5.1.1. Датчики температуры

К простейшим датчикам температуры относятся конструкции, в основу работы которых положено явление теплового расширения, газов, жидкостей и твердых материалов. Примером такого типа дат­чиков может служить жидкостный термометр, который используют как в лабораторных, так и в технических измерениях. К этому же типу относятся термоконтактные датчики.

На рис. 5.3. приведены в качестве примера ртутный контактный термометр (рис .5.3.а) и биметаллический термоконтактный датчик (рис. 5.3.б).

Рис. 5.3. Датчики температуры.

При повышении температуры и достижении значения t_cp, ртуть в капилляре датчика (рис. 5.3.а) замыкает цепь двух впаянных в ка­пилляр термометра электродов 1,2.

Датчики такой конструкции обладают хорошей точностью и чувствительностью, но имеют ряд недостатков: они хрупки, плохо переносят вибрацию и толчки, устанавливаются только в вертикаль­ном положении. (При отклонении от вертикали на 90°и более, появ­ляется вероятность разрыва ртутного столбика в капилляре). Такие датчики применяются обычно в лабораторных условиях.

В датчике (рис. 5.3.б) термочувствительным электродом явля­ется биметаллическая пластина 2, которая состоит из двух сварен­ных или спаянных металлических пластинок из металлов с различ­ными коэффициентами теплового расширения (обычно латунной и из железоникелевого сплава). При изменении температуры пластина 2 изгибается и замыкает цепь А - В. Регулировочным винтом 4 мож­но регулировать положение неподвижного контакта 1, и, тем самым, регулировать температуру срабатывания t_ср. датчика.

С целью повышения чувствительности датчика увеличивают длину биметаллической пластины (часто сворачивают ее в спираль). Такой датчик может быть как замыкающим, так и размыкающим цепь при превышении установленного порога температуры.

Чувствительность и точность датчика (рис. 5.З.б) несколько ниже, чем у ртутных термоконтактов (рис. 5.3.а), но они надежнее при экс­плуатации в производственных условиях. Обычно их применяют там, где главным требованием является не точность измерения темпе­ратуры, а простота в обслуживании и надежность в работе; в част­ности, их используют в качестве датчиков в системе пожарной сиг­нализации в зданиях, в качестве чувствительных элементов в авто­матических стабилизаторах температуры и др.

Термоконтактные датчики используются для поддержания по­стоянной заданной температуры, например, при разогреве бетонной смеси перед ее укладкой; прогреве уложенной бетонной смеси, а так­же в специальной греющей опалубке.

На рис. 5.4 приведен пример использования датчика при элект­родном прогреве бетонной смеси. (В схеме задействован размыка­ющийся термоконтакт). С помощью погруженных в бетонную мас­су электродов Э пропускается переменный электрический ток, вы­зывающий выделение тепла и нагрев бетона. Погруженный термо­контактный датчик Т^, а во многих случаях он располагается на поверхности, "плавает", изменяет состояние своей цепи, в зависимо­сти от фактического значения температуры. Реле, катушка электро­магнита которого К1 запитывается через термоконтакт, управляет контактом К1.1 подачей рабочего напряжения на первичную обмот­ку понижающего трансформатора ТР 1.

Необходимость применения понижающего трансформатора дик­туется разными причинами, и в первую очередь требованиями техники безопасности. Но кроме этой причины есть и другая: пониженное напряжение питания электродов позволяет располагать их ближе друг к другу, что обеспечивает более равномерное температурное поле прогрева бетона. Следует иметь в виду, что тепловыделяющими элементами являются не электроды, а бетонная масса, по которой протекает ток.

Рис.5.4. Термоконтактный стабилизатор температуры при электропрогреве бетона:

ТД- термоконтактный регулятор (термоконтакт);

Э - электроды;ТР1 – понижающий трансформаторю.

Рассмотренная схема обеспечивает автоматическое поддер­жание постоянного значения температуры бетона, независимо от проявления различных дестабилизирующих факторов: непостоянства величины тока через электроды (из-за изменения проводимости бе­тона, колебаний величины напряжения сети и др.), выделения бето­ном тепла экзотермии, непостоянства условий теплообмена бетона с внешней средой и т.д.

Рассмотренные датчики являются двухпозиционными устройствами (имеющими два возможных состояния), они не позволяют получать непрерывную информацию об изменении температуры, фик­сируется лишь момент достижения установленного порога.

Для непрерывных измерений температуры используются дру­гие типы датчиков, которые осуществляют непрерывное преобразо­вание температуры в сигнал.

К датчикам, получившим наибольшее распространение, могут быть отнесены ТЕРМОПАРЫ и ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ.

Термопара, рис. 60а, представляет собой спай двух разнород­ных проводников (полупроводников). Принцип работы термопары основан на возникновении, электродвижущей силы (термо-э.д.с.) в цепи двух разных металлов при различии температур мест их спая ("горячего конца") и свободных ("холодных") концов.

В межмолекулярном пространстве любого проводника имеются свободные электроны, подвижность и количество которых в еди­нице объема зависит от рода материала и его температуры. В ре­зультате, в месте контакта различных металлов начинается взаим­ное проникновение свободных носителей заряда; более подвижные носители заряда проникают в проводник с меньшей подвижностью носителей, что приводит к появлению на нем отрицательного потенциала, в свою очередь проводник с большей подвижностью приоб­ретает положительный заряд. Между свободными концами проводников появится разность потенциалов - термо-э.д.с.

Величина термо-э.д.с. зависит от рода проводников составляющих термопару и разницы температур "горячего" и "холодного" спаев. Поэтому при пользовании термопарой необходимо учитывать температуру "холодного" спая. Обычно, при использовании термо­пары (рис.5.5.б), горячий рабочий спай 1 помещают в среду, темпе­ратуру которой измеряют, холодный спай помещают в среду с по­стоянной температурой - термостат. Если в термостате находится

тающий лед, то показания милливольтметра будут пропорциональны значению температуры t₁ по шкале Цельсия.

При использовании термопар в производственных условиях, учет температуры "холодного спая" производится обычно с помощью специальных устройств, измеряющих внешнюю температуру термо­метрами сопротивления (см. ниже).

Рис.5.5. Термопара:

а – конструкция;

б – вариант схемы использования

Необходимо отметить, что величина термо-э.д.с. даже для наи­более чувствительных металлических термопар составляет вели­чину 5-7 mV/°C, что заставляет применять для измерения термо-э.д.с. чувствительные милливольтметры или использовать усилите­ли напряжения.

Для защиты термопары от механических повреждений ее час­то помещают в защитный корпус, но эта мера резко увеличивает инерционность датчика. В бескорпусном исполнении термопары используются в практике лабораторных измерений в случаях, когда необходимо контролировать быстрые изменения температуры.

Для термо-электродов используются различные металлы в за­висимости от измеряемого диапазона температур. Так, для темпе­ратур свыше 1000°С применяют металлы платиновой группы. На­пример, один электрод может быть изготовлен из чистой платины, а другой — из сплава платины с родием. Для измерения температур ниже 1000°С применяют термопары из неблагородных металлов: хромель-колелевые, хромель-алюмелевые, медь-константановые, железо-константановые термопары.

Принцип работы ТЕРМОРЕЗИСТОРА основан на зависимости электропроводности металлов и полупроводников от температуры.

Металлический терморезистор - ТЕРМОМЕТР СОПРОТИВ­ЛЕНИЯ представляет собой тонкую (0,05 мм) медную, никелевую или платиновую проволоку, намотанную на керамический или слюдя­ной каркас и помещенную в защитный корпус. Электрическое сопро­тивление металлических проводников зависит от температуры в со­ответствии с выражением:

R_t = R_o × (1 + α × t),

где R_o - сопротивление при 0°С; R_t - сопротивление при температуре t;

α - температурный коэффициент сопротивления:

для меди α_Cu=4,28х10^-3, 1/°С ; для платины α_Pt =3,94x10^-3, 1/°С.

Медные термометры сопротивления позволяют измерять тем­пературу в диапазоне -150 ... +350°С, платиновые - до +800°С.

Так как сопротивление датчиков меняется незначительно (0,4 % на °С), то для измерения сопротивления необходимо применять точные и высокочувствительные омметры.

Чаще всего в роли измерительных устройств используют изме­рительные мосты сопротивления, в которых сопротивление датчика сравнивается с установленным в мосте регулируемым эталонным сопротивлением (см. рис.5.6).

Через оба сопротивления R_t и R_v пропускаются токи i1 и i2, ве­личины которых определяются вспомогательными сопротивления­ми rl и г2. Их величины на несколько порядков больше сопротивле­ний R_t и R_v; поэтому токи i1 и i2 постоянны и не зависят от значений R_t и R_v. Напряжения на этих сопротивлениях будут в соответствии с законом Ома определяться выражениями:

U_Rt=R_t×i1;

U_Rv= R_v ×i2.

Очевидно, что при il=i2, равенство напряжений будет при ра­венстве сопротивлений R_t и R_v. Если сопротивления R_t и R_v различ­ны, то через гальванометр будет протекать ток. Регулируя величину сопротивления R_v, добиваются нулевых показаний гальванометра, значение измеряемого сопротивления R_t считывается по калибро­ванной шкале эталонного сопротивления R_v.

Рис.5.6. Схема измерительного мостя сопротивления:

R_t - сопротивление датчика;

R_v - регулируемое эталонное сопротивление;

г1, г2 - балластные сопротивления

С целью повышения чувствительности измерительной схе­мы можно увеличивать токи i1, i2. Но, с другой стороны, прохож­дение измерительного тока через датчик Rt будет вызывать его нагрев, что приведет к ошибке измерения. Эта, так называемая, погрешность самопрогрева зависит от подводимой электричес­кой мощности Р, (Р = i²×R_t), и условий теплообмена датчика с окружающей средой.

Для количественной оценки погрешности самопрогрева вводит­ся коэффициент самопрогрева Е_к, который связан с подводимой мощ­ностью и температурой среды соотношением:

∆t = t1 – t2 = P / Ek

где tl и t2 - значения температуры датчика при наличии и отсутствии измерительного тока;

Р - подводимая мощность (в милливаттах);

Ек - коэффициент самопрогрева (мвт/°С).

Коэффициент самопрогрева необходимо учитывать при точных измерениях температуры (при допустимой погрешности измерения меньше 0,5°С).

В устройствах автоматизации тепловых процессов находят при­менение также полупроводниковые терморезисторы - ТЕРМИСТО­РЫ. Термисторы обладают, как правило, отрицательным темпера­турным коэффициентом сопротивления (ТКС), т.е. их сопротивление уменьшается при повышении температуры (это связано с увеличе­нием числа носителей заряда).

Значительно реже встречаются термисторы с положительным ТКС. В отличие от металлических термометров сопротивления, у термисторов значительно более узкий диапазон измерения темпера­туры (-100..+200°С), и значительная нелинейность статической ха­рактеристики. Приближенно статическая характеристика термистора (зависимость сопротивления датчика от температуры) может быть описана экспоненциальной функцией:

R_t = R_o × e^B×t

где Rt и Ro - сопротивление датчика при температурах t и 0°С;

В — константа материала термистора.

ТКС большинства термисторов составляет 3 - 7 % 1/°С, что примерно в 10 раз больше, чем у металлических терморезисторов. Термисторы изготавливаются из смеси специальных спрессованных оксидов (MgCrO; LiO; Zn TiO и др.).

Несмотря на высокую чувствительность (ТКС), термисторы редко используются для точных измерений температуры, основны­ми причинами являются: нелинейная зависимость их сопротивления от температуры и некоторое изменение этой зависимости со време­нем (старение датчика). Но благодаря малым размерам, а значит и малой тепловой инерции, датчики находят применение в портатив­ных приборах для оперативного контроля температуры.

Кроме описанных выше поликристаллических оксидных терми­сторов, в настоящее время, все шире применяются монокристалли­ческие кремниевые полупроводниковые датчики температуры, в частности, датчики на основе прямосмещенного полупроводниково­го перехода. У таких датчиков связь между температурой и падени­ем напряжения на переходе обладает высокой линейностью и кру­тизной. Кроме этих, существуют конструкции полупроводниковых датчиков температуры, объединяющие чувствительный элемент и устройства усиления и обработки сигнала, вплоть до выдачи инфор­мации о температуре в виде цифрового кода. Это способствует уни­фикации систем управления и контроля температуры и значительно упрощает их конструирование и настройку.