Принцип действия, общие свойства и область применения резистивных измерительных преобразователей

 

Сопротивление постоянному току одноэлементного резистивного преобразователя зависит от его длины l, поперечного сечения S в удельного сопротивления материала ρ как . Если сечение резистора постоянно по его длине, то .

Мощность, выделяемая на резисторе при включении его в измерительную цепь, определяется формулой или где I и U — ток и падение напряжения на резисторе. Значение допустимой мощности для резистора задается, как правило, допустимым перегревом, и поэтому ограничивают ток через преобразователь или напряжение на нем. Значение допустимой мощности определяется площадью поверхности S_охл, условиями охлаждения и допустимой температурой перегрева, или удельная мощность, при выделении которой на единице поверхности охлаждения температура преобразователя повышается на один градус по отношению к окружающей среде.

Эквивалентная схема резистивного преобразователя учитывает, что при включении резистора в цепь последовательно с его сопротивлением оказывается включенным сопротивление соединительных проводов и контактов а параллельно — сопротивление изоляции между контактами и сопротивление утечек на корпус или на землю, вместе образующих сопротивление (рис. 2.1, а и б).

рис. 2.1

 

Таким образом, эквивалентное сопротивление определится как .

При включении многовиткового проволочного резистора в цепь переменного тока необходимо учитывать его индуктивность и емкость. Емкость может быть образована межвитковыми емкостями и емкостями между резистором и близлежащими элементами. Индуктивность определяется индуктивностью прямолинейного участка провода и индуктивностью виткового контура.

Индуктивность особенно велика у многовитковых проволочных резисторов. Чтобы ее уменьшить, применяют бифилярную обмотку, показанную на рис. 2.2,а. При бифилярной обмотке можно пренебречь индуктивностью, но существенно возрастает емкость между проводами при их сближении. Компромиссным решением является применение бифилярной секционной обмотки, показанной на рис. 2.2,б. Индуктивность и емкость являются распределенными параметрами, однако в большинстве случаев их можно учесть как эквивалентные (L_экв и С_экв). Наличие индуктивности и емкости приводит как к появлению реактивной составляющей сопротивления, так и к некоторому изменению активной составляющей. Эквивалентная схема может быть представлена в виде последовательного или параллельного включения активного и реактивного сопротивлений, определяемых при малых L_экв и С_экв (рис. 2.2,в)

Рис. 2.2

Во всяком сопротивлении присутствуют тепловые шумы, средняя мощность которых определяется формулой Найквиста: , где — постоянная. Больцмана; Т — абсолютная температура; — полоса частот, к которой относятся мощность.

Действующее шумовое напряжение зависит от значения сопротивления и определяется как .

В зависимости от условий работы преобразователя должны быть учтены те или иные составляющие эквивалентной схемы, однако всегда приходятся учитывать сопротивление соединительных проводов и контактов и сопротивление изоляции, поэтому устранению их влияний уделяется особое внимание. Кроме того, при включения преобразователя в измерительную цепь приходятся учитывать электрохимическую ЭДС, термо-ЭДС и ЭДС наводок.

В общем случае на резистивный преобразователь влияют различные по физической природе величины: электрические (Х_э), магнитные (Х_м), механические (Х_мх) тепловые (Х_т), световые (Х_с) и т.д. Полное изменение сопротивления составляет

.

Частные производные в правой части уравнения являются чувствительностями к различным входным величинам. Функциональные зависимости между сопротивлением резистивного преобразователя и воздействующим фактором используются для построения соответствующих преобразователей, но в то же время приводят к нестабильности сопротивления и появлению погрешностей. Поэтому при построении преобразователя стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления происходило под действием лишь одной измеряемой величины. для этого влияние остальных величин сводят к минимуму конструктивным путем или применением компенсирующих устройств.

Одним из наиболее существенно влияющих факторов является температура. Для чистых металлов и большинства сплавов сопротивление повышается с ростом температуры и приближенно определяется формулой , где и — сопротивления при температурах и , — температурный коэффициент сопротивления (ТКС), составляющий для большинства металлов приблизительно 0,004 К. Исключение составляют лишь специально разработанные термостабильные сплавы (манганин, константан).

В более широком диапазоне температур (от –100 до +300 °С) изменение сопротивления достигает 0,5%. Удельное сопротивление полупроводников с ростом температуры падает, зависимость сопротивления от температуры нелинейная. Для уменьшения температурных погрешностей применяется термостатирование преобразователей и различные схемы температурной коррекции.

Изменение сопротивлений под действием однонаправленного механического напряжения, вызывающего относительную деформацию и характеризуется коэффициентом тензочувствительности . Для металлических резисторов К_Т = 2…2,5, для полупроводниковых – К_Т = 100…200. Чувствительность проводниковых и полупроводниковых материалов к давлению окружающей среды характеризуется барическим коэффициентом . Этот эффект для металлов сказывается лишь при очень высоких давлениях (больше 10⁸ Па).

Влияние внешнего магнитного поля заметно лишь в преобразователях из специальных материалов, поэтому в большинстве случаев влияние магнитного поля на стабильность резисторов не учитывается.

Освещенность существенно влияет на сопротивление полупроводниковых резисторов. В специально разработанных фоторезисторах сопротивление при переходе от темноты к полной освещенности уменьшается в 100…1000 раз. На другие полупроводниковые резисторы (терморезисторы, тензорезисторы в т.д.) освещенность влияет меньше, однако может привести к заметной нестабильности их характеристик; поэтому они должны быть экранированы от световых потоков.

Радиоактивное излучение влияет на металлические и полупроводниковые резисторы, вызывая при больших дозах даже необратимые изменения, определяемые как изменениями самого сопротивления, так и ухудшениями свойств изоляции и нарушением герметичности.

Удельная проводимость некоторых полупроводниковых материалов существенно зависит от напряженности электрического поля. На основе этих материалов разработаны и выпускаются нелинейные полупроводниковые резисторы, называемые варисторами. Сопротивление варистора падает при увеличении напряжения на нем, коэффициент чувствительности к напряжению достигает 0,1…1 В при напряжении питания до 10…20 В. Варисторы находят применение в схемах регулирования и стабилизации электрических величин, а также в схемах защиты от перенапряжений.