Сибірський Державний Аерокосмічний Університет
Факультет інформатики та систем управління
Кафедра ІКС
курсу «Технічні засоби АСОИУ»
«Температурні датчики»
виконав:
ст-т. гр. ІУ-92 Чугайнов Н.Г.
ст. препод. Бочаров А.Н.
Красноярськ 2003
ПЛАН
Введение ............................................................. ... .3
Температурні датчики, їх види ................................. .4
Термоперетворювачі опору .............................. .4
Термоелектричні перетворювачі .............................. ..6
Пірометри .. ............................................................... 8
Кварцові термоперетворювачі .... .............................. ..10
Шумові датчики ...................................................... ..10
ЯКР - датчики ............................................................ .10
Дилатометрічні перетворювачі .............................. ..11
Акустичні датчики ................................................... 11
Список літератури ................................................... 13
Автоматизація різних технологічних процесів, ефективне управління різними агрегатами, машинами, механізмами вимагають численних вимірювань різноманітних фізичних величин. В даний час існує приблизно наступний розподіл частки вимірювань різних фізичних величин в промисловості: температура - 50%, витрата (масовий і об'ємний) - 15%, тиск - 10%, рівень - 5%, кількість (маса, об'єм) - 5%, час - 4%, електричні і магнітні величини - менш 4%. З цього розподілу наочно видно, що в сучасному промисловому виробництві найбільш поширеними є вимірювання температури (так, на атомній електростанції середнього розміру є близько 1500 точок, в яких проводиться такий вимір, а на великому підприємстві хімічної промисловості подібних точок присутній понад 20 тис.). Широкий діапазон вимірюваних температур, різноманітність умов використання засобів вимірювальної техніки та вимог до них визначають, з одного боку, різноманіття застосовуваних засобів вимірювання температури, а з іншого боку, необхідність розробки нових типів первинних перетворювачів і датчиків, які відповідають зростаючим вимогам до точності, швидкодії, завадостійкості. Втім, число видів температурних датчиків, які існують в наші дні, також досить велике; про всі ці різновиди і піде мова в даному рефераті.
Температурні датчики, їх види.
В основі роботи будь-яких температурних датчиків, що використовуються в системах автоматичного управління, лежить принцип перетворення вимірюваної температури в електричну величину. Це обумовлено наступними перевагами електричних вимірювань: електричні величини зручно передавати на відстань, причому передача здійснюється з високою швидкістю; електричні величини універсальні в тому сенсі, що будь-які інші величини можуть бути перетворені в електричні і навпаки; вони точно перетворюються в цифровий код і дозволяють досягти високої точності, чутливості і швидкодії засобів вимірювань.
Принцип дії термоперетворювачів опору (термо- резисторів) заснований на зміні електричного опору провідників і напівпровідників в залежності від температури. Матеріал, з якого виготовляється такий датчик, повинен володіти високим температурним коефіцієнтом опору, по можливості лінійною залежністю опору від температури, хорошою відтворюваністю властивостей і інертністю до впливів навколишнього середовища. Найбільшою мірою всіма зазначеними властивостями задовольняє платина; в трохи меншій - мідь.
Платинові терморезистори призначені для вимірювання температур в межах від -260 до 1100 0 С. В діапазоні температур від 0 до 650 0 С їх використовують в якості зразкових і еталонних засобів вимірювань, причому нестабільність градуювальної характеристики таких перетворювачів не перевищує 0,001 0 С.
Залежність опору платинових терморезисторів від температури визначається наступними формулами:
Rt = R0 (1 + At + Bt2) при 0 <t <650 0 C;
Rt = R0 [1 + At + Bt2 + Ct3 (t - 100)] при -200 <t <0 0 C,
де Rt - опір терморезистора при температурі t, 0 C; R0 - опір при 0 0 C; A = 3,96847 * 10 -3 (0 C) -1; B = - 5,847 * 10 -7 (0 C) -2; З = - 4.22 * 10 -12 (0 C) -4.
Платинові терморезистори мають високу стабільність і відтворюваністю харакетристики. Їх недоліками є висока вартість і нелінійність функції перетворення. Тому вони використовуються для точних вимірювань температур у відповідному діапазоні.
Широке поширення на практиці отримали більш дешеві мідні терморезистори, які мають лінійну залежність опору від температури:
Rt = R0 (1 + αt) при -50 <t <180 0 C,
де α = 4.26 * 10 -3 (0 C) -1.
Недоліком міді є невелике її питомий опір і легка окислюваність при високих температурах, внаслідок чого кінцевий межа застосування мідних термометрів опору обмежується температурою 180 0 C. За стабільності і відтворюваності характеристик мідні терморезистори поступаються платиновим.
Теплова інерційність стандартних термометрів опору характеризується показником теплової інерції (постійної часу), значення якого лежать в межах від десятків секунд до одиниць хвилин. Постійна часу спеціально виготовлених малоінерційних термометрів опору може бути зменшена до 0,1 с.
Знаходять застосування також нікелеві термометри опору. Нікель має відносно високий питомий опір, але залежність його опору від температури лінійна тільки до температур не вище 100 0 C, температурний коефіцієнт опору нікелю в цьому діапазоні дорівнює 6,9 * 10 -3 (0 C) -1.
Мідні і нікелеві терморезистори випускають також з литого мікродроту в скляній ізоляції. Мікропроволочние терморезистори герметизовані, високостабільного, малоїнерционни і при малих габаритних розмірах можуть мати опору до десятків кіло.
У порівнянні з металевими терморезисторами більш високою чутливістю володіють напівпровідникові терморезистори (термістори). Вони мають негативний температурний коефіцієнт опору, значення якого при 20 0 C становить (2 - 8) * 10 -2 (0 C) -1, тобто на порядок більше, ніж у міді і платини. Напівпровідникові терморезистори при досить малих розмірах мають високі значення опору (до 1 МОм). Для вимірювання температури найбільш поширені напівпровідникові терморезистори типів КМТ (суміш оксидів кобальту і марганцю) і ММТ (суміш оксидів міді і марганцю).
Термістори мають лінійну функцію перетворення, яка описується наступною формулою:
Rt = AeB / T,
де T - абсолютна температура, A - коефіцієнт, який має розмірність опору, B - коефіцієнт, який має розмірність температури.
Серйозним недоліком термісторів, що не дозволяє з достатньою точністю нормувати їх характеристики при серійному виробництві, є погана відтворюваність характеристик (значна відмінність характеристик одного примірника від іншого).
Напівпровідникові датчики температури мають високу стабільність характеристик в часі і застосовуються для зміни температур в діапазоні від -100 до 200 0 С.
Вимірювальна схема за участю термоперетворювачів опору найчастіше є бруківці; урівноваження моста здійснюється за допомогою потенціометра. При зміні опору терморезистора відповідно змінюється положення движка потенціометра, положення якого щодо шкали формує показання приладу; шкала градуюється безпосередньо в одиницях температури. Недоліком такої схеми включення є вноситься проводами підключення терморезистора похибка; оскільки через зміни опору проводів при зміні температури навколишнього середовища компенсація зазначеної похибки неможлива, застосовують трьохпровідний схему включення проводів, при використанні якої опору підвідних проводів виявляються в різних гілках, і їх вплив значно зменшується.
Термоелектричні перетворювачі (термопари).
Принцип дії термопар заснований на термоелектричному ефекті, що полягає в тому, що в замкнутому контурі, що складається з двох різнорідних провідників (або напівпровідників), тече струм, якщо місця спаїв провідників мають різні температури. Якщо взяти замкнутий контур, що складається з різнорідних провідників (термоелектродів), то на їх спаях виникнуть термоЕРС E (t) і E (t0), що залежать від температур цих спаїв t і t0. Так як ці термоЕРС виявляютьсявключеними зустрічно, то результуюча термоЕРС, діюча в контурі, дорівнює E (t) - E (t0).
У разі рівного розподілу температур обох спаїв результуюча термоЕРС дорівнює нулю. Спай, занурюваної в контрольоване середовище, називається робочим кінцем термопари, а другий спай - вільним.
У будь-якої пари однорідних провідників значення результуючої термоЕРС залежить тільки від природи провідників і від температури спаїв і не залежить від розподілу температури уздовж провідників. Термоелектричний контур можна розімкнути в будь-якому місці і включити в нього один або кілька різнорідних провідників. Якщо все з'явилися при цьому місця сполук перебувають при однаковій температурі, то результуюча термоЕРС, діюча в контурі, не змінюється. Це використовується для вимірювання термоЕРС термопари. Створювана термопарами ЕРС порівняно невелика: вона не перевищує 8 мВ на кожні 100 0 С і зазвичай не перевищує за абсолютною величиною 70 мВ.
Термопари дозволяють вимірювати температуру в діапазоні від -200 до 2200 0 С. Для вимірювання температур до 1100 0 С використовують в основному термопари з неблагородних металів, для вимірювання температур от 1100 до 1600 0 С - термопари з благородних металів і сплавів платинової групи, а для вимірювання більш високих температур - термопари з жаростійких сплавів (на основі вольфраму).
Найбільшого поширення для виготовлення термоелектричних перетворювачів отримали платина, платинородій, хромель, алюмель.
При вимірах температури в широкому діапазоні враховується нелінійність функції перетворення термоелектріческогго перетворювача. Так, наприклад, функція перетворення медь-константанових термопар в діапазоні температур від -200 до 300 0 С з похибкою ± 2 мкВ описується емпіричною формулою
E = At2 + Bt + C,
де A, B і C - постійні, які визначаються шляхом вимірювання термоЕРС при трьох відомих температурах, t - температура робочого спаю при 0 С.
Постійна часу термоелектричних перетворювачів залежить від їх конструкції і якості теплового контакту робочого спаю термопари з середовищем і для промислових термопар обчислюється в хвилинах. Однак відомі конструкції малоінерційних термопар, у яких постійна часу лежить в межах 5 - 20 секунд і нижче.
Електровимірювальні прилади (мілівольтметр) або вимірювальний підсилювач термоЕРС можуть підключатися до контуру термопари двома способами: у вільний кінець термопари або в один з термоелектродів; вихідна термоЕРС від способу підключення вимірювальних пристроїв не залежить.
Як зазначено вище, при вимірюванні температури вільні кінці термопари повинні знаходитися при постійній температурі, але як правило, вільні кінці термопари конструктивно виведені на затискачі на її голівці, а отже, розташовані в безпосередній близькості від об'єктів, температура яких вимірюється. Щоб віднести ці кінці в зону з постійною температурою, застосовуються подовжують дроти, що складаються з двох жив, виготовлених з металів або сплавів, що мають однакові термоелектричні властивості з термоелектроди термометра.
Для термопар з неблагородних металів подовжують дроти виготовляються найчастіше з тих же матеріалів, що і основні термоелектроди, тоді як для датчиків з благородних металів з метою економії подовжують дроти виконуються з матеріалів, що розвивають в парі між собою в діапазоні температур 0 - 150 0 С ту ж термоЕРС, що і електроди термопари. Так, для термопари платина - платинородій застосовуються подовжувальні термоелектроди з міді і спеціального сплаву, що утворюють термопару, ідентичну по термо термопарі платина-платинородій в діапазоні 0 - 150 0 С. Для термопари хромель - алюмель подовжувальні термоелектроди виготовляються з міді і константана, а для термопари хромель - копель подовжувальними є основні термоелектроди, але виконані у вигляді гнучких проводів. При неправильному підключенні подовжувальних термоелектродів виникає суттєва похибка.
У лабораторних умовах температура вільних кінців термопари підтримується рівною 0 0 С шляхом приміщення їх в посудину Дьюара, наповнений стовченим льодом з водою. У виробничих умовах температура вільних кінців термопари зазвичай відрізняється від 0 0 С. Так як градуювання термопар здійснюється при температурі вільних кінців 0 0 С, то ця відмінність може бути джерелом суттєвої похибки; для зменшення зазначеної похибки, як правило, вводять поправку в показання термометра. При виборі поправки враховуються як температура вільних кінців термопари, так і значення вимірюваної температури (це пов'язано з тим, що функція перетворення термопари нелінійна); це ускладнює точну корекцію похибки.
На практиці для усунення похибки широке застосування знаходить автоматичне введення поправки на температуру вільних кінців термопари. Для цього в ланцюг термопари і мілівольтметра включається міст, одним з плечей якого є мідний терморезистор, а інші бразовани манганіновим терморезисторами. При температурі вільних кінців термопари, рівної 0 0 С, міст знаходиться в рівновазі; при відхиленні температури вільних кінців термопари від 0 0 С напруга на виході моста не дорівнює нулю і підсумовується з термоЕРС термопари, вносячи поправку в показання приладу (значення поправки регулюється спеціальним резистором). Внаслідок нелінійності функції перетворення термопари повної компенсації похибки не відбувається, але зазначена похибка істотно зменшується.
У лабораторних умовах для точного вимірювання термоЕРС застосовуються лабораторні і зразкові компенсатори постійного струму з ручним уравновешиванием.
Серйозним недоліком розглянутих вище термоперетворювачів опору і термоелектричних перетворювачів є необхідність введення датчика в контрольоване середовище, в результаті чого відбувається спотворення досліджуваного температурного поля. Крім того, безпосередній вплив середовища на датчик погіршує стабільність його характеристик, особливо при високих і надвисоких температурах і в агресивних середовищах. Від цих недоліків вільні пірометри - безконтактні датчики, засновані на використанні випромінювання нагрітих тіл.
Теплове випромінювання будь-якого тіла можна характеризувати кількістю енергії, випромінюваної тілом з одиниці поверхні в одиницю часу і що припадає на одиницю діапазону довжин хвиль. Така характеристика є спектральну щільність і називається спектральної світності (інтенсивністю монохроматичноговипромінювання).
Закони температурного випромінювання визначені абсолютно точно лише для абсолютно чорного тіла. Залежність спектральної світності абсолютно чорного тіла від температури і довжини хвилі виражається формулою:
Rα = Aα -5 (eB / (α T) - 1) -1,
де α - довжина хвилі, T - абсолютна температура, A і B - постійні.
Інтенсивність випромінювання будь-якого реального тіла завжди менше інтенсивності абсолютно чорного тіла при тій же температурі. Зменшення спектральної світності реального тіла в порівнянні з абсолютно чорним враховують введенням коефіцієнта неповноти випромінювання; його значення по-різному для різних фізичних тіл і залежить від складу речовини, стану поверхні тіла і інших чинників.
Використовують енергію випромінювання нагрітих тіл пірометри поділяються на радіаційні, яскравості і колірні.
Радіаційні пірометри використовуються для вимірювання температури від 20 до 2500 0 С, причому прилад вимірює інтегральну інтенсивність випромінювання реального об'єкта; в зв'язку з цим при визначенні температури необхідно враховувати реальне значення коефіцієнта неповноти випромінювання.
У типовий радіаційний пірометр входить телескоп, що складається з об'єктива і окуляра, всередині якого розташована батарея з послідовно з'єднаних термопар. Робочі кінці термопар знаходяться на платиновому пелюстці, вкритому платинової черню. Телескоп наводиться на об'єкт вимірювання так, щоб пелюстка повністю перекривався зображенням об'єкта і вся енергія випромінювання сприймалася термобатареей. ТермоЕРС термобатареи є функцією потужності випромінювання, а отже, і температури тіла.
Радіаційні пірометри градуюються по випромінюванню абсолютно чорного тіла, тому неточність оцінки коефіцієнта неповноти випромінювання викликає похибка вимірювання температури.
Яскравості (оптичні) пірометри використовуються для вимірювання температур від 500 до 4000 0 С. Вони засновані на порівнянні в вузькій ділянці спектру яскравості досліджуваного об'єкта з яскравістю зразкового випромінювача (фотометричної лампи). Фотометрична лампа вбудована в телескоп, який має об'єктив і окуляр. При вимірюванні температури телескоп направляють на досліджуване тіло і домагаються чіткого зображення тіла і нитки фотометрической лампи в одній площині. Потім, змінюючи яскравість нитки шляхом зміни струму через неї (або змінюючи яскравість зображення тіла за допомогою переміщуваного оптичного клина), домагаються однакової яскравості зображення нитки і досліджуваного об'єкта. Якщо яскравість тіла більше яскравості нитки, то нитка видна у вигляді чорної лінії на яскравому тлі. В іншому випадку помітно світіння нитки на більш блідому тлі. У разі рівного розподілу яркостей нитка не видно, тому такі пірометри називають також пірометрами з зникаючою ниткою.
Напруга напруження лампи (або положення оптичного клина) характеризує температуру нагрітого тіла; для порівняння інтенсивностей випромінювання лише у вузькому діапазоні спектра використовується спеціальний світлофільтр.
Яскравості пірометри забезпечують більш високу точність вимірювань температури, ніж радіаційні. Їх основна похибка обумовлена неповнотою випромінювання реальних фізичних тіл і поглинанням випромінювання проміжним середовищем, через яку здійснюється спостереження.
Кольорові пірометри засновані на вимірі відносини інтенсивностей випромінювання на двох довжинах хвиль, які обирають зазвичай в червоній або синій частині спектра; вони використовуються для вимірювання температури в діапазоні від 800 до 0 С. Зазвичай колірний пірометр містить один канал вимірювання інтенсивності монохроматичноговипромінювання зі змінними світлофільтрами.
Головною перевагою колірних пірометрів є те, що неповнота випромінювання досліджуваного об'єкта не викликає похибки зміни температури. Крім того, показання колірних пірометрів принципово не залежать від відстані до об'єкта вимірювання, а також від коефіцієнта випромінювання в проміжній середовищі, якщо коефіцієнти поглинання однакові для обох довжин хвиль.
Для вимірювання температур від -80 до 250 0 С часто використовуються так звані кварцові термоперетворювачі, що використовують залежність власної частоти кварцового елемента від температури. Робота даних датчиків заснована на тому, що залежність частоти перетворювача від температури і лінійність функції перетворення змінюються в залежності від орієнтації зрізу щодо осей кристала кварцу.
Кварцові термоперетворювачі мають високу чутливість (до 103 Гц / К). високу тимчасову стабільність (2 * 10 -2 К / рік) і роздільну здатність 10 -4 - 10 -7 К, що і визначає перспективність. Дані датчики широко використовуються в цифрових термометрах.
Дія шумових термометрів засноване на залежності шумової напруги на резисторі від температури. Дана залежність визначається формулою:
,
де 
- середній квадрат напруги шуму, K - постійна Больцмана, T - абсолютна температура, R - опір резистора, 
- смуга сприймаються частот.
Практична реалізація методу вимірювання температури на основі шумових резисторів полягає в порівнянні шумів двох ідентичних резисторів, один з яких знаходиться при відомій температурі, а інший - при вимірюваної. Шумові датчики використовуються, як правило, для вимірювання температур в діапазоні -270 - 1100 0 С.
Перевагою шумових датчиків є принципова можливість вимірювання термодинамічної температури на основі зазначеної вище закономірності. Однак це значно ускладнюється тим, що середньоквадратичне значення напруги шумів дуже важко виміряти точно внаслідок його малості і сумісності з рівнем шуму підсилювача.
ЯКР-термометри (термометри ядерного квадрупольного резонансу) засновані на взаємодії градієнта електричного поля кристалічної решітки і квадрупольного електричного моменту ядра, викликаного відхиленням розподілу заряду ядра від сферичної симетрії. Ця взаємодія обумовлює прецесію ядер, частота якої залежить від градієнта електричного поля решітки і для різних речовин має значення від сотень кілогерц до тисяч мегагерц. Градієнт електричного поля решітки залежить від температури, і з підвищенням температури частота ЯКР знижується.
Датчик ЯКР-термометра являє собою ампулу з речовиною, укладену всередину котушки індуктивності, включеної в контур генератора. При збігу частоти генератора з частотою ЯКР відбувається поглинання енергії від генератора. Похибка вимірювання температури -263 0 С становить ± 0.02 0 С, а температури 27 0 С - ± 0.002 0 С.
Перевагою ЯКР-термометрів є його необмежена у часі стабільність, а недоліком - суттєва нелінійність функції перетворення.
дилатометрічні перетворювачі .
Дилатометрічні (об'ємні) датчики вимірювання температури засновані на явищі розширення (стиснення) твердих тіл, рідин або газів при збільшенні (зменшенні) температури.
Температурний діапазон роботи перетворювачів, заснованих на розширенні твердих тіл, визначається стабільністю властивостей матеріалів при зміні температури. Зазвичай за допомогою таких перетворювачів вимірюють температури в діапазоні -60 - 400 0 С. Похибка перетворення становить 1 - 5%.
Температурний діапазон роботи перетворювача з розширюється рідиною залежить від температур замерзання та кипіння останньої (для ртуті - -39 - 357 0 С, для амилового спирту - -117 - 132 0 С, для ацетону - -94 - 57 0 С. Похибки рідинних перетворювачів становлять 1 - 3% і в значній мірі залежать від температури навколишнього середовища, що змінює розміри капіляра.
Нижня межа вимірювання перетворювачів, які використовують в якості робочого середовища газ, обмежується температурою скраплення газу (- 195 0 С для азоту, - 269 0 С для гелію), верхній же - лише теплостійкість балона.
Акустичні термометри засновані на залежності швидкості поширення звуку в газах від їх температури і використовуються в основному діапазоні середніх і високих температур. Акустичний термометр містить просторово рознесені випромінювач акустичних хвиль і їх приймач, зазвичай включаються в ланцюг автогенератора, частота коливань якого змінюється зі зміною температури; зазвичай такий датчик використовує і різного типу резонатори.
1. К.Л. Куликівський, В.Я. Купер. Методи і засоби вимірювань: Учеб. посібник для вузів. М .: Вища школа, 1986. - 448 с .: іл.
2. М.А. Бабіков, А.В. Косинський. Елементи і пристрої автоматики: Учеб. посібник для вузів. М .: Вища школа, 1975. - 464 с .: іл.