15. Датчики температури: термоперетворювачі опору, термоелектричні перетворювачі.

Датчики температуры

В судовых энергетических установках в датчиках температуры наиболее широкое применение нашли термопреобразователи со­противления и термоэлектрические преобразователи.

Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на явлении изме­нения электрического сопротивления проводниковых и полупро­водниковых материалов при изменении их температуры. В термо­преобразователях сопротивления используются материалы, обла­дающие большим и стабильным температурным коэффициентом сопротивления, линейной зависимостью сопротивления от темпе­ратуры и хорошей воспроизводимостью свойств.

Приборы для измерения температуры, в которых в качестве чувствительных элементов используются термопреобразователи сопротивления, называются термометрами сопротивления. В промышленных термометрах сопротивления нашли применение проводниковые термопреобразователи сопротивления. Их изго­тавливают из чистых металлов: платины, меди, никеля, железа. Наиболее широко применяются платина и медь. Для металлов за­висимость сопротивления от температуры имеет нелинейный ха­рактер:

R=Ro( 1+άθ+βθ² +γθ³ +...),

где Ro — сопротивление проводника при начальной температуре; θ — перегрев проводника относительно начальной температуры; ά,β,γ— коэффициенты, зависящие от свойств проводника.

Конкретное выражение для сопротивления термопреобразова­теля сопротивления зависит от заданного диапазона измерения температуры.

Выбор материала для термопреобразователей сопротивления определяется инертностью металла в измеряемой среде в задан­ном интервале значений температуры. Медные термопреобразова­тели можно применять до температуры 200 °С в атмосфере, имею­щей низкую влажность и свободной от газов, вызывающих корро­зию. При более высокой температуре медь окисляется.

Платиновые термопреобразо­ватели используют при измере­нии температуры в диапазоне от -200 до 650 °С. Железо и никель в качестве материала для термо­преобразователей применяют редко, в связи с тем, что характе­ристики этих металлов отличают­ся нелинейностью и сильно зави­сят от наличия примесей. Отече­ственная промышленность выпу­скает платиновые и медные тер­мометры сопротивления, чувст­вительный элемент которых вы­полняется из тонкой проволоки — платиновой (диаметром 0,07 мм) или медной (диаметром 0,01 мм) соответственно. Чтобы иск- лючить появление индуктивности, провод чувствительного эле­мента наматывается бифиллярно. Для защиты от воздействия из­меряемой среды чувствительные элементы помещают в специаль­ную трубку.

На рис. 15.1 показана одна из возможных конструкций термо­преобразователя сопротивления. Платиновая проволока 1 намота­на бифиллярно на слюдяной каркас 2, на котором имеются мелкие зубцы. Для изоляции провод закрывается с обеих сторон слюдя­ными пластинами 3. Для улучшения условий теплообмена чувст­вительного элемента со средой применяют пластинки 4 из фольги, С-образного сечения. Пластинки 2, 3 и 4 скрепляются и плотно вставляются внутрь кожуха 5. Выводы выполняют из серебряной ленты или проволоки и выводят в клеммнуго коробку 7. При помо­щи гайки 6 термометр сопротивления крепится к корпусу.

По значению сопротивления при О °С платиновые термомет­ры сопротивления выпускаются трех типов: сопротивлением 10, 46 и 100 Ом.

Первый тип используется при измерении температуры от О до 650 °С, второй и третий — при измерениях от -200 до 500 °С. Медные термометры сопротивления выпускаются с сопротивле­нием 53 и 100 Ом и используются для измерения температуры в диапазоне от -50 до 180 °С.

Тонкопленочные платиновые термометры сопротивления (ПТС) состоят из керамической подложки толщиной 0,6 мм, на которую напыляют слой платины толщиной около 2 мкм. С по­мощью лазерного луча на слое плагины выжигается рисунок в виде меандра. К полученному пленочному проводнику привари­вают контактные выводы. Для защиты активного платинового проводника от повреждений его покрывают керамическим изо­ляционным слоем толщиной 10 мкм. Монолитная конструкция тонкопленочного термопреобразователя значительно повышает его надежность. Тонкопленочные ПТС используются при изме­рениях температуры от 0 до 400 °С.

Из-за тепловой инерции температура чувствительного элемен­та отличается от температуры контролируемой среды, которая ме­няется во времени. Тепловая инерция зависит от условий теплооб­мена между средой и чувствительным элементом. Термометр со­противления можно считать апериодическим звеном первого по­рядка, постоянная времени которого зависит от удельной тепло­емкости термометра, его массы и коэффициента теплопередачи.

Постоянная времени термопреобразователя сопротивления за­висит от условий охлаждения; ее значение различается для одного и того же преобразователя, находящегося в воздухе и в жидкости. В зависимости от конструкции значение постоянной времени тер­мометров сопротивления колеблется от 10 с до 7 мин. Протекание тока через термопреобразователь может привести к изменению его температуры. Поэтому при проведении измерений ток должен иметь небольшое значение.

Перспективными можно назвать преобразователи сопротивле­ния, изготовленные из полупроводниковых материалов с боль­шим отрицательным температурным коэффициентом, или, как их называют, термисторы. К недостаткам термисторов следует от­нести: нелинейность зависимости их сопротивления от температу­ры; значигельное отклонение от образца к образцу — как номина­льного значения сопротивления, нормируемого обычно при 20 °С (более ±30%), так и характера зависимости сопротивления от тем­пературы (отклонение значений температурного коэффициента достигает ±5% и более).

Линеаризацию зависимости сопротивления от температуры удается получить в корректированных термоэлементах, т.е. в устройствах, представляющих собой комбинацию термисторов с другими резисторами.

Более широкое применения на судах нашли позисторы. Одно из основных отличий их от термисторов — знак и значение темпе­ратурного сопротивления. В отличие от термистора, температур­ная зависимость сопротивления позистора имеет сложный харак­тер. В датчиках температуры используется участок характеристи­ки, на котором с ростом температуры наблюдается повышение со­противления позистора.

На судах позисторы используются для защиты асинхронных двигателей от перегрузки.

Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на использовании следующего термоэлектрического явления. Если соединить меж­ду собой два разнородных проводника А и В (рис. 15.2, а), и поддер­живать различные значения температуры мест их соединения, то между проводниками возникает термоэлектрическая ЭДС (термо-ЭДС), значение которой зависит от материала проводников и разности температур мест их соединения. Возникновение термо-ЭДС объясняется неодинаковой плотностью свободных элект­ронов в разнородных проводниках. Вследствие этого в месте сое­динения проводников происходит диффузия электронов из одного

Рис. 15.2. Термоэлектрические цепи

проводника в другой. Про­водник с большей плотно­стью свободных электро­нов приобретает положите­льный потенциал (благода­ря диффузии некоторой ча­сти электронов в другой проводник), а проводник с меньшей плотностью — отрицательный потенциал.

Таким образом, в месте соединения проводников возникает раз­ность потенциалов, значение которой зависит от температуры места соединения.

В другом месте соединения также возникает разность потенци­алов, зависящая от температуры места соединения:

Цепь, составленная из двух разнородных проводников, называ­ется термоэлектрическим преобразователем или термопарой. Место соединения проводников, находящееся под воздействием температуры измеряемой среды, называется горячим или рабочим спаем. Место соединения проводников, находящееся под воздей­ствием температуры окружающей среды, называется холодным или свободным спаем. Разнородные проводники А к В, составляю­щие термоэлектрический преобразователь, называются термо­электродами.

Для замкнутой цепи, состоящей из двух проводников, термо-ЭДС равна алгебраической сумме разностей потенциалов спаев.

При одинаковой температуре обоих спаев (θ1 = θ2) термо-ЭДС равна нулю. При разных значениях темпе­ратуры спаев термо-ЭДС не равна нулю. Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то еθ2= const. Поэтому термо-ЭДС термопары будет изменяться в функции температуры горячего спая.

Для измерения термо-ЭДС электроизмерительные приборы включаются в цепь термопары либо в разрыв холодного спая (рис. 15.2, б), либо в разрыв одного из электродов (рис. 15.2, в).

В первом случае преобразователь имеет один горячий и два хо­лодных спая. При постоянстве и равенстве температур холодных спаев термо-ЭДС зависит только от температуры горячего спая. Во втором случае преобразователь имеет четыре спая: один горя­чий, один холодный и два нейтральных. При постоянстве темпе­ратуры холодного спая и равенстве температур нейтральных тер­мо-ЭДС зависит только от температуры горячего спая. Таким об­разом, введение третьего проводника в цепь термоэлектрического преобразователя не изменяет результирующую термо-ЭДС при условии равенства температур в местах подключения третьего проводника.

В табл. 15.1 (с. 16) приведены условные обозначения термопар согласно международной системе На рис. 1.3 показана принципиальная схема датчика температуры с термопреобразователем сопротивления на главном двигателе т/х "Астрахань".

В датчике (рис. 1.3) применена потенциометрическая измерительная схема. Выходной сигнал потенциометрической схемы поступает на инвертирующий вход операционного усилителя DA, входное сопротивление которого Rвх » Rх.

Обозначение типа термопары
согласно междуна­родной системе обозначений	согласно системе, принятой в странах СНГ
К	Хромель-алюмель
S	Платина-Родий( 10%)-Платина
R	Платина-Ро'дий( 13%)-Платина
B	Платина-Родий-Платина-Родий
J	Железо-Константан
L	Хромель-Капель
Е	Хромель-Константан
М	Медь-Капель

Таблица 15.1. Соответствие условных обозначений термопар

При большом значении внутреннего сопротивления источни­ка питания выходное напряжение датчика температуры изменя­ется по линейному закону от приращения сопротивления термо­преобразователя.

На рис. 15.4 показана принципиальная схема датчика температу­ры с термопреобразователем сопротивления на главном двигателе т/х "Смоленск".

В датчике температуры использована мостовая измерительная схема. Условие равновесия моста зависит только от сопротивле­ния его плечей и не зависит от входного сопротивления усилителя и внутреннего сопротивления источника питания.

Уравновешенный мост позволяет исключить постоянную со­ставляющую измеряемого напряжения. Дифференциальный уси­литель на DA2 позволяет снизить влияние синфазных составляю­щих выходного напряжения моста.

Рис. 15.4. Измерительная схема в САР температуры главного двигателя т/х "Смоленск"