Какое свойство полупроводников используется в электрическом термометре
С развитием промышленности, изготовляющей полупроводниковые материалы, были значительно расширены исследования полупроводников с целью установления области их применения в термометрии. Проведенные исследования германия, как материала для чувствительных элементов термометров сопротивления, позволили ВНИИФТРИ создать температурную шкалу в области от 4,2 до 13,81 К для обеспечения единства измерений температуры в этом интервале [13]. В результате проведенных исследований ВНИИФТРИ для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, предназначенных для измерения температур в криогенной технике, германий получил широкое применение.
В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления применяют также смеси различных полупроводниковых веществ, например, смеси окислов меди и марганца, смеси окислов кобальта и марганца, смеси двуокиси титана с окислами магния и др. При изменении соотношения компонентов, составляющих материал, меняется значение его электропроводности и температурного коэффициента электрического сопротивления.
Полупроводники, применяемые для изготовления чувствительных элементов термометров, а следовательно, и полупроводниковые термометры обладают большим значением отрицательного температурного коэффициента электрического сопротивления, который при 20°С составляет
Германиевые термометры сопротивления. Германиевые термометры сопротивления в зависимости от их назначения разделяются на три основные группы: эталонные, образцовые и рабочие. Термометры рабочие в свою очередь подразделяются на термометры повышенной точности (лабораторные) и технические.
Эталонный германиевый термометр сопротивления воспроизводит и хранит единицу температуры и температурную шкалу ТШГТС в диапазоне от 4,2 до 13,81 К (ГОСТ 8.157-75). Зависимость электрического сопротивления германиевого термометра от температуры в интервале от 4,2 до 13,81 К выражается соотношением
где константы, определяемые градуировкой германиевого термометра сопротивления по газовому термометру.
По данным ВНИИФТРИ стабильность эталонных германиевых термометров сопротивления лежит в пределах ±0,001 К [13].
На рис. 5-4-1 показано устройство эталонного германиевого термометра сопротивления, разработанного ВНИИФТРИ. Чувствительный элемент 1 термометра выполнен из монокристаллического германия, легированного сурьмой. К раздвоенным концам ЧЭ припаяны четыре золотых проводника, к которым приварены выводы 2 из платиновой проволоки. Чувствительный элемент помещен в защитную гильзу 3, снабженную стеклянной головкой 4 с впаянными в нее платиновыми выводами. Внутренняя стенка защитной гильзы покрыта электроизоляционной пленкой 5. Гильза термометра герметична и заполнена газообразным гелием под небольшим давлением.
Рис. 5-4-1. Схема устройства германиевого термометра сопротивления.
Термометры сопротивления образцовые с ЧЭ из легированного германия могут применяться для измерения низких температур от
1,5 до 30 К. Воспроизводимость образцовых термометров изготовленных во ВНИИФТРИ, в интервале от 1,5 до 30 К составляет ±0,001 К. Во ВНИИФТРИ изготовляют также образцовые германиевые термометры для области температур от 15 до 20 К. Пределы допускаемой погрешности этих термометров не превышают ±0,01 К [13]. Схемы устройства германиевых термометров образцовых и повышенной точности аналогичны показанной на рис. 5-4-1.
Для технических измерений Институт полупроводников Киев) выпускает германиевые термометры сопротивления типа для температур от 30 до 90 для интервала от 30 до 50 К. Пределы допускаемых погрешностей этих термометров сопротивления составляют ±0,05 и ±0,1 К. Кроме этих термометров в институте изготовляют пленочные термометры сопротивления для измерения температур от 4,2 до 300 К и от 1,3 до 100 К.
Терморезисторы — полупроводниковые термометры сопротивления. Для изготовления ЧЭ полупроводниковых термометров ПТС (терморезисторов), используемых для измерения температуры от —100 до 300°С и выше, применяют смеси различных полупроводниковых веществ. Форма и виды изготовляемых ЧЭ весьма разнообразны. Наиболее распространенными видами ЧЭ ПТС являются цилиндрические, шайбовые и бусинковые. Для предохранения от возможных механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется термометром, ЧЭ в зависимости от
его назначений покрывают эмалью, помещают в защитный чехол и снабжают другими защитными устройствами.
Терморезисторы являются малоинерционными термометрами, что имеет существеннее значение, например, для исследования нестационарных тепловых процессов. Большое номинальное сопротивление полупроводниковых термометров (от единиц до сотен килоом) позволяет при измерении температуры не учитывать сопротивление проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором. Кроме того, к достоинствам ПТС следует отнести возможность их использования в качестве бесконтактных температурных сигнализаторов (термореле).
К числу недостатков ПТС можно отнести следующее:
1. Отсутствие взаимозаменяемости изготовляемых в настоящее время ПТС. Вследствие этого номинальные значения сопротивлений и температурные коэффициенты даже для одного и того же типа ПТС имеют большой разброс. Это исключает возможность получения единой градуировочной таблицы для данного типа ПТС, и каждый ПТС, предназначенный для измерения или сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально.
2. Нелинейный характер зависимости электрического сопротивления от температуры.
3. Малая допускаемая мощность рассеяния при прохождении измерительного тока.
Следует отметить, что рассматриваемые ниже полупроводниковые термометры сопротивления для измерения температуры на электростанциях в настоящее время не применяются.
Для выпускаемых ПТС для измерения температуры от —100 до 300°С зависимость сопротивления их от температуры в интервалах, не превышающих 100°С, определяется выражением [20]
где сопротивление данного ПТС при температуре ; температура, и В — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала и его конструкции; основание натуральных логарифмов .
При применении полупроводниковых термометров в температурных интервалах, не превышающих зависимость их сопротивления от температуры может быть выражена упрощенной формулой
Градуировка ПТС, предназначенных для измерения температуры в интервале более чем 100°С, должна производиться по ряду экспериментальных точек в заданном диапазоне температур через каждые [20].
Погрешность измерения температуры данной среды с помощью полупроводниковых термометров сопротивления (без учета погрешности измерительного прибора) зависит в основном от
нестабильности его сопротивления, погрешности градуировки, погрешности от перегрева и условий измерения температуры данной среды. Нестабильность ПТС является основным фактором, определяющим погрешность измерения температуры. Критерием нестабильности ПТС принято считать изменение значения сопротивления (в процентах) после выдержки при максимальной по абсолютному значению рабочей температуре применения данного типа ПТС в течение
Нестабильность ПТС, выпускаемых промышленностью для измерения температуры, достигает Нестабильность может быть значительно уменьшена путем специального отбора и продолжительного старения ПТС пои их изготовлении.
Рис. 5-4-2. Терморезисторы. а — типа и типа в — типа чувствительный элемент, покрытый эмалью; 2 — контактные колпачки; выводы; 4 — металлический чехол; 5 — стекло; 6 — металлическая фольга; 7 — слой олова.
При правильно выбранном режиме старения погрешность измерения температуры из-за нестабильности ПТС может быть незначительной и лежать в пределах от 0,1 до 0,3%. Погрешность индивидуальной градуировки стабилизированных ПТС, выполняемой в соответствии с методическими указаниями ВНИИМ [20], может быть доведена до
Измерительный ток, протекающий через ПТС, должен выбираться таким, чтобы погрешность от перегрева ЧЭ термометра за счет выделения в нем мощности рассеяния не превышала половины допускаемой погрешности измерения температуры. Допускаемая погрешность измерения температуры с помощью ПТС устанавливается равной значению нестабильности, указанному в паспорте на ПТС заводом-изготовителем. Устройство некоторых типов полупроводниковых чувствительных элементов ПТС показано на рис. 5-4-2. В табл. 5-4-1 приведены основные характеристики полупроводниковых ПТС. С характеристиками других типов терморезисторов, выпускаемых промышленностью, можно познакомиться в [21, 22].
При использовании нескольких однотипных ПТС в комплекте с одним измерительным прибором, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия, важное значение приобретает унификация их характеристик. Для обеспечения взаимозаменяемости применяют схему, образованную из и постоянных манганиновых резисторов соединенных параллельно и последовательно
Таблица 5-4-1 (см. скан) Основные характеристики ЧЭ полупроводниковых термометров сопротивления (рис. 5-4-3). Такая схема или подобная ей позволяет с достаточной точностью совместить температурные характеристики ПТС одного и того же типа в двух точках шкалы.
Рис. 5-4-3. Схема, обеспечивающая взаимозаменяемость ПТС.
Полупроводниковые термометры сопротивления нашли также применение в системах температурной сигнализации.
Обязательным элементом этой системы является элементарная цепь, состоящая из ПТС и постоянного резистора, включенного последовательно.
Полупроводниковые термометры сопротивления, предназначенные для работы в системе температурной сигнализации, должны обладать возможно большим температурным коэффициентом сопротивления и, следовательно, постоянной В.
Рис. 5-4-4. Статическая вольт-амперная характеристика ПТС.
Чем выше температурный коэффициент сопротивления или постоянная В, тем больше крутизна падающего участка вольт-амперной характеристики ПТС (рис. 5-4-4), что обеспечивает лучшие условия срабатывания схемы температурной сигнализации. Форма вольт-амперной характеристики ПТС в сильной степени зависит от его температуры. На зависимости формы этой характеристики от температуры основано явление релейного эффекта и применение ПТС в системе температурной сигнализации. Под релейным эффектом понимают резкое возрастание силы Тока в цепи, состоящей из ПТС и последовательно соединенного
с ним манганинового резистора, вызываемое увеличением температуры среды, окружающей следовательно, уменьшением значения его сопротивления. Следует отметить, что условия, при которых в цепи возникает релейный эффект, не ограничиваются только изменением температуры среды, в которой находится ПТС, и, вообще говоря, весьма разнообразны [23, 24].
Источник
Наряду с термопреобразователями сопротивления из металлических проводников для измерения температуры применяются полупроводниковые термометры сопротивления – терморезисторы.
Терморезисторы изготавливаются из порошкообразной смеси окислов некоторых металлов: меди (Cu2O3), марганца (Mn2O3), кобальта (СоО), никеля (NiО) и др., спрессованной и спеченной при высокой температуре.
Терморезисторы, представляющие непроволочные объемные нелинейные резисторы различной формы (цилиндрические, шайбовые и др.), в отличие от металлических резисторов имеют отрицательный температурный коэффициент, т.е. при нагревании уменьшают свое сопротивление.
Температурная зависимость сопротивления полупроводникового ТС описывается уравнением:
,
где – сопротивление при температуре Т, К;
– сопротивление при температуре , Ом;
– основание натуральных логарифмов;
– постоянная ТС, зависящая от свойств полупроводника, (от 2000 до 9000 К);
– температура терморезистора, К.
Терморезисторы имеют значительное удельное электрическое сопротивление, что позволяет получать из них компактные и малоинерционные термометры с большим сопротивлением (1 – 1000 кОм) и, следовательно, не учитывать влияние изменений температуры окружающего воздуха на сопротивление линий, соединяющих термометры со вторичными приборами.
Терморезисторы обладают большим постоянством электрических свойств, однако степень воспроизведения их сопротивления недостаточно надежна. Отклонение сопротивления от номинального значения достигает ±20%, что не обеспечивает необходимой взаимозаменяемости.
Полупроводниковые ТС с положительным ТКС (позисторы) изготавливаются из полупроводниковых поликристаллических керамик (например, Ba, TiO3) и обладают ферроэлектрическими свойствами, которые характеризуются тем, что сопротивление в относительно узком температурном диапазоне возрастает экспоненциально на несколько порядков.
Шаговые ИМ.
Шаговые исполнительные двигатели.
Шаговым двигателем называется электродвигатель с прерывистым вращением ротора под действием дискретного электрического сигнала, подаваемого на обмотки управления. в качестве шаговых двигателей получили широкое распространение многофазные синхронные двигатели с активным (возбуждением) и реактивным (невозбужденным) ротором
Шаговые двигатели (ШД) отличаются от обычного синхронного в основном формой напряжения, подводимого к фазным (управляющим) обмоткам. ШД применяются с электронным коммутатором, который подает на обмотки управления прямоугольные импульсы. Последовательность подключения обмоток и частота импульсов соответствует заданной команде. каждому импульсу управления соответствует поворот ротора на фиксированный угол, называемый шагом двигателя, величина которого строго определена его конструкцией и способом переключения обмоток. скорость вращения пропорциональна частоте, а суммарный угол поворота – числу импульсов управления.
При изменении последовательности подключения к обмоткам управляющих импульсов по произвольному закону шаговый двигатель работает в режиме слежения, воспроизводя сложное движение с точность до одного шага. ШД совместно с коммутатором можно отнести к системам частотного регулирования синхронного электродвигателя с возможностью изменения частоты до нуля.
При снятии управляющих импульсов шаговый двигатель фиксирует конечные координаты углового перемещения с точностью до долей шага без применения датчиков обратной связи, что упрощает систему управления.
Рассмотрим принцип действия и особенности основных физических процессов шаговых двигателей на примере двухфазной двухполюсной синхронной машины с активным ротором.
При подаче постоянного напряжения указанного знака на фазу А возникает намагничивающая сила статора FА, которая в результате взаимодействия с полем постоянного магнита ротора создает синхронизирующий момент. Под действием этого момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А. При отключении фазы А и подключении фазы В вектор намагничивающей силы статора повернется на 90° по часовой стрелке, возникнет синхронизирующий момент, под действием которого ротор вновь повернется на 90°. Для следующего поворота ротора на 90° по часовой стрелке необходимо подать на фазу А напряжение противоположного знака и т. д.
-При рассмотренном способе переключения обмоток, который можно представить в виде последовательности +А, +В, -А, -В, шаг двигателя равен 90°. Шаг двигателя можно уменьшить в два раза, если переключение обмоток выполнить в другой последовательности: (+А), (+А, +В), (+В), (+В, -А), (-А), (-А, -В), (-В), (-В, +А), т. е. на некоторых шагах происходит подключение двух фаз одновременно. Такая коммутация фаз уменьшает шаг до 45°.
-Управление шаговым двигателем может быть однополярным или pазнополяpным, симметричным или несимметричным, потенциальным или импульсным.
-При однополярном управлении напряжение, подводимое к фазе, изменяется только по величине от нуля до +U.
-Разнополярное управление предполагает изменение напряжения от -U до +U.
-Управление называется симметричным, если для каждого устойчивого состояния возбуждается одинаковое количество фаз.
-Если возбуждается разное число обмоток, то управление будет несимметричным. В рассмотренном примере шагового двигателя управление является разнополярным симметричным при шаге 90° и несимметричным при шаге 45°.
-При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. В отсутствие сигнала управления обмотки находятся под постоянным напряжением, которое фиксирует положение ротора.
-При импульсном управлении обмотки статора находятся под напряжением только в моменты поворота ротора, а затем напряжение снимается и ротор фиксируется в определенном положении реактивным моментом.
-Способ управления шаговым двигателем оказывает влияние на сложность электронного коммутатора. Для простоты схемы электронного коммутатора наиболее удобной является потенциальная схема управления с симметричной однополярной коммутацией обмоток.
Характеристики шагового двигателя.
. Число устойчивых электрических состояний n, которое кратно или равно числу управляющих обмоток m. Так n = m используется при однополярной коммутации и симметричном способе управления. n = 2*m при разнополярной коммутации с симметричным управлением или при однополярной коммутации для несимметричного способа управления. n = 4*m для несимметричной разнополярной коммутации.
2. Механический шаг двигателя – угол между двумя устойчивыми соседними состояниями
a = 2 p/ (n p),
где: n – число устойчивых состояний; р – число пар полюсов ротора. Этот же угол в электрических градусах будет равен
aэ = a×p =2 p / (n×p).
. Синхронизирующий момент – зависимость момента, развиваемого двигателем, от углового положения ротора. Для шаговых двигателей с симметричным ротором эта функция близка к синусоиде.
4. Пусковой момент – максимальный момент нагрузки, при котором двигатель на очередном цикле коммутации вращается без потери шага. Этот момент равен ординате точки пересечения кривых синхронизирующего момента для двух устойчивых соседних состояний.
5. Интервал значений углового положения ротора, в пределах которого ротор возвращается в исходное положение, является зоной статической устойчивости двигателя. Эта зона равна (-p)…(p) для двигателя с симметричным ротором.
6. Частота приемистости fn – максимальная частота следования импульсов управления, при которой двигатель входит в синхронизм без потери шага. Частота приемистости пропорциональна динамической добротности шагового двигателя, определяемой отношением – Mп /J, и обратно пропорциональна шагу двигателя. При одной и той же добротности и величине шага частота приемистости растет с увеличением числа обмоток управления.
Это объясняется тем, что при пуске ротор за первые тактовые импульсы может отрабатывать не полные шаги, а вращаться с некоторым запаздыванием относительно магнитодвижущей силы статора, оставаясь в пределах зоны устойчивости при каждом очередном переключении обмоток управления. Частота приемистости зависит от момента нагрузки на валу и электромагнитной постоянной времени обмоток управления.
7. Электромагнитная постоянная времени – отношение индуктивного сопротивления обмотки управления к ее активному сопротивлению.
8. Собственная частота колебаний wо – угловая частота колебаний ротора двигателя около устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки. Знание wо необходимо при определении частоты управляющих импульсов, при которой возможно явление резонанса.
9. Механическая характеристика – зависимость момента, развиваемого двигателем, от частоты управляющих импульсов. Механическая характеристика имеет падающий характер, так как с ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока за счет индуктивности обмоток управления. На некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю.
Билет 23
Источник