Теоретическая часть к лабораторной работе №1

Датчики температуры

Термостат представляет собой обычный тип температурных преобразователей с замыкающим или размыкающим одним или несколькими электрическим контактами, определяющими прохождение определенной температурной точки. Такой прибор реализует дискретный способ восприятия температуры. Термостаты наиболее широко используются там, где необходимо контролировать чтобы температура не превышала некоторого значения или не опускалась ниже установленного уровня. В конструкцию термостата входит биметаллический чувствительный элемент, в котором дваметалла с различными коэффициентами температурного расширения механически соединены друг с другом в виде ленты или полоски. При изменении температурысреды длина каждого слоя металла изменяется различным образом и лента или полоска изгибается, замыкая электрический контакт. Технические характеристики биметаллического термостата, работа которого исследуется в данной лабораторной работе, приведены в табл. П2.1.

 

Таблица П2.1

Характеристика	Значение
Напряжение коммутируемой цепи, не более, В	~250
Номинальный ток при cos ф=1,0/0,6не более, А	16/10
Число срабатываний при макс. токе 16/25 А и cos ф=1,0 не менее	30000/2500
Температура срабатывания, °С	57
Погрешность температуры срабатывания, не более, °С	±3; ±6; ±10
Температура возврата ниже точки настройки °С	15 ± 5;
Переходное сопротивление не более, Ом	0,05
Электрическая прочность не менее, В	1500
Сопротивление изоляции не менее, Мом	50
Степень защиты термоограничителя	IP4x

Термопары являются наиболее распространенными датчиками вследствие простоты своей конструкции. Термопара представляет собой два спаянных проводника из разнородных металлов, например, изжелеза и меди или их сплавов. Материалом для ТП могут служить и благородныеметаллы, такие как платина и ее сплавы с родием. Для измерения температуры в несколько тысяч градусов используются вольфрам и рений. Если спаи имеют разнуютемпературу Т _ГС и Т _ХС, то в цепи будет протекать термоэлектрический ток – эффектПельтье. Один из спаев, размещаемый на объекте, называется горячим (ГС), а второй –холодным(ХС). При размыкании цепи (рис. П2.1) на концах проводников А и В возникаеттермоЭДС Е _ТП, которая пропорциональна разности функций температур ГС и ХС:

Е _ТП = Е _АВ(Т _ГС) - Е _АВ(Т _ХС) = Е _АВ(Т _ГС) + Е _ВА(Т _ХС).

 

Рис. 2. К принципу действия термопары

 

Для достижения максимальной точности измерения температуры с помощью термопар используются специальные таблицы наиболее распространенных типов термопар, в которых разность температур (измеряемой относительно 0°С) сопоставляется со значениями генерируемой ЭДС. В табл. П2.2 представлены наиболее распространенные типы термопар и металлы, из которых они состоят

 

Таблица П2.2

Тип термопары	Первичная обмотка	Вторичная обмотка	Диапазон измеряемых температур, °С
E	Хромель	Константан	0–600
J	Железо	Константан	-100–850
K	Хромель	Алюмель	-200–1300
R	Платина	Платинородий	0–1700
S	Платина	Платинородий	0–1700
T	Медь	Константан	-200–400

 

Поддержание температуры холодных спаев равной 0°C является сложной задачей. Использование для этого ванны с тающим льдом, как это рекомендовалось в старых учебниках, в большинстве практических случаев неприемлемо. Использование активных термостатов, поддерживающих холодные спаи при повышенной (порядка 60°C) температуре, повышает энергопотребление измерительной аппаратуры, приводит к появлению дополнительных помех и необходимости переградуировки. Поэтому на практике обычно производится компенсация температуры холодных спаев аппаратными или программно-аппаратными средствами.

Аппаратные средства предусматривают включение в измерительную цепь последовательно с ТП мостовой схемы (рис. П2.3), которая рассчитывается таким образом, что при 0°C выходной сигнал мостовой схемы равен 0. С повышением температуры холодных спаев сигнал Е _ТП уменьшается на Е _ТП = Е _ТП – Е’ _ТП (рис.2), а напряжение мостовой схемы возрастает до U _М = Δ Е _ТП. В этом случае выходной сигнал измерительной схемы Е _ТП остается постоянным и не зависит от изменения температуры холодных спаев.

Аппаратно-программный метод предусматривает, что:

- в районе холодных спаев ТП помещается ТС;

- измеряется R _ГС и по его значению определяется температура Т _ХС;

- по градуировочной характеристике определяется Е _ТП, соответствующая температуре Т _ХС;

- восстанавливается значение Е _ТП = Е’ _ТП +Δ Е _ТП;

- по градуировочной характеристике определяется температура горячего спая – Т _ГС.

Подобный алгоритм, заложенный в ЭВМ, позволяет достаточно быстро и при малых аппаратных затратах скомпенсировать Т _ГС. Он широко применяется в настоящее время.

Для усиления сигналов ТП применяются измерительные усилители. Поскольку максимальный сигнал ТП составляет от 15 мВ до 50 мВ, то коэффициент усиления должен быть порядка 100…1000. К усилителю, прежде всего, предъявляется требование низкого уровня напряжения смещения U см и температурного коэффициента ТК дрейфа нулевого уровня, малых входных токов, высокого входного сопротивления, подавления синфазных помех.

 

Рис. П2.3. Аппаратный метод компенсации влияния температуры ХС

 

Термопары изготавливаются в виде зондов или двух проволочек из термопарных материалов, спаянных вместе на тонком кончике.

Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от температуры.Терморезисторы называют также термометрами сопротивления илитермосопротивлениями. Они применяются для измерения температуры в широком диапазоне от -270 до 1600 °С.Если терморезистор нагревать проходящим через него электрическим током, то его температура будет зависеть от интенсивноститеплообмена с окружающей средой. Так как интенсивность теплообмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды(например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которойнаходится терморезистор, от скорости перемещения терморезистораотносительно газовой или жидкой среды, то терморезисторы используются и в приборах для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы. Металлические терморезисторы изготовляют из чистых металлов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и вольфрама. Для большинства чистых металлов температурный коэффициентэлектрического сопротивления составляет примерно (4—6,5) • 10~31/°С, т. е. при увеличении температуры на 1 °С сопротивление металлического терморезистора увеличивается на 0,4—0,65 %. Наибольшее распространение получили медные и платиновые терморезисторы. Хотя железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температурный коэффициентсопротивления, чем медные и платиновые, однако применяютсяони реже. Дело в том, что железо и никель сильно окисляются ипри этом меняют свои характеристики. Вообще добавление в металлнезначительного количества примесей уменьшает температурный коэффициент сопротивления. Сплавы металлов и окисляющиесяметаллы имеют низкую стабильность характеристик. Однако принеобходимости измерять высокие температуры приходится применять такие жаропрочные металлы, как вольфрам и молибден, хотя терморезисторы из них имеют характеристики, несколько отличающиеся от образца к образцу.

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:

где С – постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров проводника; α – температурный коэффициент сопротивления; е – основание натуральных логарифмов.

После разложения функции вида е^х в степенной ряд получается выражение для расчета сопротивления при температуре Т через начальное сопротивление при Т ₀:

Для платиновых терморезисторов, которые применяются в более широком диапазоне температур, чем медные, следует учитывать зависимостьтемпературного коэффициента сопротивления от температуры. Для этого берется не два, а три члена разложения в степенной ряд функции е^х. Таким образом, в диапазоне температур от -50 до 700 °Сдостаточноточнойявляетсяформула

где для платины α = 3,94∙10^-3 1/°С, β = 5,8∙10^-7(1/°С)².

Широкое применение в автоматике получили полупроводниковыетерморезисторы, которые для краткости называют термисторами. Материалом для их изготовления служат смеси оксидов марганца, никеля и кобальта; германий и кремний с различными примесями и др.По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые имеют меньшие размеры в большие значения номинальных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший температурный коэффициент сопротивления (до -6∙10^-2 1/°С). Но этоткоэффициент — отрицательный, т. е. при увеличении температурысопротивление термистора уменьшается. Существенный недостаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с металлическими – непостоянство температурного коэффициента сопротивления. С ростом температуры он сильно падает, т. е. термистор имеет нелинейную характеристику. Вследствие этого термисторы используются для измерения температур в диапазоне от -50 до 300°С.

При массовом производстве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов)резко уменьшается с ростом температуры. Их чувствительность значительно выше, чем металлических, поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезистоповпримерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов α = (4…6)∙20^-3 1/°С, тодляполупроводниковыхтерморезисторов |α| > 4∙10^-2 1/°С. Правда, длятермисторовэтоткоэффициентнепостоянен, онзависитоттемпературыиимредкопользуютсяприпрактическихрасчетах.

Основнойхарактеристикойтерморезистораявляетсязависимостьегосопротивленияотабсолютнойтемпературы Т:

где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров термистора; В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника; е — основание натуральных логарифмов.

Пирометр – это бесконтактный первичный измерительный преобразователь температуры, который определяет энергию излучения тела. Исходя из физических принципов работы, все физические тела излучают меньшую энергию, чем черное тело, пирометры показывают температуру более низкую, чем действительная температура нагретого тела.

В общем случае пирометр представляет собой систему, включающую в себя:

- совокупность оптических линз для фокусировки энергии излучения на преобразующем элементе;

- преобразующий элемент для восприятия энергии излучения

- электронная схема для сопряжения преобразующего элемента с внешними цепями.

По принципу действия пирометры делятся на оптические (монохроматические) и радиационные (полного излучения). В оптических пирометрах сравнивается яркость излучения определенной дины волны нагретого тела, температура которого измеряется, и накала нити специальной фотометрической лампы, встроенной в прибор. Сравнение интенсивностей происходит после пропускания излучения через красный светофильтр.

Действие пирометров полного излучения основано на фокусировке теплового излучения тела с помощью оптической системы в месте расположения преобразующего элемента (рис. П2.6). Количество энергии, исходящей от тела, зависит от его температуры и излучающей способности (неизменна и определяется свойствами материала излучающего тела). Кроме того излучение, достигающее пирометра, не зависит от расстояния до него (при условии, что поверхность тела полностью заполняет область видения пирометра)

 

Рис. П2.6. Принцип действия радиационного пирометра

 

Преобразующий элемент пирометра может быть выполнен в форме любого из рассмотренных ранее преобразователей температуры (термопара, терморезистор).

Поскольку пироэлектрические детекторы воспринимают температуру дистанционно (без физического контакта), то они могут использоваться для обнаружения того или иного тела, образуя основу детекторов наличия или приближения предметов.