Датчики температуры

Датчики температуры преобразуют температуру в электрический или другой сигнал. Они применяются в автоматике в качестве датчиков температуры.

Датчики температуры различаются по принципу действия. Они классифицируются на термоэлектрические пирометры, действие которых основано на возникновении термо-ЭДС при нагревании спая разнородных электродов; термометры сопротивления (терморезисторы), принцип работы которых основан на изменении электрического сопротивления проводника при его нагревании; термометры расширения, которые подразделяются на дилатометрические (основанные на изменении объема или линейных размеров тела при нагревании) и манометрические (основанные на изменении давления жидкости или газа при их нагревании); пирометры излучения, действие которых основано на нагревании тел лучеиспусканием или яркости свечения.

Пределы применения, °С, этих различных измерителей температуры показаны ниже.

Датчики: дилатометрические	—200	+500
манометрические	—50	+300
Термометры сопротивления	—200	+650
Пирометры	+400	+4000
Термопары	—50	+1800

Термопары. Преобразование тепловой энергии в электрическую в термопарах основано на появлении так называемой тер-мо-ЭДС в специальных металлических электродах при неравенстве температур их спаянных концов.

Термопара состоит из двух специальных термоэлектродов A и Б (рис. 2.24, а). Материалом для термопар служат различные металлы. При выборе термопар (СТ-СЭВТХА) необходимо учитывать возможные предельные значения температур для длительного и кратковременного пользования, приводимые в табл. 2.1.

Термо-ЭДС некоторых термопар с увеличением температуры возрастает линейно. Чувствительность термопар составляет около 5... 80 мкВ/°С. Имеются полупроводниковые термопары, чувствительность которых составляет около 1000 мкВ/°С.

Рис. 2.24. Термопары

Для измерения термо-ЭДС в цепь термопары включают измерительный прибор (рис. 2.24, б, в). В случае, показанном на рис. 2.24,б, у термопары будут два спая: один рабочий 1 и два свободных 2 и 3, которые должны иметь постоянную темпера-

Таблица 2.1

Материал термоэлектродов	Пределы измерений, °С	Максимальная температура, °С
Медь — копель Медь — констант Хромель — копель Платинородий Вольфомрений (5 %) — вольфрамрений (20 %)	—200... —1100 —200... —1100 —50... +600 0... +1200 0... +2200	125 800 1600 2500

туру t ₀; в случае, показанном на рис. 2.24, в, четыре спая; один рабочий 1, один свободный 2 и два контрольных 3 и 4. Спаи 3 и 4 должны иметь одинаковую температуру t₂. Несмотря на внешнее отличие схем рис. 2.24, б и рис. 2.24, в, термо-ЭДС, развиваемая термопарами, в обоих случаях будет одинаковой, если одинаковыми будут температуры рабочих и свободных спаев. В случае нарушения этого условия, появится посторонняя термо-ЭДС (паразитная). Чтобы устранить это явление, приме-

няют так называемые удлинительные провода, при этом места присоединения удлинительных проводов должны иметь одинаковую температуру и удлинительные термоэлектроды (провода) должны быть термоэлектрически идентичны термопаре. Поэтому для каждой термопары должны быть свои удлинительные провода; например, для платинородиевых термопар применяются удлинительные провода из меди и сплава ТП, для термопар хромель-алюмель, называемых термоэлектрическими термометрами,— из меди и константа.

Термо-ЭДС, развиваемая термопарой, невелика и составляет 0,01... 0,07 мВ на 1°С. Для получения большей термо-ЭДС применяют термобатареи (рис. 2.24, г).

Термопары заводского изготовления представляют собой защитную металлическую или фарфоровую трубку, в которую помещаются термоэлектроды.

Терморезисторы. Принцип действия терморезисторов основан на изменении сопротивления проволочки при изменении ее температуры. Терморезистор состоит из тонкой металлической проволоки, намотанной на каркас из слюды, кварца или фарфора. Рабочая часть термометра заключена в специальный защитный чехол. При изменении температуры проволоки изменяется ее сопротивление, а следовательно, и питающий терморезистор ток, по величине которого судят об измеряемой температуре. Так как ток будет нагревать проволоку и тем самым искажать показания действительной температуры, он должен иметь минимальное значение, порядка 10... 15 мА. Проволочные терморезисторы подключают к логометрам или электронному мосту.

Некоторые данные о терморезисторах приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Материал проволоки	Сопротивление, Ом	Интервал измеряемой температуры, °С
Платина Платина Медь	10; 16; 100 10; 16; 100 53; 100	0... —650 —200... —0 —50... —180

Недостатком большей части терморезисторов является их значительная тепловая инерционность. Время «разгона» составляет около 5... 7 мин.

Полупроводниковые термометры сопротивления (терми-сторы). Термисторами называют полупроводниковые датчики температуры. В качестве материала для термисторов используется смесь окислов марганца, никеля, железа и цинка. Полупроводник помещается в корпус с изолятором. Термисторы изготовляются в виде бусинок, таблеток, чечевиц, колец и т. д.

Рис. 2.25. Биметаллический датчик температуры

Термисторы являются очень чувствительными элементами, поэтому с их помощью можнс измерять температуру с очень высокой точностью (в некоторых случаях до 0,005 °С) С динамической точки зрения они являются относительно мало инерционными элементами Время «разгона» некоторых термисторов составляет несколько секунд. К недостатку следует отнести их малую температурную стойкость и значительный разброс характеристик. Также наиболее распространенные термисторы не выдерживают температуру выше 200 °С.

Термодиоды, термотранзисторы. Для измерения температур в диапазоне —80°... +150 °С применяются термодиоды и термотранзисторы. Верхний предел температурного диапазона ограничивается тепловым пробоем p—n перехода, нижний — уменьшением концентрации основных носителей. Главным достоинством таких датчиков является возможность взаимозаменяемости и малый габарит.

Кризисторы, позисторы. Имеется ряд материалов, для которых наблюдается резкое изменение проводимости в относительно узком диапазоне температур, т. е. статическая характеристика таких датчиков релейная. Датчики, у которых при нагревании характеристика скачкообразно изменяется вверх (положительный температурный коэффициент сопротивления), называются позисторами, а датчики с отрицательным температурным коэффициентом называют кризисторами. В результате релейных характеристик эти датчики используют как температурное реле.

Биметаллические датчики температуры. Эти датчики состоят из двух соединенных сваркой металлических пластин, имеющих различный коэффициент линейного расширения (рис. 2.25). При изменении температуры пластины 1 изгибаются так, что пластина, имеющая больший коэффициент линейного расширения, образует выпуклую часть, а другая — вогнутую. При изгибании пластин происходит замыкание контактов электрической цепи управления 2 или 3.

Эти датчики имеют релейную статическую характеристику, т. е. работают по принципу «включено — отключено». Область измерения температуры составляет от —50° до +500 С°. С динамической точки зрения эти датчики — инерционные.

Ртутные датчики температуры. Эти датчики представляют собой обычный ртутный термометр, заключенный в стеклянную колбочку. В нижней и верхней части термометра имеются

контакты. При нагревании ртутный столбик, поднимаясь, замыкает электрическую цепь, выдавая сигнал управления на исполнительный элемент. Динамическая характеристика этих датчиков инерционная.

Контрольные вопросы

1. Назначение датчиков и их характеристики.

2. В чем состоит достоинство бесконтактных конечных выключателей?

3. Какова особенность работы фотоэлектрических датчиков?

4. Объясните принцип работы цифровых датчиков углов поворота.

Дата добавления: 2015-08-27