3.1.3. Полупроводниковые терморезистивные преобразователи

Полупроводниковые терморезистивные преобразователи отличаются значительно большей чувствительностью (на порядок и более), нежели металлические.

В области, близкой к абсолютному нулю, используются германиевые и кремниевые термометры и диоды из арсенида галлия [21-24], имеющие отрицательный ТКС. При этом с падением температуры растет их чувствительность. В чистом виде германий и кремний используются выше 20 К. Ниже 20 К измерения проводятся легированным германием (мышьяком, сурьмой, индием и др.). Уровень легирования нормирует ТКС и позволяет приблизить измеряемые температуры к абсолютному нулю. Такие термометры обладают высокой воспроизводимостью и используются не только как рабочие термометры, но и для воспроизводства шкалы температур вплоть до абсолютного нуля.

К этой же группе условно могут быть отнесены угольные термометры, которые по характеру проводимости занимают промежуточное положение между металлами и полупроводниками, но обладают высоким отрицательным ТКС и нашли широкое применение в криогенной термометрии. Углерод наносится на керамический цилиндр, имеет защитное покрытие, выводы выполняются в виде «чашечек», как в радиотехнических резисторах [25,26].

Обширную группу полупроводниковых терморезисторов составляют так называемые термисторы. Термисторы имеют в своей основе порошкообразные сложные составы кобальто-марганцевых (KMT, СТ1, ПТ), медно-марганцевых (ММТ, СТ2), медно-кобальто-марганцевых (МКМТ, СТЗ), никеле-кобальто-марганцевых (СТ4) оксидных полупроводников. Используются также составы на основе титаната бария, легированного по массе 0,1 % германия (СТ5) и др.

Температурная зависимость сопротивления терморезисторов описывается соотношением вида

где А, В — постоянные коэффициенты (в узком температурном интервале).

Коэффициент температурной чувствительности

а=-В/Т²=-2,5...-4%/°С.

Воспроизводимость хорошо стабилизированных терморезисторов в диапазоне -50...200 °С не лучше ±0,2 °С. Высокая нелинейность затрудняет использование терморезисторов. Оно целесообразно там, где реализуются их преимущества — в узких температурных интервалах, где главным достоинством является их высокая чувствительность при сравнительно небольшой нелинейности.

3.1.4. Позисторы

Позисторы — полупроводниковые терморезисторы с положительным ТКС. Чувствительные элементы позисторов имеют в своей основе сегнетоэлектрические керамики из титанатов, цирконатов и других солей свинца, бария, мышьяка и др. Их ТКС может превышать 10 %/°С. Позисторы — экзотические резисторы, область применения которых ограничивается весьма узкими интервалами, где нужна высокая чувствительность измерения. Зависимость сопротивления различных позисторов представлена на рис. 2.3.

В диапазоне измеряемой температуры температурная зависимость сопротивления позистора имеет вид:

Рис. 2.3. Зависимость ТКС позисторов от температуры: 1 — СТ5-1; 2 — СТ6-1А; 3 — СТ6-1Б; 4 — СТ6-ЗБ; 5 — СТ6-4Г; 6 — СТ11-1Г.

Из рисунка видно, что СТ5-1 имеют ТКС < 20; CT6-IA — ТКС < 10; СТ6-1Б, СТ6-ЗБ —ТКС< 15; СТ6-4Г — ТКС < 4; СТ11-1Г — ТКС < 9; Таким образом, общий температурный диапазон всей совокупности терморезисторов -273...+1100 °С (+1300 °С кратковременно). Платиновые термометры предназначаются для прецизионных измерений в особенности в криогенной области и для всех остальных измерений в указанном диапазоне. Противопоказано использование платины при высоких температурах в среде водорода. Других противопоказаний у платины нет.

Медь используется в диапазоне ±200 (до +300) °С. Ее следует использовать везде, где она может заменить платину.

Полупроводниковые терморезисторы имеют общий диапазон использования -269...+200 °С, однако их применение всегда предполагает использование их для узкодиапазонных измерений, где может быть реализовано их главное преимущество — высокая чувствительность и сведен к минимуму главный недостаток — высокая нелинейность.

3.1.5. Реостатные преобразователи

В реостатных (потенциометрических) преобразователях осуществляется,

преобразование физической величины в перемещение движка реостата (линейное или угловое), которое преобразуется в изменение сопротивления реостата:

Таким образом, любая физическая величина, сводимая в результате тех или иных преобразований к линейному или угловому перемещению, может быть измерена с помощью реостатных преобразователей — давление (прогиб мембраны с помощью соответствующей кинематической схемы преобразуется в перемещение движка реостата), линейные ускорения (аналогично), углы поворота, линейные и относительные перемещения и т.д.

Главное достоинство реостатных преобразователей — относительная простота и отсутствие необходимости в дополнительной электронно- преобразующей аппаратуре.

Главный недостаток — наличие подвижного контакта и связанные с ним проблемы обеспечения надежности и стабильности контакта, износоустойчивости, виброустойчивости. Однако многолетняя практика проектирования и использования реостатных преобразователей даже в такой области техники, как ракетно-космическая, характеризуемой экстремальными условиями эксплуатации, показывает, что эти проблемы успешно в основном преодолеваются.

Главной конструктивной модификацией реостатных преобразователей являются проволочные реостаты, намотанные на каркасе. Витки между собой надежно изолируются, щетка реостата скользит по контактной дорожке. Ширина контактной поверхности составляет 2...3 витка реостата. Другая щетка скользит по токосъемнику. Намотка может быть равномерной и неравномерной, форма каркаса может изменять по требуемому закону длину витков, что в результате формирует функцию преобразования преобразователя по тому или иному функциональному закону [29].

Основные материалы, используемые для намотки реостатов — манганин, константан, нихром. В особых случаях используются благородные металлы (сплавы платины с иридием или палладием).

Щетки должны обладать пружинистыми свойствами. Для обеспечения виброустойчивости контакта щетка, как правило, делается составной (из двух-трех проволочек разной длины и, следовательно, с разной резонансной частотой).

Надежность контакта способствует увеличение прижимного усилия, однако, это в свою очередь приводит к повышенному износу и щеток, и витков, переносу металлической пыли в межвитковые зазоры, потери изоляции между ними и даже перемыканию витков. Кроме того, увеличение контактного усилия приводит к росту обратной реакции датчика и искажению измеряемого процесса.

При проволочной реализации реостата изменение сопротивления при перемещении движка является ступенчатым. Дискрет оказывается тем меньше, чем больше витков имеет реостат.

От этого недостатка свободны металлопленочные реостатные преобразователи, или реохорды, которые, однако, используются реже. Динамические возможности реостатных преобразователей определяются их подвижными элементами. Поэтому они используются в датчиках для измерений медленно меняющихся параметров (до 10 Гц).

3.2. Индуктивные трансформаторные преобразователи

К этому типу относятся разновидности электромагнитных преобразователей, у которых под воздействием измеряемой неэлектрической величины изменяются коэффициенты самоиндукции или взаимоиндукции в электромагнитной системе. Естественной входной величиной является линейное или угловое перемещение, а выходной — индуктивность или напряжение переменного тока.

Простейшие электромагнитные преобразователи малых перемещений представлены на рис. 2.4 и состоят из неподвижного П-образного магнитопровода 1 с обмоткой 2 и подвижной части магнитопровода — якоря 3.

В преобразователе на рис. 2.4(а) под воздействием входной величины Хн.эл изменяется зазор δ между подвижной и неподвижной частями магнитопровода, а в преобразователе на рис. 2.4(б) изменяется площадь S₀ воздушного зазора при горизонтальном перемещении якоря 3.

Электрическое сопротивление обмотки

где R₀ — сопротивление постоянному току; Z_M=R_M+JX_M — магнитное сопротивление магнитопровода; ω — частота тока, проходящего через обмотку; W₁ — число витков обмотки; Так как R_M>>JX_M, магнитное сопротивление магнитопровода будет равно

где i_CT — средняя длина магнитных силовых линий в ферромагнитных участках магнитопровода; μ — магнитная проницаемость материала магнитопровода; S_СТ — поперечное сечение магнитопровода; δ, μ₀ и S₀ — тоже для воздушных зазоров.

Из последнего уравнения можно найти выражение для коэффициента самоиндукции

Изменение величины зазора δ или площади S₀ приводит к изменению L. Такие преобразователи называют индуктивными.

Рис. 1. Индуктивные преобразователи с подвиж­ным якорем: а — с переменной величиной воздушного зазора; б — с переменной площадью воздушного зазора.

Рис. 2. Трансформаторный пре­образователь с переменной величи­ной воздушного зазора.

Если кроме обмотки W₁ на магнитопроводе расположить обмотку W₂ (рис. 2.5), то коэффициент взаимоиндукции между ними

Преобразователи этого типа известны как взаимоиндуктивные или трансформаторные. Если в обмотку W₁ подать переменный ток I₁ и поддерживать постоянным его значение, то ЭДС во вторичной (измерительной) обмотке W₂ будет функционально зависеть от положения якоря, т.е

где ω — частота питающего напряжения; К — коэффициент, учитывающий параметры обмотки W₁ и магнитное сопротивление магнитопровода.

Как следует из выражений для коэффициентов самоиндукции и взаимоиндукции, функции преобразования L=f(δ) или М=f(δ) простейших индуктивных и трансформаторных преобразователей имеют гиперболический характер (рис. 2.6). Поэтому они применяются только при преобразовании малых перемещений при начальной величине зазора δ₀<1мм.

Существенное уменьшение нелинейности достигается в дифференциальных схемах рассматриваемых преобразователей. При перемещении якоря в индуктивном преобразователе на рис. 2.7 величина L₁ будет увеличиваться, а величина L₂ уменьшаться. Если включить W₁ и W₂ в соседние плечи мостовой схемы, то напряжение на выходе моста переменного тока будет пропорционально разности ∆L=L₁-L₂, причем зависимость ∆L=f(δ) значительно более линейна, чем L=f(δ).

Рис. 3. Функция преобра­зования индуктивного или трансформаторного преобра­зователя.

Рис. 4. Дифференциальный индуктивный преобра­зователь и его функция преобразования.

Тот же эффект можно получить в трансформаторных датчиках с двумя вторичными обмотками W₁ и W₂ (рис. 2.8), если включить их навстречу друг другу. При симметричном расположении якоря выходное напряжение будет равно нулю, при смещении якоря в ту или иную сторону на выходе преобразователя появится выходное напряжение ∆U=U₁-U₂,

Рис. 5. Дифференциальный трансфор­маторный преобразователь.

Чувствительность индуктивных и трансформаторных преобразователей в соответствии с уравнениями L= f (δ) и M = f (δ) будет

S_L = ∂L/∂δ и S_e = ∂e/∂δ.

Для индуктивных преобразователей δ_L=μ₀δ₀w²/δ² при переменном зазоре и S_L=μ₀S₀w²/δ при переменной площади S₀.

Аналогично определяется чувствительность при дифференциальной схеме включения индуктивного преобразователя с двумя обмотками. При условии, что L₁=L₀(l-∆δ/δ₀) и L₂=L₀(l+∆δ/δ₀), где ∆δ — изменение воздушного зазора,

где U и ω —напряжение и частота источника питания мостовой схемы. Для трансформаторных преобразователей