Датчики температуры -Терморезисторы

На второй половине ОУ собран компаратор, на инвертирующий вход которого подано напряжение с выхода усилителя термопары. На другой - задающее напряжение с движка переменного резистора R8.

Пока напряжение на выходе усилителя  термопары меньше задающего напряжения на выходе компаратора удерживается положительное напряжение, поэтому  работает схема запуска симистора T1, выполненная по схеме блокинг-генератора на транзисторе VT1. Поэтому симистор T1 открывается и через нагреватель EK проходит электрический ток, отчего возрастает напряжение на выходе усилителя термопары.

Как только это напряжение чуть превысит задающее напряжение, на выходе компаратора  появляется напряжение отрицательного уровня. Поэтому транзистор VT1 запирается и блокинг-генератор перестает  вырабатывать управляющие импульсы, что приводит к закрытию симистора T1, и охлаждению нагревательного элемента. Когда напряжение на выходе усилителя термопары станет несколько меньше задающего напряжения. весь цикл нагрева повторяется снова.

Для питания такого терморегулятора  понадобится маломощный блок питания  с двух полярным напряжением +12, -12 В. Трансформатор Тр1 выполнен на ферритовом кольце типоразмера К10*6*4 из феррита НМ2000. Все три обмотки содержат по 50 витков провода ПЭЛШО-0,1.

Несмотря на простоту схемы, работает она достаточно надежно, а собранная  из исправных деталей требует  лишь настройки температуры, которую  можно определить, используя хотя бы китайский мультиметр с термопарой.

                  Материалы для изготовления термопар

Как уже было сказано, термопара  содержит два электрода из разнородных  материалов. Всего имеется около  десятка термопар различных типов, по международному стандарту обозначаемых буквами латинского алфавита.

Каждый тип имеет свои характеристики, что в основном обусловлено материалами  электродов. Например, достаточно распространенная термопара TYPE K изготовлена из пары хромель – алюмель. Ее диапазон измерений  – 200 - 1200 °C, коэффициент термоэдс в диапазоне температур 0 - 1200 °C 35 - 32 мкВ/°C, что говорит о некоторой нелинейности характеристики термопары.

При выборе термопары в первую очередь  следует руководствоваться тем, чтобы в измеряемом диапазоне  температур нелинейность характеристики была бы минимальной. Тогда погрешность  измерений будет не столь заметна.

Если термопара находится на значительном удалении от прибора, то подключение должно производиться  с помощью специального компенсационного провода. Такой провод выполнен из таких  же материалов как сама термопара, только, как правило, заметно большего диаметра.

Для работы при более высоких  температурах часто применяются  термопары из благородных металлов на основе платины и платиново-родиевых сплавов. Такие термопары несомненно дороже. Материалы для электродов термопар изготавливаются согласно стандартам. Все разнообразие термопар можно найти в соответствующих таблицах в любом хорошем справочнике.

            Виды датчиков температуры

Контроль над температурой составляют основу многих технологических  процессов. Измерение температуры  жидкости, газа, твердой поверхности  или сыпучего порошка - каждый случай имеет свою особенность, которую  необходимо понимать, чтобы измерения  максимально соответствовали поставленной задаче. Существует множество датчиков температуры, построенных с использованием различных физических законов. Одни из них прекрасно справляются  с конкретной задачей по измерению  температуры, другие предназначены  для универсального использования. В данной статье описаны основные типы датчиков для измерения температуры, их особенности, слабые и сильные  стороны, задачи, для которых они  предназначены.

Если рассматривать датчики  температуры для промышленного  применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термометры сопротивления, инфракрасные датчики температуры.

                                                      Кремниевые датчики

Температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур для таких датчиков составляет от -50 С до +150 С. Внутри этого диапазона кремниевые датчики температуры показывают хорошую линейность и точность. Возможность производства в одном корпусе такого датчика не только самого чувствительного элемента, но так же и схем усиления и обработки сигнала, обеспечивает датчику хорошую точность и линейность внутри температурного диапазона. Встроенная в такой датчик энергонезависимая память позволит индивидуально откалибровать каждый прибор. Большим плюсом можно назвать большое разнообразие типов выходного интерфейса: это может быть напряжение, ток, сопротивление, либо цифровой выход, позволяющий подключить такой датчик к сети передачи данных. Из слабых мест кремниевых датчиков температуры можно отметить узкий температурный диапазон и относительно большие размерами по сравнению с аналогичными датчиками других типов, особенно термопарами. Кремниевые датчики температуры применяются в основном для измерения температуры поверхности, температуры воздуха, особенно внутри различных электронных приборов. Например можно назвать температурные регистраторы компании Dallas semiconductor выпускаемые под маркой THERMOCHRON. Регистраторы имеют кремниевый датчик температуры, микросхему обработки сигнала и память для сохранения результатов.

                                                Биметаллический датчик температуры

Как следует из названия, сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собою. Различные металлы имеют различный коэффициент расширения при той или иной температуре. Например, константан практически не расширяется при температуре, железо, напротив испытывает заметное расширение. Если полоски из этих металлов скрепить между собой и нагреть (или охладить), то они изогнутся. В биметаллических датчиках пластинки замыкают или размыкают контакты реле, или двигают стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков от -40 С до +550 С. Биметаллические датчики используют для измерения поверхности твердых тел, реже для измерения температуры жидкости. Основным преимуществом датчиков является простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость. Вместе с тем, биметаллические датчики температуры имеют большой разброс характеристик, а так же большой гистерезис переключения, особенно при низких температурах. Основные области применения биметаллических температурных датчиков – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

                                            Жидкостные и газовые термометры 

Наиболее старые типы датчиков температуры. Первая шкала температуры была предложена Фаренгейтом в начале 18-го века именно для жидкостного термометра. Жидкостные термометры используют эффект расширения жидкостей при повышении температуры. В качестве жидкостей используется спирт или ртуть в диапазоне комнатных температур. Для измерений низких температур, например в криогенной технике, может быть использован жидкий неон, а для измерения высоких температур обычно используют галлий, который находится в жидком состоянии уже от 20 С. В газовых термометрах используется эффект расширения, при переходе вещества из жидкого в газообразное состояние. Газ давит через мембрану и замыкает электрические контакты. Диапазон измерений для жидкостных и газовых термометров от -200 С до +500 С. Термометры этого класса обычно применяются для визуального контроля температуры, либо в качестве термостатов в различных нагревателях и холодильной технике.

                                                              Термоиндикаторы 

Это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Такое изменение цвета может быть как обратимым, так и необратимым. В диапазоне комнатных температур используются термоиндикаторы на основе жидких кристаллов. Они плавно изменяют свой цвет при изменении температуры. Изменения эти, как правило, обратимые. Производятся они в виде пленки, часто с клейкой подложкой, и служат для оперативного визуального контроля температуры. Для низких и высоких температур производятся в основном необратимые термоиндикаторы. То есть, если температура хотя бы один раз превысила допустимую, то индикатор необратимо меняет свой цвет. Такие термоиндикаторы используют, например, для контроля за замороженными продуктами. Если в процессе хранения или транспортировки температура хоть раз была выше допустимой, то изменившаяся окраска термоиндикатора сообщит об этом. Основное достоинство термоиндикаторов низкая стоимость. Их можно использовать как одноразовые датчики температуры.

                                        Термисторы

В этом классе датчиков используется эффект изменения электрического сопротивления  материала под воздействием температуры. Обычно в качестве термисторов используют полупроводниковые материалы, как  правило, оксиды различных металлов. В результате получаются датчики  с высокой чувствительностью. Однако большая нелинейность позволяет  использовать термисторы лишь в узком  диапазоне температур. Термисторы имеют  невысокую стоимость и могут  изготавливаться в миниатюрных  корпусах, позволяя увеличить тем  самым быстродействие. Существует два  типа термисторов, использующих положительный  температурный коэффициент –  когда электрическое сопротивление  растет с повышением температуры  и использующих отрицательный температурный  коэффициент – здесь электрическое  сопротивление падает при повышении  температуры. Термисторы не имеют определенной температурной характеристики. Она  зависит от конкретной модели прибора  и области его применения. Основными  достоинствами термисторов является их высокая чувствительность, малые  размеры и вес, позволяющие создавать  датчики с малым временем отклика, что важно, например, для измерения  температуры воздуха. Безусловно, невысокая  стоимость так же является их достоинством, позволяя встраивать датчики температуры  в различные приборы. К недостаткам  можно отнести высокую нелинейность термисторов, позволяющую их использовать в узком температурном диапазоне. Использование термисторов так  же ограничено в диапазоне низких температур. Большое количество моделей  с различными характеристиками и  отсутствие единого стандарта, заставляет производителей оборудования использовать термисторы только одной конкретной модели без возможности замены.

           Инфракрасные датчики температуры или пирометры 

Измеряют температуру поверхности на расстоянии. Принцип из работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию. При низких температурах это излучение в инфракрасном диапазоне, при высоких температурах часть энергии излучается уже в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур бесконтактными датчиками от -45 С до +3000 С. Причем в диапазоне высоких температур инфракрасным датчикам нет конкуренции. Для измерения в различных диапазонах температур используются различные участки инфракрасного спектра. Так при низких температурах это обычно диапазон длин волн электромагнитного излучения 7 – 14 микрон. В диапазоне средних температур это может быть 3 – 5 микрон. При высоких температурах используется участок о районе 1 микрон. Однако и здесь есть свои особенности, связанные с решением конкретной задачи. Так для измерения температуры тонких полимерных пленок используются датчики, работающих на длинах волн 3,43 или 7,9 микрометров, а для измерения температуры стекла используют датчики, работающие в диапазоне 5 микрон. Для правильного измерения температуры необходимо еще ряд факторов. Прежде всего это излучательная способность. Она связана с коэффициентом отражения простой формулой: E = 1 – R, где Е – излучательная способность, R – коэффициент отражения. У абсолютно черного теля излучательная способность равна 1. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95. Металлы, особенно полированные напротив имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае будет 0,1 – 0,2. Для правильного измерения температуры необходимо определить и установить излучательую способность измеряемого объекта. Если значения будут выбраны неправильно, то температура будет измеряться неверно. Обычно показания занижаются. Так, если металл имеет излучательную способность 0,2, а на датчике установлен коэффициент 0,95 (он обычно используется по умолчанию), то при наведении на нагретый до 100 С металлический объект датчик будет показывать температуру около 25 С. Корректировать излучательную способность можно определив ее для различных материалов по справочнику, либо измеряя температуру поверхности альтернативным способом, например термопарой, вносить необходимые поправки. Хорошие результаты при не очень высоких температурах дает окраска специальной термостойкой, черной краской измеряемой поверхности. Второй важной характеристикой инфракрасного датчика является оптическое отношение – это отношение расстояния до объекта измерений к размеру области с которой эти измерения ведутся. Например оптическое отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 метров размер площади, с которой ведется измерение температуры составляет 1 метр. Современные инфракрасные датчики температуры имеют оптическое отношение достигающие 300:1. Основные достоинства инфракрасных датчиков температуры: малое время отклика. Это самые быстродействующие датчики температуры. Возможность измерения температуры движущихся объектов. Измерения температуры в труднодоступных и опасных местах. Измерение высоких температур, там, где другие датчики уже не работают. К достоинствам можно отнести то, что отсутствует непосредственный контакт с объектом и соответственно не происходит его загрязнения. Это может быть важно в полупроводниковой промышленности или фармацевтике.

Термометры сопротивления это резисторы, изготовленные из платины, меди или никеля. Это могут быть проволочные резисторы, либо металлический слой может быть напыленным на изолирующую подложку, обычно керамическую или стеклянную. Платина чаще всего применяется в термометрах сопротивления из-за ее высокой стабильности и линейности изменения сопротивления с температурой. Медь используется в основном для измерения низких температур, а никель в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур. Для защиты от внешней среды платиновые термометры сопротивления помещают в защитные металлические чехлы и изолируют керамическими материалами, такими как оксид алюминия или оксид магния. Такая изоляция снижает так же воздействие вибрации и ударов на датчик. Однако вместе с дополнительной изоляцией растет и время отклика датчика на резкие температурные изменения. Платиновые термометры сопротивления одни из самых точных датчиков температуры. Кроме того, они стандартизированы, что значительно упрощает их использование. Стандартно производятся датчики сопротивлением 100 и 1000 Ом. Изменение сопротивления таких датчиков с температурой дается в любых тематических справочниках в виде таблиц или формул. Диапазон измерений платиновых термометров сопротивления составляет -180 С +600 С. Несмотря на изоляцию, стоит оберегать термометры сопротивления от сильных ударов и вибрации.

Термопары представляют собой две проволоки из различных металлов, сваренных между собой на одном из концов. Термоэлектрический эффект открыл немецкий физик Зеебек в первой половине 19-го века. Он открыл, что если соединить два проводника из разнородных металлов таким образом, что бы они образовывали замкнутую цепь и поддерживать места контактов проводников при разной температуре, то в цепи потечет постоянный ток. Экспериментальным путем были подобраны пары металлов, которые в наибольшей степени подходят для измерения температуры, обладая высокой чувствительностью, временной стабильностью, устойчивостью к воздействию внешней среды. Это например пары металлов хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений-вольфрам. Каждый тип подходит для решения своих задач. Термопары хромель-алюмель (тип К) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают до температур вплоть до 1300 С в окислительной или нейтральной атмосфере. Это один из самых распространенных типов термопар. Термопара железо-константан (тип J) работает в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере при температурах до 500 С. При высоких температурах до 1500 С используют термопары платина- платина/родий (тип S или R) в керамических защитных кожухах. Они прекрасно измеряют температуру в окислительной, нейтральной среде и вакууме.