Датчики температуры. Измерение температуры в устройствах автоматики производят с помощью датчиков, функционирующих на основе зависимости того или иного параметра чувствительного

Измерение температуры в устройствах автоматики производят с помощью датчиков, функционирующих на основе зависимости того или иного параметра чувствительного элемента от температуры. Работа их основана на тепловом расширении твердых тел, жидкостей или газов, на изменении сопротивления проводников или полупроводников или изменении термо-ЭДС.

Ртутно-контактные термометры (Рис. 10.4) конструк-тивно выполняются в виде двух- или многопозиционных чувствительных устройств с двумя или несколькими контактами, вмонтированными в стеклянный корпус ртутного термометра.

У всех ртутно-контактных термометров один из контактов (1, Рис. 10.4, а, б, в) введен в ртутный столбик на уровне С₀, который выбирается меньше наименьшей контролируемой температуры. При достижении температуры значения С₁, на котором установлен контакт 2, замыкается цепь между контактами 1 и 2 и во внешнюю цепь (на рис. 2 не показана) будет подан сигнал о достижении этого уровня температуры. Если второй контакт регулируемый (Рис. 10.4, б), то уровень температуры С₁ можно устанавливать с помощью магнитной муфты (элементы 3, 4 на рисунке), поднимая или опуская контакт 2.

Рис. 10.4 – Ртутно-контактные термометры: а) двухконтактный; б) с регулируемым контактом; в) многоконтактный; 1 – контакт, связанный с ртутью; 2, 3, 4 - температурные контакты; С0, С1, С3 – фиксированные уровни температуры

Ртутно-контактные датчики применяют для измерения температуры в пределах от 0 до 300 ^оС. Их контакты рассчитаны на ток от 50 мкА до долей ампера, что в ряде случаев требует использования усилительных устройств. Точность измерения обычно не хуже ± 2 ^оС.

Терморезисторы функционируют на основе свойства проводников увеличивать электрическое сопротивление при возрастании температуры. Статические характеристики таких датчиков описываются выражением:

R(t) = R₀(1+β_t t),

где R₀ - электрическое сопротивление при температуре

= 0 ^оС; β_t - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) проводящего материала терморезистора.

Эта зависимость линейна (Рис. 10.5, а).

Рис. 10.5 – Статические характеристики: а) терморезистора; б) термистора

В качестве проводящего материала в терморезисторах используют медь или платину. Они обладают стабильными ТКС. Из этих материалов изготавливают тонкую проволоку диаметром от 0,05 до 0,1мм, которую наматывают на каркас из изоляционного материала. Для защиты от повреждения всю конструкцию помещают в защитный корпус. ТКС для терморезисторов лежит в пределах от 0,2 до 0,43 Ом/^оС, диапазон измерения от минус 200^оС до плюс 500^оС.

Термисторы – это полупроводниковые термочувстви-тельные датчики, действие которых основано на свойстве полупроводников уменьшать электрическое сопротивление при возрастании температуры. Статическая характеристика термисторов не линейна (Рис. 10.5, б) и описывается экспоненциальной зависимостью:

,

где R₂₀ – сопротивление термистора при температуре = 0 ^оС;

В – постоянная величина для данного термистора, определяемая на основе испытаний.

Термисторы обладают большей чувствительностью, чем терморезисторы. Их ТКС, отрицательный или положительный, превышает ТКС терморезисторов в 5…25 и более раз. Диапазон измерения температуры от минус 100^оС до плюс 300^оС.

Терморезисторы и термисторы являются датчиками параметрического типа.

Манометрические датчики представляют собой устройства, в которых воспринимаемые изменения температуры преобразуются в изменения давления, а затем – в механические перемещения (двойное преобразование) и далее – в электрический сигнал (тройное преобразование). Принцип действия этих приборов основан на изменении давления газа или насыщенного пара от кипящей при низкой температуре жидкости в замкнутой системе при изменении температуры.

На рисунке 10.6 изображена схема манометрического термометра, замкнутая система которого состоит из баллона 1, погружаемого в измеряемую среду, соединительной трубки с капиллярным отверстием 2, манометра 3, соединенного через систему рычагов со стрелкой 4, и измерительной шкалы 5.

Рис. 10.6 – Манометрический электроконтактный термометр: а) – одновитковый- б) – многовитковый- и в) спиральный сильфоны; 1 – стрелка; 2 – полая трубка (одновитковый сильфон; 3 – трубка-спираль; 4 – валик; 5 – трубка сильфона; 6 – гофра

При достижении стрелкой контактов 6происходит их замыкание, благодаря чему в системе автоматики появится регулирующий сигнал. Капиллярная трубка может быть длиной до 40 м. Это дает возможность удалить шкалу прибора от измеряемой среды на значительное расстояние.

Манометрические термометры бывают жидкостные и газовые. Жидкостные термометры наполняют ртутью, ацетоном, эфиром и другими веществами, имеющими большой коэф-фициент объемного расширения. Газовые термометры заполняют азотом или инертным газом.

Статическая характеристика манометрического датчика нелинейная. Чувствительность его тем выше, чем больше объем термобаллона. Свойства и параметры таких датчиков зависят от вещества-заполнителя термобаллона и конструкции основных элементов.

Биметаллические датчики относятся к дилатометрическим преобразователям, в которых используется эффект температурного расширения материалов. Измерительным (чувствительным) элементом биметаллических датчиков является лента, спаянная из двух полосок металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. При нагреве такая лента изгибается в сторону материала с меньшим температурным коэффициентом. Механическое усилие, развиваемое при этом, используется для перемещения в преобразующем элементе (переменном резисторе, контактной группе и др.) или для приведения в действие исполнительного органа другого типа.

Термоэлектрические преобразователи температуры (термопары) представляют собой спай двух разнородных металлических проводников или полупроводников. Возникающая на границе соединения разнородных материалов ЭДС зависит от температуры. Чувствительность термопар обычно невелика и составляет значение от 10 до 70 мкВ /°С. Диапазон измерения температур для различных термопар составляет от минус 200 до плюс 2500^°С. Они относятся к генераторным датчикам.