Измерение температуры

При построении первичных измерительных преобразователей (датчиков) температуры используются разнообразные физические эффекты. В основном применяются следующие типы датчиков:

- металлические термопреобразователи сопротивления (ТС);

- термоэлектрические преобразователи (термопары);

- полупроводниковые термопреобразователи сопротивления (термисторы);

- полупроводниковые датчики;

- пьезоэлектрические (кварцевые) преобразователи с частотным выходным сигналом.

Характеристики преобразования перечисленных типов датчиков качественно иллюстрирует рис. 2.1.

Рис. 2.1. Характеристики датчиков температуры:

а – термопреобразователь сопротивления; 6 – термопара; в – термистор;

г – полупроводниковый датчик; д – кварцевый резонатор

Металлические ТС обеспечивают высокую точность, хорошие линейность, стабильность и повторяемость характеристик. Основные недостатки: значительное влияние на результат измерения сопротивления проводов линии связи, необходимость дополнительного источника питания (напряжения или тока).

Термопары не требуют вспомогательного источника питания, имеют широкий диапазон измеряемых температур, отличаются точностью, стабильностью и повторяемостью характеристик. Термопарам присуща заметная нелинейность характеристики преобразования. Кроме того, при измерении необходимо учитывать или компенсировать влияние температуры свободных концов ТП. Вследствие малого выходного напряжения требуется применение чувствительных вторичных преобразователей и принятие мер по обеспечению помехозащищенности.

Термисторы (полупроводниковые резисторы) имеют высокую чувствительность и быстродействие. Но при этом у них есть серьезные недостатки: резко нелинейная характеристика преобразования, плохая повторяемость характеристики, сравнительно узкий диапазон измеряемых температур.

Полупроводниковые интегральные датчики характеризуются высокой линейностью характеристики преобразования, однако имеют ограниченный диапазон измеряемых температур (до 150...200 °С) и требуют наличия внешнего источника питания.

У датчиков на основе кварцевых резонаторов выходной величиной является изменение резонансной частоты колебаний при изменении температуры. Такие датчики обеспечивают наиболее высокую точность, правда, в узком диапазоне температур. Кроме того, часто основные параметры характеристики преобразования таких датчиков и их температурные коэффициенты не стандартизованы и подразумевают индивидуальную градуировку.

Все упомянутые датчики выпускаются в различном конструктивном исполнении: погружные, воздушные, для измерения температуры поверхности. Это позволяет производить контактные измерения температуры самых разнообразных объектов в диапазоне от – 200 до +2000 °С. Погрешность измерителей температуры зависит как от датчиков, так и от характеристик вторичных преобразователей и свойств линии связи датчик-вторичный блок. Типичные значения погрешностей таких термометров ±(0,2... 1) %, хотя в некоторых моделях достигаются значения погрешностей ±(0,01 ...0,1) %. Типичная чувствительность термометров – 0,1 °С.

Важным показателем термопреобразователей является показатель, характеризующий их быстродействие. У термопар это показатель тепловой инерции – время, необходимое для того, чтобы при внесении ТП в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки ТП стала равной 0,37 того значения, которое будет в момент наступления регулярного теплового режима.

У термометров сопротивления используют время термической реакции – время, которое требуется для изменения показаний термопреобразователя сопротивления на определенный процент полного изменения при ступенчатом изменении температуры среды: 10 %, 50 %, 63,2 %, 90 %.

Инерционность термопреобразователей зависит от массы чувствительного элемента (проволоки ТС, рабочего спая термопары и т.п.) и теплового сопротивления между чувствительным элементом и контролируемой средой, в частности от вида защитной арматуры, в которую помещен чувствительный элемент (рис. ).

Рассмотрим особенности перечисленных типов датчиков.

Рис. Внешний вид термометров сопротивления и термопар