных приборов для термометров сопротивления в промышленности применяются также логометрические приборы.
Сопротивление терморезистора определяется его температурой. Последняя зависит не только от температуры окружающей среды, но и от проходящего по нему тока. Перегрев медного термометра током не должен превышать 0,4 t 0 С, а платинового — 0,2 t0 С. Для этого ток не должен превосходить 10 — 15мА.
Краткие характеристики платиновых термодатчиков представлены в таблице 1.
Таблица 1 — Краткие характеристики платинового термодатчика.
|
Тип чувствительного элемента |
M-FK1020 class B или M-FK422 class B |
|
Стандарт |
DIN EN60751 (в соответствии c IEC751) |
|
Габариты M-FK1020 |
9.5 х 1.9 х 0.9мм |
|
Габариты M-FK422 |
4 х 2.2 х 0.8мм |
|
Сопротивление чувствительного элемента R0 при 0°С* |
1000 Ом |
|
Диапазон рабочих температур* |
от — 70°С до +500°С |
|
Допустимый измерительный ток для M-FK1020 |
от 0.3мА до 1.0мА |
|
Допустимый измерительный ток для M-FK422 |
от 0.1мА до 0.3мА |
|
Долговременная стабильность (дрейф R0) |
0.04% после 1000ч на500°С |
|
Виброустойчивость |
до 40g на частотах 10-2000Гц |
|
Ударная прочность (при импульсе колоколообразной формы 8мс) |
до 100g |
|
Условия эксплуатации |
сухая неагрессивная среда |
|
Сопротивление изоляции* |
>10МОм на 20°C; >1МОм на 500°С |
|
Время отклика при помещении чувствительного |
в поток воды v = 0.4м/с t 0.5 = 0.2с; t0.9 = 0.4с в поток воздуха v = 1м/с t 0.5 = 4.2с; t0.9 = 12.7с |
|
Длина сигнальных проводов |
2 — 2.5м |
* Характеристики указаны без учета присоединенных
Сигнальные провода и
При этом возможно потемнение силиконовых изоляционных втулок.
2.Почему появилась эта разработка
Толчком к появлению данной разработки послужила вполне конкретная задача. Для вентиляции офиса был установлен мощный вентилятор на базе асинхронного двигателя и, для управления вентиляцией, потребовалось установить на электродвигатель электронный регулятор мощности. Для этих целей был опробован классический тиристорный регулятор мощности с фазовым управлением. Такой регулятор обеспечивал регулировку мощности, но, из за подачи на электродвигатель питающего напряжения в виде импульсов с крутыми фронтами, последний издавал значительный акустический шум и грелся. Кроме того, по этой же причине, система регулирования излучала большой уровень электрических помех. Потребовалось найти другое решение.
В журналах “Радио” были найдены схемы регуляторов
Принципиальная схема разработанного устройства показана на рисунке 1, а перечень элементов дан в таблице 1. В качестве регулирующего элемента используется мощный полевой транзистор. По сравнению с тиристорами современные мощные полевые транзисторы обеспечивают меньшее прямое падение напряжения и, как следствие, меньшее тепловыделение. Кроме того, они требуют значительно меньшей мощности по цепи управления. Дополнительно в данной схеме, за счет переключения транзистора при нулевом напряжении на стоке, устранен эффект динамической входной емкости, что еще более облегчило требования к цепи управления. В результате оказалось возможным запитать затвор полевого транзистора непосредственно от КМОП микросхемы.
Резистором R4 на неинвертирующем входе компаратора DA2 задается уровень требуемой мощности. На другой вход компаратора через интегрирующую цепь R9C2 (контакты Х4 и Х5 замкнуты) подается управляющий сигнал поступающий на затвор полевого транзистора. Напряжение на выходе интегрирующей цепи прямо пропорционально времени открытого состояния транзистора и, следовательно, выходной мощности. Сигнал рассогласования с выхода компаратора поступает на вход полевого транзистора через триггер-защелку DD1. На счетный вход этого триггера поступает стробирующий сигнал с оптрона DA1 который обеспечивает переключение триггера и изменение управляющего напряжения на затворе полевого транзистора только в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Перезапись состояния триггера производится один раз за каждый полный период сетевого напряжения. Этим обеспечивается устранение помех при переключении и отсутствие постоянной составляющей на нагрузке. В первоначальном варианте схемы сигнал на счетный вход триггера подавался через резисторный делитель непосредственно с провода питания. Такая схема хорошо работала на активную нагрузку, но при работе на реактивную нагрузку, например такую как электродвигатель, давала сбои. Поэтому пришлось использовать оптронную развязку.
2.1 Принципиальная схема
Элементы R2, VD2, VD4, C1 обеспечивают питающее напряжение для микросхем. Светодиод VD3 является элементом индикации, одновременно обеспечивая увеличение напряжения питания компаратора примерно на 2 В, что необходимо для его нормальной работы по диапазону синфазных входных напряжений. При использовании схемы в качестве регулятора мощности между контактами Х4 и Х5 устанавливается перемычка, вместо резисторов R3 и R5 так же устанавливаются перемычки, а резистор R8 не устанавливается.
С указанными элементами регулятор, при входном напряжении 220 В, может регулировать мощность около 650 Вт. При необходимости работы с большими мощностями нужно транзистор установить на радиатор и использовать диоды VD5-VD8 на больший допустимый ток. На рисунке 2 показаны примерные диаграммы напряжений на нагрузке при выходной мощности 25%, 50% и 75% от максимальной.
Кроме задачи по регулированию мощности в нагрузке схему удобно использовать для работы в качестве беспомехового терморегулятора. В этом случае перемычка между контактами Х4 и Х5 не устанавливается. Между контактами Х3 и Х4 подключается терморезистор R11 с номинальным сопротивлением на рабочей температуре 10-100 кОм (например ММТ-1 или ММТ-4), резистор R8 устанавливается с номиналом, равным номиналу терморезистора, а резисторы R3 и R5 подбираются экспериментально, так что бы обеспечить необходимые границы регулировки температуры. Для примера, при номиналах R11=R8=22 кОм и R3=R5=15 кОм, обеспечивалась регулировка температуры в пределах от +5оС до +35оС.
2.2 Диаграммы напряжений на нагрузке,
при различных положениях регулятора
2.3 Конструкция.
Регулятор собран на печатной плате размером 45х67 мм и помещен в стандартный пластмассовый корпус типа G025 с размерами 72х50х21 мм. Благодаря малому размеру и весу регулятора он может устанавливаться в разрыв сетевого шнура без дополнительного крепления.
Напряжение питания , В
Ток потребления, мА
Максимальная мощность нагревателя, Вт 650
3. Перечень элементов
|
Позиция |
Номинал |
Примечание (возможная замена) |
Количество |
|
R1 |
100 кОм |
0,25 Вт |
1 |
|
R2 |
43 кОм |
0,5 Вт |
1 |
|
R3 |
* |
Подбирается при регулировке |
1 |
|
R4 |
33 кОм |
Переменный, линейный |
1 |
|
R5 |
* |
Подбирается при регулировке |
1 |
|
R6, R9 |
47 кОм |
0,125 Вт |
2 |
|
R7 |
100 кОм |
0,125 Вт |
1 |
|
R8 |
* |
Подбирается при регулировке |
1 |
|
R10 |
100 Ом |
0,125 Вт |
1 |
|
С1 |
100 мкФ, 16 В |
100 мкФ, 25 В |
1 |
|
C2 |
1,0 мкФ, 50 В |
1,0 мкФ, 63 В |
1 |
|
DA1 |
4N35 |
(4N36, 4N37) |
1 |
|
DA2 |
LM393 |
(HA17393) |
1 |
|
DD1 |
К561ТМ2 |
(CD4013) |
1 |
|
VT1 |
IRF740 |
(IRF740A) |
1 |
|
VD1, VD2 |
1N4004 |
(1N4005, 1N4006, 1N4007) |
1 |
|
VD3 |
LED 3 мм |
Красный светодиод 3 мм |
1 |
|
VD4 |
BZX55C 12V |
Стабилитрон 12 В |
1 |
|
VD5…VD8 |
1N5404 |
(1N5406, 1N5407, 1N5408) |
4 |
