Предпосылки применения терморезисторов в схемах контроля газов низкого давления

Предпосылки применения терморезисторов в схемах контроля газов низкого давления

Высокий температурный коэффициент сопротивления терморезисторов |3_Т является важной предпосылкой использования термисторов в качестве датчиков, чувствительных к изменению условий теплообмена. Это вытекает из рассмотрения чувствительности датчика , определяемой отношением изменения некоторой выходной величины Э к изменению входной величины X, т. е. — =dX.

Терморезистор как первичный преобразователь неэлектрической величины в электрическую можно характеризовать его сопротивлением (в качестве выходной величины), независимо от вида схемы, в которую он включен. Структурная схема такого преобразователя представляет собой ряд последовательных звеньев, каждое из которых изображает преобразование одной неэлектрической величины в другую. Таким образом, если терморезистор используется как датчик давления, то его сопротивление связано с давлением — входной величиной измерительного преобразователя — цепью зависимостей:

Не вникая пока в анализ чувствительности первого и второго звена, а учитывая только чувствительность третьего, можно утверждать, что чувствительность преобразователя в целом пропорциональна температурному коэффициенту сопротивления |3_Т. В связи с этим, идя по пути увеличения чувствительности прибора, замена металлического чувствительного элемента полупроводниковым представляется наиболее логичной и естественной хотя бы потому, что температурный коэффициент сопротивления у полупроводников на порядок выше, чем у металлов. Вместе с тем простая механическая замена датчика прибора далеко не исчерпывает проблемы его усовершенствования. Возникает ряд новых задач, связанных с необходимостью повышения технических качеств прибора при его работе как в установившемся, так и в переходном режиме. В некоторых случаях решение этих задач противоречиво и требует комплексного рассмотрения работы прибора в обоих режимах.

Современное состояние исследований, направленных на усовершенствование измерений низких давлений, показывает, что при разработке вакуумметров главное внимание уделяется вопросам синтеза электрических схем и их обоснованию. Конструкция датчика принимается, как правило, готовой или выбирается с учетом лишь некоторых частных характеристик.

Как исключение, можно отметить работы, в которых поставлен и в некоторой степени разрешен вопрос о чувствительности терморезисторного датчика в зависимости от его геометрической формы, размеров и физических свойств полупроводникового материала. Однако полученные в этих работах рекомендации по конструкции датчика носят чисто эмпирический характер и недостаточно теоретически обоснованны. Что касается вопроса о влиянии режима работы датчика на его технические характеристики, то он хотя и ставился, но недостаточно четко и вне связи с геометрическими характеристиками чувствительного элемента.

или

Известно, что газ в зависимости от степени его разрежения проявляет свойства, присущие как сплошному вязкому, так и дискретному молекулярному потоку. В этой связи основные приемы и методика разработки терморезисторного вакуумметра в значительной степени применимы ко всей группе приборов, чувствительных к изменению условий теплообмена. В то же время имеющиеся в периодической литературе работы, посвященные изучению теплообмена в вакууме при естественной конвекции (Л. 14, 30—32, 49, 55], недостаточно полно отображают все многообразие явлений переноса энергии и вещества в разреженной воздушной среде. Что касается применения терморезисторов при изучении этих явлений, то в настоящее время оно ограничивается единичными случаями. Между тем использование терморезистора вместо обычного металлического термометра сопротивления в целях изучения закономерностей внешнего теплообмена имеет и некоторые преимущества. Так, например, благодаря высокому темпе- ратурному коэффициенту сопротивления терморезистора для измерения температуры полупроводникового образца можно воспользоваться зависимостью его сопротивления от температуры и, следовательно, не требуется введения в рабочее тело измерительных термопар. Последнее особенно важно при измерениях температуры микрообъектов, когда введение термопар привело бы к нарушению механической структуры образца, искажению его температурного поля и значительным утечкам тепла по подводящим проводам. Правда, подобные утечки тепла будут иметь место и в терморезисторе, но в последнем случае их можно при необходимости скомпенсировать активными потерями в самих подводящих проводах путем подбора их материала и соответствующего сечения.

Здесь предполагается, что температура поверхности терморезистора и его среднеобъемная температура равны.

Численное значение коэффициента рассеяния указывается заводом-изготовителем или определяется экспериментально для каждого типа терморезисторов. При этом зависимостью k от температуры пренебрегается, а его среднее значение в рабочем диапазоне температур принимается за постоянную величину. Такое упрощение удобно при решении многих практических задач в термометрии, которые связаны с необходимостью расчета семейства вольт-амперных характеристик при различных температурах окружающей среды.

В настоящее время в связи со значительным распространением терморезисторов в технике и наметившейся тенденцией использования их как датчиков приборов, чувствительных к изменению условий теплообмена, характеризовать терморезисторы параметром k иногда просто не имеет смысла. Нельзя, например, говорить о коэффициенте рассеяния мощности как о независимом параметре при использовании терморезистора в качестве датчика давления вакуумметра, поскольку входной величиной этого прибора является изменение самого параметра k.

Для правильного выбора датчика и режима его работы необходимо раскрыть физическую сущность параметра k, а обоснованное аналитическое выражение для:

Таким образом, кроме прикладного значения в приборостроении, исследование закономерностей переноса тепла внутри терморезистора и на его границе с окружающей средой с точки зрения методики исследования может иметь и самостоятельное значение.