Температурні датчики, загальні відомості . Техніка і Програми

03.10.2016

Температурні датчики, загальні відомості

В основі роботи будь-яких температурних датчиків, що використовуються в системах автоматичного управління, лежить принцип перетворення вимірюваної температури в електричну величину. Це обумовлено наступними причинами: електричні величини зручно передавати на значну відстань, причому передача здійснюється з високою швидкістю; електричні величини універсальними в тому сенсі, що будь-які інші величини можуть бути перетворені в електричні та навпаки; вони точно перетворюються вцифровий код і дозволяють досягти високої точності, чутливості і швидкодії засобів вимірювань.

Термоперетворювачі опору

Принцип дії термоперетворювачів опору (терморезисторів) заснований на зміні електричного опору провідників і напівпровідників в залежності від температури. Матеріал, з якого виготовляється такий датчик, повинен володіти високим температурним коефіцієнтом опору, по можливості лінійноїзалежністю опору від температури, інертністю до впливів навколишнього середовища. Найбільшою мірою всім зазначеним властивостям задовольняє платина; у трохи меншою мірою — мідь. Платинові терморезистори призначені для вимірювання температур в межах -260 до 1100°С У діапазоні температур від 0 до 650°З їх використовують в якості зразкових та еталонних вимірів датчиків, причому нестабільність градуювальної характеристики таких перетворювачів не перевищує 0,001 °С. Залежність опору платинових терморезисторів від температури визначається наступними формулами:

R = R0 (1 + At + Bt 2 ) при 0 < t < 650°С;

R = R0 [1 + At + Bt 2 + Ct 3 (t -100)] при -200 < t <0°C.

де Rt — опір терморезистора при температурі t, °С; R0 — опір при 0°С; А = 3,96847 х 1СГ 3 (°СГ 1 ; У = -5,847 х 10

7 (°С)

2 ; С = -4,22 х 10

12 (°С)

4 .

Платинові терморезистори володіють високою стабільністю та відтворюваністю характеристик. Їх недоліками є висока вартість і нелінійність функції перетворення. Тому вони використовуються для точних вимірювань температур тільки у відповідному діапазоні. Широке поширення на практиці отримали більш дешеві мідні терморезистори, що мають лінійну залежність опору від температури:

R = R0 (1 + at) при -50 < t < 180°С, де a = 4,26 х 1СТ 3 (°С)

1 .

Недоліком терморезисторів з міді є її невеликий питомий опір і легка окислюваність при високих температурах, внаслідок чого кінцевий межа застосування мідних терморезисторів обмежується температурою 180°Пн. По стабільності і відтворюваності характеристик мідні терморезистори поступаються платиновим. Терморезистори іноді зручно називати термометрами опору. Теплова інерційність стандартних термометрів опору характеризується показником теплової інерції (постійної часу), значення якого лежать в межах від десятків секунд до одиниць хвилин. Постійна часу спеціально виготовляються малоінерційних термометрів опору може бути зменшена до 0,1 с. Знаходять застосування також нікелеві термометри опору. Нікель має відносно високий питомий опір, але залежність його опору від температури лінійна тільки до температури не вище 100°С, температурний коефіцієнт опору нікелю в цьому діапазоні дорівнює 6,9 х Ю -3 (°С)

1. Мідні та нікелеві терморезистори випускають також з литого микропровода у скляній ізоляції. Мікропроволочние терморезистори герметизовані, высокостабильны, малоинерционны і при малих габаритних розмірах можуть мати опору від одиниць до десятків Ом кОм.

У порівнянні з металевими терморезисторами, більш високою чутливістю мають напівпровідникові терморезистори (термістори). Вони мають негативний температурний коефіцієнт опору, значення якого при 20°С становить (2…8) х 10

2 (°С)

1. тобто на порядок більше, ніж у міді і платини. Напівпровідникові терморезистори при досить малих розмірах мають високі значення опору (до 1 МОм). Для вимірювання температури найбільш поширені напівпровідникові терморезистори типів КМТ (суміш оксидів кобальту і марганцю) і ММТ (суміш оксидів міді і марганцю). Термістори мають лінійну функцію перетворення, що описується наступною формулою:

Rt = Ae B / T. де T — абсолютна температура;

А — коефіцієнт, що має розмірність опору; В — коефіцієнт, що має розмірність температури.

Серйозним недоліком термісторів, що не дозволяє з достатньою точністю нормувати їх характеристики при серійному виробництві, є погана відтворюваність характеристик (значна відмінність характеристик одного примірника від іншого). Напівпровідникові датчики температури володіють високою стабільністю характеристик у часі і застосовуються для вимірювання температур у діапазоні від -100 до +200°С. Оптимальна вимірювальна схема з участю термоперетворювачів опору найчастіше є мостовий; вона включає в себе міліамперметр, терморезистор, міст з постійних резисторів і потенціометр. Пристрій живиться постійним стабілізованою напругою. При зміні опору терморезистора, для підтримки мосту в збалансованому стані, змінюють і положення движка потенціометра. Шкала миллиамперметра градуюється безпосередньо в одиницях температури. Недоліком такої схеми є включення вноситься проводами підключення терморезистора похибка; оскільки через зміни опору проводів при зміні температури навколишнього середовища компенсація зазначеної похибки неможлива, застосовують схему включення проводів у вигляді трехточкі. При такому схемному рішенні опору підвідних проводів виявляються в різних гілках, і їх вплив значно зменшується.

Термоелектричні перетворювачі (термопари)

Принцип дії термопар заснований на термоелектричному ефекті, що полягає в тому, що в замкнутому контурі, що складається з двох різнорідних провідників (чи напівпровідників), тече струм, якщо місця спаїв провідників мають різні температури. Якщо взяти замкнений контур, що складається з різнорідних провідників (термоэлектродов), то на їх спаях виникнуть термо-ЕРС E(t) і E(t0 ), що залежать від температур спаїв цих t і t0. Так як ці термо-ЕРС виявляються включеними зустрічно, то результуюча термо-ЕРС, яка діє в контурі, дорівнює E(t) — E(t0 ). При рівності температур обох спаїв результуюча термо-ЕРС дорівнює нулю. Спай, занурюваний в контрольоване середовище, називається робочим кінцем термопари, а другий спай — вільним. У будь-якої пари однорідних провідників значення результуючої термо-ЕРС залежить від природи провідників від температури спаїв і не залежить від розподілу температури вздовж провідників. Термоелектричний контур можна розімкнути в будь-якому місці і включити в нього один або кілька різнорідних провідників. Якщо всі виниклі при цьому місця з’єднань знаходяться при однаковій температурі, то результуюча термо-ЕРС, яка діє в контурі, не змінюється. Це використовується для вимірювання термо-ЕРС термопари. Створювана термопарами ЕРС порівняно невелика; вона не перевищує 8 мг на кожні 100°С і не перевищує за абсолютною величиною 70 мВ. Термопари дозволяють вимірювати температуру в діапазоні -200…+2200°С. Для вимірювання температур до 1100°С використовують в основному термопари із неблагородних металів, у діапазоні температур від 1100 до 1600°С — термопари із благородних металів і сплавів платинової групи, а для вимірювання більш високих температур — термопари з жаростійких сплавів на основі вольфраму). Найбільше поширення для виготовлення термоелектричних перетворювачів отримали платина, платинородий, хромель, алюмель. При вимірах температури в широкому діапазоні враховується нелінійність функції перетворення термоелектричного перетворювача. Так, наприклад, функція перетворення мідь-константановых термопар в діапазоні температур від -200 до 300°С з похибкою ±2 мкВ описується емпіричною формулою:

Е = At 2 + Bt + С,

де А, В і С — постійні, що визначаються шляхом вимірювання тер — мо-ЕРС при трьох відомих температурах;

t — температура робочого спаю, °С.

Постійна часу термоелектричних перетворювачів залежить від їх конструкції і якості теплового контакту робочого спаю термопари з середовищем і для промислових термопар обчислюється в хвилинах. Однак, відомі конструкції малоінерційних термопар, у яких постійна часу лежить у межах 5…20 с і нижче. Електровимірювальний прилад (милливольтметр) або вимірювальний підсилювач термо-ЕРС можуть підключатися до контуру термопари двома способами: в вільний кінець термопари або в один з термоэлектродов; вихідна термо-ЕРС від способу підключення вимірювальних пристроїв не залежить. При вимірюванні температури «вільні кінці термопари повинні знаходитися при постійній температурі, але на практиці вільні кінці термопари конструктивно виведені на затискачі на її голівці, а, отже, розташовані в безпосередній близькості від об’єктів, температураякі вимірюється. Щоб віднести ці кінці в зону з постійною температурою, застосовуються подовжувальні дроти, що складаються з двох жив, виготовлених з металів або сплавів, що мають однакові термоелектричні властивості з термоэлектродами термоперетворювача. Для термопар з неблагородних металів подовжувальні дроти виготовляються найчастіше з тих же матеріалів, що і основні термоэлектроды. Тоді як для датчиків з благородних металів в цілях економії подовжувальні дроти виконуються з матеріалів, що розвивають в парі між собою в діапазоні температур 0…150°С ту ж термо-ЕРС, що і електроди термопари. Так, для термопари платина—платинородий застосовуються подовжувальні термоэлектроды з міді і спеціального сплаву. Для термопари хромель—алюмель подовжувальні термоэлектроды виготовляються з міді і константана, а для термопари хромель—копель подовжувальними є основні термоэлектроды, але виконані у вигляді гнучких проводів. При неправильному підключенні подовжувальних термоэлектродов виникає суттєва похибка. В лабораторних умовах температура вільних кінців термопари підтримується рівною 0°С шляхом поміщення їх у посудину Дьюара, наповнений стовчене льодом з водою. У виробничих умовах температура вільних кінців термопари зазвичай відрізняється від 0°С. Так як градуювання термопар здійснюється при температурі вільних кінців, дорівнює 0°С, то ця відмінність може з’явитися джерелом суттєвої похибки; для зменшення зазначеної похибки вводять поправку показання термометра. При виборі поправки враховуються як температура вільних кінців термопари, так і значення вимірюваної температури (це пов’язано з тим, що функція перетворення термопари нелінійна); це ускладнює точну корекцію похибки. На практиці для усунення похибки широке застосування знаходить автоматичне введення поправки на температуру вільних кінців термопари. Для цього в ланцюг термопари і милливольтметра включається міст, одним з плечей якого є мідний терморезистор, а інші утворені манганиновыми терморезисторами. При температурі вільних кінців термопари, дорівнює 0°С, міст знаходиться в рівновазі. При відхиленні температури вільних кінців термопари від 0°С напруга на виході мосту не дорівнює нулю і підсумовується з термо-ЕРС термопари, вносячи поправку на показання приладу (значення поправки регулюється балансувальним резистором). Внаслідок нелінійності функції перетворення термопари повної компенсації похибки не відбувається, але і первісна похибка істотно зменшується. В лабораторних умовах для точного вимірювання термо-ЕРС застосовуються лабораторні та зразкові компенсатори постійного струму з ручним зрівноважуванням.

Пірометри

Серйозним недоліком розглянутих вище термоперетворювачів опору і термоелектричних перетворювачів є необхідність введення датчика в контрольоване середовище, у результаті чого відбувається перекручування досліджуваного температурного поля. Крім того, безпосередній вплив середовища на датчик погіршує стабільність його характеристик, особливо при високих і надвисоких температурах і в агресивних середовищах. Від цих недоліків вільні пірометри — безконтактні датчики, засновані на використанні теплового випромінювання нагрітих тел. Теплове випромінювання будь-якого тіла характеризується кількістю енергії, що випромінюється тілом з одиниці поверхні за одиницю часу, і припадає на одиницю діапазону довжини хвилі. Така характеристика являє собою спектральну щільність і називається спектральною светимостью (інтенсивності монохроматичного випромінювання). Закони температурного випромінювання точно визначені лише для абсолютно чорного тіла. Залежність спектральної світності абсолютно чорного тіла від температури і довжини хвилі виражається формулою:

5 (e B /( aT ) -ir де a — довжина хвилі; Т — абсолютна температура; А і В — постійні.

Інтенсивність випромінювання будь-якого реального тіла менше інтенсивності абсолютно чорного тіла при тій же температурі. Зменшення спектральної світності реального тіла порівняно з абсолютно чорним враховують введенням коефіцієнта неповноти випромінювання. Значення цього коефіцієнта по-різному для різних фізичних тіл і залежить від складу речовини, стану поверхні тіла та інших факторів. Використовують енергію випромінювання нагрітих тіл пірометри поділяються на радіаційні, яскравості і кольорові. Радіаційні пірометри застосовуються для вимірювання температури від 20 до 2500°С, причому прилад вимірює інтегральну інтенсивність випромінювання реального об’єкта; у зв’язку з цим при визначенні температури необхідно враховувати реальне значення коефіцієнта неповноти випромінювання. У типовий радіаційний пірометр входить телескоп, що складається з об’єктива і окуляра, всередині якого розташована батарея з послідовно з’єднаних термопар. Робочі кінці термопар знаходяться на платиновому пелюстці, вкритому платиновою черню. Телескоп наводиться на об’єкт вимірювання так, щоб пелюстка повністю перекривався зображенням об’єкта, і вся енергія випромінювання сприймалася термобатареей. Термо-ЕРС термобатареї є функцією потужності випромінювання і температури тіла. Радіаційні пірометри градуируются по випромінюванню абсолютно чорного тіла, тому неточність оцінки коефіцієнта неповноти випромінювання викликає похибку вимірювання температури. Яскравості (оптичні) пірометри застосовуються для вимірювання температур від 500 до 4000°С. Вони засновані на порівнянні у вузькій ділянці спектру яскравості досліджуваного об’єкта з яскравістю зразкового випромінювача (фотометричної лампи). Фотометрична лампа вбудована в телескоп, що має об’єктив і окуляр. При вимірюванні температури телескоп направляють на досліджуване тіло і домагаються чіткого зображення тіла і нитки фотометричної лампи в одній площині. Потім, змінюючи яскравість нитки лампи шляхом зміни струму через неї (або змінюючи яскравість зображення тіла з допомогою переміщуваного оптичного клина), домагаються однакової яскравості зображення нитки і досліджуваного об’єкта. Якщо яскравість тіла більше яскравості нитки, нитка видна у вигляді чорної лінії на яскравому тлі. В іншому випадку помітно світіння нитки на блідому тлі. При рівності яскравостей нитка не видно, тому такі пірометри називають також «пирометрами із зникаючою ниткою». Напруга розжарення лампи (або положення оптичного клина) характеризує температуру нагрітого тіла. Для порівняння інтенсивностей випромінювання лише у вузькому діапазоні спектра використовується спеціальний світлофільтр. Яскравості пірометри забезпечують більш високу точність вимірювання температури, ніж радіаційні. Їх основна похибка обумовлена неповнотою випромінювання реальних фізичних тіл і поглинанням випромінювання проміжним середовищем, через яку проводиться спостереження. Колірні пірометри засновані на вимірюванні відношення інтенсивностей випромінювання на двох довжинах хвиль, обираних червоної або синьої частини спектра. Вони використовуються для вимірювання температури в діапазоні від +800 до 4000°С. Зазвичай колірний пірометр містить один канал вимірювання інтенсивності монохроматичного випромінювання зі змінними світлофільтрами. Головною перевагою колірних пірометрів є те, що неповнота випромінювання досліджуваного об’єкта не викликає похибки зміни температури. Крім того, показання колірних пірометрів принципово не залежать від відстані цо об’єкта вимірювання, а також від коефіцієнта випромінювання в проміжній середовищі, якщо коефіцієнти поглинання однакові для обох довжин хвиль.

Кварцеві термоперетворювачі

Для вимірювання температур від -80 до +250°С часто використовуються кварцеві термоперетворювачі, які використовують залежність власної частоти кварцового елемента від температури. Робота таких датчиків заснована на тому, що залежність частоти перетворювача від температури і лінійність функції перетворення змінюються в залежності від орієнтації зрізу щодо осей кристала кварцу. Кварцеві термоперетворювачі мають високу чутливість (до 10 Гц/К), високу тимчасову стабільність (2х10

2 До/рік) і роздільну здатність 10

4 …10

7 До, що і визначає їх перспективність. Ці датчики широко використовуються у вузлах цифрових термометрів.

Шумові датчики

Дія шумових термометрів грунтується на залежності шумової напруги на резисторі від температури. Ця залежність визначається формулою:

U 2 — 4KTR,f, де U 2 —середньоквадратичне напруги шуму; К — постійна Больцмана; Т — абсолютна температура; R — опір резистора; Af — смуга сприйманих частот.

Практична реалізація методу вимірювання температури на основі шумових терморезисторів полягає в порівнянні шумів двох ідентичних резисторів, один з яких знаходиться при відомій температурі, а інший — при вимірюваної. Шумові датчики використовуються, як правило, для вимірювання температур у діапазоні -270…+1100°С.

Гідністю шумових датчиків є принципова можливість вимірювання термодинамічної температури на основі наведеної закономірності. Однак це значно ускладнюється тим, що середньоквадратичне значення напруги шумів дуже важко виміряти точно внаслідок його малості і порівнянності з рівнем шуму підсилювача.

ЯКР-датчики

ЯКР-термометри (термометри ядерного квадрупольного резонансу) засновані на взаємодії градієнта електричного поля кристалічної решітки і квадрупольного електричного моменту ядра, викликаної відхиленням розподілу заряду ядра від сферичної симетрії. Ця взаємодія обумовлює прецесію ядер, частота якої залежить від градієнта електричного поля решітки і для різних речовин має значення від сотень кілогерц до тисячі мегагерц. Градієнт електричного поля решітки залежить від температури, з підвищенням температури частота ЯКР знижується. Датчик ЯКР-термо — метри представляє собою ампулу з речовиною, укладену всередину котушки індуктивності, включеного в контур генератора. При збігу частоти генератора з частотою ЯКР відбувається поглинання енергії від генератора. Похибка вимірювання температури -263°С становить ±0,02°С, а температура +27°С — ±0,002°С. Гідністю ЯКР-термометрів є їх необмежена у часі стабільність, а недоліком — суттєва нелінійність функції перетворення.

Дилатометрические перетворювачі

Дилатометрические (об’ємні) датчики вимірювання температури засновані на явищі розширення (стиснення) твердих тіл, рідин або газів при збільшенні (зменшенні) температури. Температурний діапазон роботи перетворювачів, заснованих на розширення твердих тіл, визначається стабільністю властивостей матеріалів при зміні температури. Зазвичай з допомогою таких перетворювачів вимірюють температуру в діапазоні -60…+400°С. Похибка перетворення становить 1 …5%. Температурний діапазон роботи перетворювача з розширюється рідиною залежить від температур замерзання

і кипіння останньої (для ртуті 39…+357°С, для амилового

спирту 117…+132°С, для ацетону 94…+57°С). Похибки рідинних перетворювачів становлять 1…3% і значною мірою залежать від температури навколишнього середовища, змінює розміри капіляра. Нижня межа вимірювання перетворювачів, що використовують в якості робочого середовища газ, обмежується температурою скраплення газу (-195°С для азоту, -269°С для гелію), верхня ж — лише теплостійкістю балона.

Акустичні датчики

Акустичні термометри засновані на залежності швидкості поширення звуку в газах від їх температури і використовуються частіше всього в діапазоні середніх і високих температур. Акустичний термометр містить рознесені в просторі випромінювач акустичних (звукових) хвиль і їх приймач, зазвичай включаються в ланцюг автогенератора, частота коливань якого змінюється зі зміною температури. Зазвичай такий датчик використовує різного типу резонатори.

Короткий опис статті: температурний датчик В основі роботи будь-яких температурних датчиків, що використовуються в системах автоматичного управління, лежить принцип перетворення вимірюваної температури в діапазоні випромінювання,Вимірювання опору,температури,термо-ЕРС термопари,датчики

Джерело: Температурні датчики, загальні відомості | Техніка і Програми

Також ви можете прочитати