Датчики температуры.

В современном промышленном производстве , научных исследование при испытаниях материалов и образцов новый техники наиболее распространенными являются измерения температуры . В диапазоне низких и средних температур используется в основном контактные методы измерения , причем наиболее широко на практике используются первичные преобразователи в виде термосопротивлений, термисторов, термопар . В настоящее время используется два вида термосопротивлений - платиновые (ТСП) и медные (ТСМ) . Для указания материалов свойственны высокая стабильность температурного коэффициента сопротивления (ТКС) , хорошая воспроизводимость характеристик . Наиболее дешевые ТСМ работают в диапазоне температур -50 + 180°С.

Уравнение преобразования ТСМ:

R_T =R₀(1+aT)

где

R₀ - сопротивление при 0°С,

a Температурный коэффициент сопротивления (ТКС)=4,26 × 10^-3 1/К

Т- температура в °К

По величине сопротивления ТСМ выпускаются с .

R₀ =53 Ом и R₀=100 Ом

У ТСП диапазон температур выше ,они стабильнее, но значительно дороже .

Схема включения ТСМ Конструкция ТСМ

Измерение температуры поверхности

Измерение температуры газа

Зависимости сопротивления от температуры для наиболее широко используемых резистивных датчиков температуры .

Термисторы ( или терморезисторы ) - это термочувствительные резисторы , изготавливаемые из полупроводниковых материалов ( слагаемых из смесей сульфидов , селенидов , оксидов никеля , марганца , железа , кобальта , меди ,. магния , титана , урана и других металлов ). Эти материалы ­­­­сформировываются в небольшие шарики ( бусинки ) , диски , стержни ( обычно герметизированные стекольной или эпоксидной смолой и шайбой ).

Рассмотренные терморезисторы ( термисторы ) относятся к терморезисторам с так называемой положительной характеристикой есть термисторы с отрицательной характеристикой ( их сопротивление уменьшается с повышением температуры ) , и термисторы с критической характеристикой ( сопротивление резко изменяется при определенном значении температуры ).Отрицательный, критический полупроводниковый термистор

Терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом используется для измерения регулируемой температуры , термокомпенсации различных элементов электрических цепей .

Есть еще с положительным температурным коэффициентом (позисторы ) на основе титаната бария , легированного различными примесями , которые в определенном интервале температур увеличивают свое сопротивление на несколько порядков .

Схема включения позисторов в качестве ограничителя тока .

Для расширения линейного участка характеристики термистора параллельно и последовательно ему включаются постоянные резисторы .

Конструкция термистора .

Линеаризация функции преобразования терморезистора.

Основное эмпирическое соотношение , используемое для описания зависимости сопротивления термистора от температуры , имеет вид

где

R_{T -} сопротивление при измеряемой температуре Т(К).

R₀ - его сопротивление при известной температуре То(К).

b - параметр , зависящий от материала (обычно 298,15 К)

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) -отношение скорости изменения сопротивления при изменении при изменении температуры к значению сопротивления при нулевой мощности рассеяния .

Этот параметр - удобная характеристика чувствительности термистора .

при уменьшении температуры нелинейно возрастает ( Его типичное значение -4,4%/°С при 27°C ). Как видим температурные зависимости термосопротивлений носят ярко выраженный нелинейный характер. Для их спрямления используют включение в схему линеаризующего резистора, включаемого параллельно термистору.

Если составить цепь из двух различных проводников, концами соединив их между собой, причем температуру q₁ одного места соединения сделать отличной от температуры q₂ другого, то в цепи появится ЭДС, представляющая разность функций температур мест соединения проводников ( Эффект Зеебека ).

E(q₁ q₂)=f (q₁) - f (q₀)

Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой , а места соединений спаями (независимо получены путем спайки или сварки ). Если один спай ТП , называемый рабочим (или горячим поместить в среду с температурой другого нерабочего ( или холодного ) спая поддерживать постоянной , то

f (q₀)=const = C , то E(q₁ q₀)=f (q₁) - С, т.е. зависит только от измеряемой температуры.

ТП перекрывают широкий диапазон температур (-270...+2500°С) , хотя определенные виды ТП работают в более узком диапазоне .

В зависимости от используемых материалов различают 2 группы ТП : выполненных из неблагородных и благородных ( платина ) металлов .

Наиболее распространяемые термопары первой группы - выполнены из сплавов хромель-копель (ХК) , хромель-алюмель (ХА), где хромель сплав хрома с никелем , копель - меди с никелем , алюмель - алюминия с никелем .

Характеристики термопар .

Схема включения термопары в измерительную цепь.

R1- для линеаризации калибровочной функции схемы.

R5-для поправки показания ТП из-за отличного от нуля холодного спая .

Мост -для автоматической поправки показаний ТП на температуру свободных концов .

Как известно при измерении температуры свободные концы термопары должны находятся при постоянной температуре. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой применяется удлиняющие провода, изготовленные из металлов или сплавов , имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термопар . Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов . Для благородных металлов приходится подбирать сплавы с идентичными свойствами, что очень сложно и приводит к погрешностям.

Конструкция термопары

ТермоЭДС в мВ

Термометры на p-n - переходах.

Эффект зависимости свойств pn - переходов от температуры , нежелательный в большинстве применений ,можно с успехом использовать для ее измерения. Датчики на pn - переходах характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от t , но как и всякие полупроводниковые устройства работают только в ограниченном интервале температур .

Диодный термометр .

Прямой ток полупроводникового диода .

где

I - ток,

V - критическое напряжение на p-n переходе.

I₀ - обратный ток насыщения при отрицательном V.

Обратный ток I₀ не зависит от V, является тепловым током, зависящим

от температуры и равен 0 при абсолютной 0 К.

k - постоянная Больцмана .

q - величина заряда электрона .

а)

где М - некоторая независящая от T константа

E_q - ширина запрещенной зоны в кремнии при Т=0°К.

Согласно а) напряжение на диоде линейно зависит от T

и окончательно:

Для измерения температуры полупроводниковый диод включается в прямом направлении, чем меньше стабилизированный ток через него, тем больше крутизна характеристики и чувствительнее термометр.

Часто в качестве термодатчика используют в качестве p-n - перехода - переход база-эмиттер транзистора .

Диоды обладают лучшей чувствительностью и линейностью, но меньшим рабочим диапазоном по сравнению с термопарными и резисторными термометрами.

В литературе описан диодный термометр на GaAs , обеспечивающий точность 0,,002 °К в интервале температур 14 - 300 °K.

Схема включения термометра на транзисторе, где датчиком служит его переход база-эмиттер

Важной характеристикой термодатчика является его постоянная времени, которая определяется как время , необходимое, чтобы указанная, например, термистором, температура изменялась на 63.2% от разности между его первоначальной температурой и новой измеряемой температурой.Тепловая постоянная в термодинамике , дается в % к конечному значению .

Как правило , чем меньше тепловой датчик , тем меньше его постоянная времени . Постоянная времени для термопары обычно меньше (550мс) , чем для диода и транзистора (10с) или интегральные микросхемы ( 1 минута ) , используемые в качестве датчиков температуры .

Термопара с открытым контактом , полученным сваркой встык провода диаметром 25 мкм , имеет постоянную времен 3мс . Постоянная времени увеличивается при увеличении диаметра провода и защитной оболочки . Тепловая постоянная зависит от конкретной компановки измерительной схемы с точки зрения эффективности теплопередачи и от характеристик окружающей среды .