Температурные датчики, общие сведения

January 3, 2011 by admin Комментировать »

В основе работы любых температурных датчиков, использующихся в системах автоматического управления, лежит принцип преобразования измеряемой температуры в электрическую величину. Это обусловлено следующими причинами: электрические величины удобно передавать на значительное расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей степени — медь. Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от -260 до 1100°С. В диапазоне температур от 0 до 650°С их используют в качестве образцовых и эталонных датчиков измерений, причем нестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей не превышает 0,001 °С. Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от температуры определяется следующими формулами:

R, = R0(1 + At + Bt2) при 0 < t < 650°С;

R, = R0[1 + At + Bt2 + Ct3(t -100)] при -200 < t < 0°C.

где Rt — сопротивление терморезистора при температуре t, °С; R0 — сопротивление при 0°С; А = 3,96847 х 1СГ3 (°СГ1; В = -5,847 х 10~7 (°С)~2; С = -4,22 х 10~12 (°С)~4.

Платиновые терморезисторы обладают высокой стабильностью и воспроизводимостью характеристик. Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования. Поэтому они используются для точных измерений температур только в соответствующем диапазоне. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры:

R, = R0(1 + at) при -50 < t < 180°С, где a = 4,26 х 1СТ3 (°С)~1.

Недостатком терморезисторов из меди является ее небольшое удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных терморезисторов ограничивается температурой 180°С. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым. Терморезисторы иногда удобно называть термометрами сопротивления. Тепловая инерционность стандартных термометров сопротивления характеризуется показателем тепловой инерции (постоянной времени), значения которого лежат в пределах от десятков секунд до единиц минут. Постоянная времени специально изготавливаемых малоинерционных термометров сопротивления может быть уменьшена до 0,1 с. Находят применение также никелевые термометры сопротивления. Никель имеет относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость его сопротивления от температуры линейна только до температур не выше 100°С, температурный коэффициент сопротивления никеля в этом диапазоне равен 6,9 х Ю-3 (°С)~1. Медные и никелевые терморезисторы выпускают также из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, высокостабильны, малоинерционны и при малых габаритных размерах могут иметь сопротивления от единиц Ом до десятков кОм.

По сравнению с металлическими терморезисторами, более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы). Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20°С составляет (2…8) х 10~2 (°С)~1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). Для измерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца). Термисторы имеют линейную функцию преобразования, которая описывается следующей формулой:

Rt = AeB/T, где T — абсолютная температура;

А — коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В — коэффициент, имеющий размерность температуры.

Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим с достаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве, является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличие характеристик одного экземпляра от другого). Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для измерения температур в диапазоне от -100 до +200°С. Оптимальная измерительная схема с участием термопреобразователей сопротивления чаще всего является мостовой; она включает в себя миллиамперметр, терморезистор, мост из постоянных резисторов и потенциометр. Устройство питается постоянным стабилизированным напряжением. При изменении сопротивления терморезистора, для поддержания моста в сбалансированном состоянии, изменяют и положение движка потенциометра. Шкала миллиамперметра градуируется непосредственно в единицах температуры. Недостатком такой схемы включения является вносимая проводами подключения терморезистора погрешность; поскольку из-за изменения сопротивления проводов при изменении температуры окружающей среды компенсация указанной погрешности невозможна, применяют схему включения проводов в виде трехточки. При таком схемном решении сопротивления подводящих проводов оказываются в различных ветвях, и их влияние значительно уменьшается.

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термо-ЭДС E(t) и E(t0), зависящие от температур этих спаев t и t0. Так как эти термо-ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термо-ЭДС, действующая в контуре, равна E(t) – E(t0). При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-ЭДС равна нулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концом термопары, а второй спай — свободным. У любой пары однородных проводников значение результирующей термо-ЭДС зависит от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термо-ЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термо-ЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика; она не превышает 8 мВ на каждые 100°С и не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне -200…+2200°С. Для измерения температур до 1100°С используют в основном термопары из неблагородных металлов, в диапазоне температур от 1100 до 1600°С — термопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измерения более высоких температур — термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама). Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель. При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрического преобразователя. Так, например, функция преобразования медь-константановых термопар в диапазоне температур от -200 до 300°С с погрешностью ±2 мкВ описывается эмпирической формулой:

Е = At2 + Bt + С,

где А, В и С — постоянные, определяемые путем измерения тер- мо-ЭДС при трех известных температурах;

t — температура рабочего спая, °С.

Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит в пределах 5…20 с и ниже. Электроизмерительный прибор (милливольтметр) или измерительный усилитель термо-ЭДС могут подключаться к контуру термопары двумя способами: в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходная термо-ЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит. При измерении температуры "свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, но на практике свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке, а, следовательно, расположены в непосредственной близости от объектов, температура которых измеряется. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термопреобразователя. Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются, чаще всего, из тех же материалов, что и основные термоэлектроды. Тогда как для датчиков из благородных металлов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0…150°С ту же термо-ЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина—платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава. Для термопары хромель—алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель—копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность. В лабораторных условиях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0°С путем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0°С. Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов, равной 0°С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары, так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности. На практике для устранения погрешности широкое применение находит автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары. Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные образованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0°С, мост находится в равновесии. При отклонении температуры свободных концов термопары от 0°С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термо-ЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется балансировочным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не происходит, но и первоначальная погрешность существенно уменьшается. В лабораторных условиях для точного измерения термо-ЭДС применяются лабораторные и образцовые компенсаторы постоянного тока с ручным уравновешиванием.

Пирометры

Серьезным недостатком рассмотренных выше термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры — бесконтактные датчики, основанные на использовании теплового излучения нагретых тел. Тепловое излучение любого тела характеризуется количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени, и приходящейся на единицу диапазона длины волны. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называется спектральной светимостью (интенсивностью монохроматического излучения). Законы температурного излучения определены точно лишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости абсолютно черного тела от температуры и длины волны выражается формулой:

Ra = Ao~5(eB/(aT)-ir\ где a — длина волны; Т — абсолютная температура; А и В — постоянные.

Интенсивность излучения любого реального тела меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения. Значение этого коэффициента различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов. Использующие энергию излучения нагретых тел пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые. Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500°С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения. В типичный радиационный пирометр входит телескоп, состоящий из объектива и окуляра, внутри которого расположена батарея из последовательно соединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта, и вся энергия излучения воспринималась термобатареей. Термо-ЭДС термобатареи является функцией мощности излучения и температуры тела. Радиационные пирометры градуируются по излучению абсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучения вызывает погрешность измерения температуры. Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000°С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы). Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив и окуляр. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити лампы путем изменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощью перемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображения нити и исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нить видна в виде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно свечение нити на более бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такие пирометры называют также «пирометрами с исчезающей нитью». Напряжение накала лампы (или положение оптического клина) характеризует температуру нагретого тела. Для сравнения интенсивностей излучения лишь в узком диапазоне спектра используется специальный светофильтр. Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение. Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых в красной или синей части спектра. Они используются для измерения температуры в диапазоне от +800 до 4000°С. Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами. Главным преимуществом цветовых пирометров является то, что неполнота излучения исследуемого объекта не вызывает погрешности изменения температуры. Кроме того, показания цветовых пирометров принципиально не зависят от расстояния цо объекта измерения, а также от коэффициента излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн.

Кварцевые термопреобразователи

Для измерения температур от -80 до +250°С часто используются кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа таких датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Кварцевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность (до 10 Гц/К), высокую временную стабильность (2х10~2 К/год) и разрешающую способность 10~4…10~7 К, что и определяет их перспективность. Эти датчики широко используются в узлах цифровых термометров.

Шумовые датчики

Действие шумовых термометров основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры. Данная зависимость определяется формулой:

U2 – 4KTR,\f, где U 2 —среднеквадратичное напряжения шума; К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; R — сопротивление резистора; Af — полоса воспринимаемых частот.

Практическая реализация метода измерения температуры на основе шумовых терморезисторов заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой — при измеряемой. Шумовые датчики используются, как правило, для измерения температур в диапазоне -270…+1100°С.

Достоинством шумовых датчиков является принципиальная возможность измерения термодинамической температуры на основе показанной закономерности. Однако это значительно осложняется тем, что среднеквадратическое значение напряжения шумов очень трудно измерить точно вследствие его малости и сопоставимости с уровнем шума усилителя.

ЯКР-датчики

ЯКР-термометры (термометры ядерного квадрупольного резонанса) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР снижается. Датчик ЯКР-термо- метра представляет собой ампулу с веществом, заключенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур генератора. При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии от генератора. Погрешность измерения температуры -263°С составляет ±0,02°С, а температуры +27°С — ±0,002°С. Достоинством ЯКР-термометров является их неограниченная во времени стабильность, а недостатком — существенная нелинейность функции преобразования.

Дилатометрические преобразователи

Дилатометрические (объемные) датчики измерения температуры основаны на явлении расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей или газов при увеличении (уменьшении) температуры. Температурный диапазон работы преобразователей, основанных на расширении твердых тел, определяется стабильностью свойств материалов при изменении температуры. Обычно с помощью таких преобразователей измеряют температуру в диапазоне -60…+400°С. Погрешность преобразования составляет 1 …5%. Температурный диапазон работы преобразователя с расширяющейся жидкостью зависит от температур замерзания

и кипения последней (для ртути 39…+357°С, для амилового

спирта  117…+132°С, для ацетона 94…+57°С). Погрешности жидкостных преобразователей составляют 1…3% и в значительной степени зависят от температуры окружающей среды, изменяющей размеры капилляра. Нижний предел измерения преобразователей, использующих в качестве рабочей среды газ, ограничивается температурой сжижения газа (-195°С для азота, -269°С для гелия), верхний же — лишь теплостойкостью баллона.

Акустические датчики

Акустические термометры основаны на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры и используются чаще всего в диапазоне средних и высоких температур. Акустический термометр содержит разнесенные в пространстве излучатель акустических (звуковых) волн и их приемник, обычно включаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которого меняется с изменением температуры. Обычно такой датчик использует различного типа резонаторы.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты