Датчики температуры -Терморезисторы

                Датчики температуры -Терморезисторы

 

 

В первой части статьи было коротко  рассказано об истории возникновения  различных температурных шкал и  их изобретателях Фаренгейте, Реомюре, Цельсии и Кельвине. Теперь стоит  познакомиться с температурными датчиками, принципами их работы, приборами  для получения данных от этих датчиков.

Доля измерения температуры  в технологических измерениях

В современном промышленном производстве производится измерение множества  различных физических величин. Из них  массовый и объемный расход составляет 15%, уровень жидкостей 5%, время не более 4%, давление около 10% и так далее. А вот измерение температуры  составляет почти 50% от общего количества технических измерений.

Такой высокий процент достигается  числом точек измерения. Так на среднего размера атомной электростанции температура может измеряться примерно в 1500 точках, а на крупном химзаводе это количество достигает двадцати и более тысяч.

Такое количество говорит не только о широком разнообразии средств  измерений и как следствие  множестве первичных преобразователей и датчиков температуры, а также  о постоянно возрастающих требованиях  к точности, быстродействию, помехоустойчивости и надежности приборов измерения  температуры.

Основные виды температурных датчиков, принцип работы

Практически все температурные  датчики, применяемые в современном  производстве, используют принцип преобразования измеряемой температуры в электрические  сигналы. Такое преобразование основано на том, что электрический сигнал возможно передавать с высокой скоростью на большие расстояния, в электрические же сигналы могут быть преобразованы любые физические величины. Преобразованные в цифровой код эти сигналы могут быть переданы с высокой точностью, а кроме того введены для обработки в компьютер.

 

                   Термопреобразователи сопротивления

Их также еще называют терморезисторами. Принцип действия их основан на том, что все проводники и полупроводники имеют Температурный Коэффициент  Сопротивления сокращенно ТКС. Это  примерно то - же, что и известный  всем коэффициент температурного расширения: при нагревании тела расширяются.

Следует заметить, что все металлы  обладают положительным ТКС. Другими словами электрическое сопротивление проводника увеличивается при возрастании температуры. Здесь можно вспомнить тот факт, что лампы накаливания перегорают чаще всего в момент включения, пока спираль холодная и сопротивление ее невелико. Отсюда и повышенный ток при включении. Полупроводники имеют отрицательный ТКС, при увеличении температуры их сопротивление уменьшается, но об этом будет сказано чуть выше.

 

                       Металлические терморезисторы

 

Казалось бы, что в качестве материала  для терморезисторов возможно использовать любой проводник, однако, ряд требований предъявляемых к терморезисторам, говорит что это не так.

Прежде всего, материал для изготовления температурных датчиков, должен обладать достаточно большим ТКС, а зависимость  сопротивления от температуры должна быть достаточно линейной в широком  диапазоне температур. Кроме того металлический проводник должен быть инертен к воздействию окружающей среды и обеспечивать хорошую воспроизводимость свойств, что позволит производить замену датчиков не прибегая к различным тонким настройкам измерительного прибора в целом.

По всем указанным свойствам  почти идеально подходит платина (если не считать высокой цены), а также  медь. Такие терморезисторы в описаниях  называются медные (ТСМ-Cu) и платиновые (ТСП-Pt).

Терморезисторы ТСП могут использоваться в диапазоне температур -260 - 1100°C. Если измеряемая температура находится  в пределах 0 - 650°C, то датчики ТСП  могут использоваться в качестве эталонных и образцовых, поскольку  нестабильность градуировочной характеристики в этом диапазоне не превышает 0,001°C. К недостаткам терморезисторов ТСП можно отнести высокую стоимость и нелинейность функции преобразования в широком диапазоне температур. Поэтому точное измерение температур возможно лишь в указанном в технических данных диапазоне.

Большее распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы марки ТСМ, зависимость сопротивления  от температуры у которых достаточно линейна. Как недостаток медных резисторов можно считать низкое удельное сопротивление, и недостаточная устойчивость к  воздействию высоких температур (легкая окисляемость). Поэтому медные терморезисторы имеют предел измерения  не свыше 180°C.

Для подключения датчиков типа ТСМ  и ТСП используется двухпроводная  линия, если удаление датчика от прибора  не превышает 200м. Если это расстояние больше, то используется трехпроводная линия связи, в которой третий провод используется для компенсации сопротивления подводящих проводов. Подобные способы подключения подробно показаны в технических описаниях приборов, которые комплектуются датчиками ТСМ или ТСП.

К недостаткам рассмотренных датчиков следует отнести их низкое быстродействие: тепловая инерционность (постоянная времени) таких датчиков находится в пределах от десятков секунд до нескольких минут. Правда, изготавливаются и малоинерционные  терморезисторы, постоянная времени  которых не более десятых долей  секунды, что достигается за счет их малых габаритов. Такие терморезисторы изготавливают из литого микропровода в стеклянной оболочке. Они высокостабильны, герметизированы, и малоинерционны. Кроме того при малых габаритах имеют сопротивление до нескольких десятков килоОм.

 

Полупроводниковые терморезисторы

 

Их также часто называют термисторами. По сравнению с медными и платиновыми они имеют более высокую чувствительность и отрицательный ТКС. Это говорит о том, что при увеличении температуры их сопротивление уменьшается. ТКС термисторов на порядок выше, чем у их медных и платиновых собратьев. При весьма малых габаритах сопротивление термисторов может достигать до 1 МОм, что исключает влияние на результат измерения сопротивления соединительных проводов.

Для измерения температуры наибольшее распространение получили полупроводниковые  терморезисторы марки КМТ (на основе окислов марганца и кобальта), а  также ММТ (окислы марганца и меди). Функция преобразования термисторов  достаточно линейна в диапазоне  температур -100 - 200°C, надежность полупроводниковых  терморезисторов очень высока, характеристики стабильны в течение долгого  времени.

Единственным недостатком является то, что в серийном производстве не удается с достаточной точностью  воспроизвести необходимые характеристики. Один экземпляр значительно отличается от другого, примерно так же, как  транзисторы: вроде бы из одной упаковки, а коэффициент усиления у всех разный, двух одинаковых из сотни не найдешь. Такой разброс параметров приводит к тому, что при замене термистора приходится заново производить  регулировку аппаратуры.

Для питания термопреобразователей сопротивления чаще всего используется мостовая схема, в которой уравновешивание моста производится при помощи потенциометра. При изменении сопротивления терморезистора от воздействия температуры уравновесить мост можно только поворотом потенциометра.

Подобная схема с ручной регулировкой применяется в качестве демонстрационной в учебных лабораториях. Движок потенциометра  имеет шкалу, проградуированную  непосредственно в единицах температуры. В реальных измерительных схемах все, конечно, производится автоматически.

В следующей части статьи будет  рассказано о применении термопар и  механических термометров расширения.

 

                      Датчики температуры - Термопары

 

     Термопара. Краткая история создания, устройство, принцип                    работы

 

 

Внешне термопара устроена очень  просто: две тоненькие проволочки просто сварены между собой в  виде аккуратного маленького шарика. Некоторые современные цифровые мультиметры китайского производства комплектуются термопарой, которая позволяет измерять температуру не менее, чем до 1000°C, что дает возможность проверить температуру нагрева паяльника или утюга, которым собираются пригладить лазерную распечатку к стеклотекстолиту, а также во многих других случаях.

Конструкция такой термопары очень  проста: оба проводка спрятаны в  трубку из стекловолокна, и при этом даже не имеют заметной на глаз изоляции. С одной стороны проволочки аккуратно  сварены, а с другой имеют вилку  для подключения к прибору. Даже при таком примитивном исполнении результаты измерения температуры  особых сомнений не вызывают, если, конечно, не требуется точность измерения  класса 0,5°C и выше.

 

В отличии от только что упомянутых китайских термопар, термопары для применения в промышленных установках имеют конструкцию более сложную: собственно измерительный участок термопары помещается в металлический корпус. Внутри корпуса термопара находится в изоляторах, как правило, керамических, рассчитанных на высокую температуру.

Вообще термопара является самым  распространенным и самым старым термодатчиком. Ее действие основывается на эффекте Зеебека, который был открыт еще в 1822 году. Для того, чтобы ознакомиться с этим эффектом, мысленно соберем несложную схему, показанную на рисунке 1.

 

                                           Рисунок 1

 

На рисунке показаны два разнородных  металлических проводника М1 и М2, концы которых в точках А и В просто сварены между собой, хотя везде и всюду эти точки называются почему-то спаями. Кстати, многие домашние умельцы-кустари для самодельных термопар, предназначенных для работы при не очень высоких температурах, вместо сварки пользуются как раз пайкой.

Вернемся снова к рисунку 1. Если вся эта конструкция будет  просто лежать на столе, то эффекта  от нее не будет никакого. Если же один из спаев чем-нибудь нагреть, ну хотя бы спичкой, то в замкнутой цепи из проводников М1 и М2 потечет электрический ток. Пусть он будет весьма слабым, но все-таки он будет.

Чтобы в этом убедиться, достаточно в этой электрической цепи разорвать  один провод, причем любой, и в получившийся разрыв включить милливольтметр, желательно со средней точкой, как показано на рисунках 2 и 3.

                         

                                                Рисунок 2

                     

 

                                               Рисунок 3

 

Если теперь один из спаев нагреть, например спай А, то стрелка прибора отклонится в левую сторону. При этом температура спая A будет равняться TA = TB + ΔT. В этой формуле ΔT = TA - TB есть разность температур между спаями A и B.

На рисунке 3 показано, что будет, если нагреть спай B. Стрелка прибора  отклонится в другую сторону, причем в обоих случаях, чем больше будет  разность температур между спаями, тем на больший угол отклонится стрелка  прибора.

Описанный опыт как раз иллюстрирует эффект Зеебека, смысл которого в том, что если спаи проводников A и B имеют разные температуры, то между ними возникает термоэдс, величина которой пропорциональна разности температур спаев. Не следует забывать, что именно разности температур, а не какой-то температуре вообще!

Если же оба спая имеют одинаковую температуру, то никакой термоэдс в цепи не будет. При этом проводники могут находиться при комнатной температуре, нагреты до нескольких сот градусов, или на них будет воздействовать отрицательная температура – все равно никакой термоэдс получено не будет.

                                 Что же меряет термопара?

Предположим, что один из спаев, например A, (обычно его называют горячим) поместили  в сосуд с кипящей водой, а  другой спай B (холодный) остался при  комнатной температуре, например, 25°C. Именно 25°C в учебниках физики считается  нормальными условиями.

Температура кипения воды в нормальных условиях 100°C, поэтому выработанная термопарой термоэдс, будет пропорциональна разности температур спаев, которая в этих условиях составит всего 100 -25 = 75°C. Если же температура окружающей среды будет изменяться, то и результаты измерений будут больше походить на цену на дрова, нежели на температуру кипящей воды. Как же получить правильные результаты?

Вывод напрашивается сам собой: нужно холодный спай охладить до 0°C, тем самым задав нижнюю опорную  точку шкалы температуры по Цельсию. Проще всего это сделать, поместив холодный спай термопары в сосуд  с тающим льдом, ведь именно эта температура  принята за 0°C. Тогда в предыдущем примере все будет правильно: разница температур горячего и холодного  спаев составит 100 – 0 = 100°C.

Конечно, решение простое и верное, но каждый раз искать где-то сосуд  с тающим льдом и длительное время  в таком виде его сохранять, просто технически невозможно. Поэтому вместо льда применяются различные схемы  компенсации температуры холодного  спая.

Как правило, полупроводниковым датчиком измеряется температура в зоне холодного  спая, а уже электронная схема  добавляет этот результат в общее  значение температуры. В настоящее  время выпускаются специализированные микросхемы для термопар, имеющие  встроенную схему компенсации температуры  холодного спая.

В ряде случаев для упрощения  схемы в целом можно от компенсации  просто отказаться. Простой пример терморегулятор для паяльника: если паяльник постоянно в руках, то, что  мешает чуть подкрутить регулятор, убавить  или прибавить температуру? Ведь тот, кто умеет паять, видит качество пайки и вовремя принимает  решения. Схема такого терморегулятора  достаточно проста и показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема простого терморегулятора (для увеличения нажмите на рисунок).

Как видно из рисунка схема достаточно проста и не содержит дорогих специализированных деталей. Ее основу составляет отечественная  микросхема К157УД2 – сдвоенный малошумящий  операционный усилитель. На ОУ DA1.1 собран собственно усилитель сигнала термопары. При использовании термопары TYPE K при нагреве до 200 - 250°C выходное напряжение усилителя достигает  порядка 7 - 8В.