Тема №7. Датчики температуры

Тема №7. Датчики температуры

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы.

Датчики с механическими выходными величинами.

Жидкостные термометры стеклянные в основном используют как показывающие приборы местного действия при интервале температур от —200 до +750°С. Термометрическими жидкостями являются ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, эфир, ацетон, пентан и т. д. В качестве датчиков применяют главным образом ртутные термометры с преобразованием механического перемещения в электрический сигнал - электроконтактные термометры, ртуть используют в качестве подвижного контакта. Вторым контактом может быть вольфрамовая нить, впаянная или опускаемая в капилляр термометра (рис. 1, а и б). В последнем случае она иногда снабжается задающим винтовым устройством. Сила электрического тока проходящего через контакты, не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.

Рис. 1.

В манометрических термометрах используется объемное расширение рабочего вещества в герметичной термосистеме, состоящей из термобаллона (жезла) 3, капилляра 2 и манометрического преобразователя 1 - трубчатой пружины, сильфона и т.п. (рис. 2.).

		Рис. 2.

В зависимости от свойств заполнителя эти термометры разделяются на газовые (азот), конденсационные или парожидкостные (ацетон, хладон-22, хлорметил, пропилен) и жидкостные (метанксилол, керосин, силиконовые жидкости и т. п.). Пределы измерения приборов составляют -150... + 600°С; -50...+300°С; -150... + 300°С при соответственной длине капилляров 60, 25, 10 м. К этой группе можно отнести датчики с твердим и упругим заполнителями - пастами на основе воска, церезином и рядом других специальных материалов. Например, сильфонные датчики с такими заполнителями широко используются в комнатных терморегуляторах.

Принцип действия биметаллических и дилатометрических датчиков основан на эффекте совместного линейного расширения двух разнородных соединенных вместе металлов. В качестве одного (пассивного) металла обычно используют инвар (36% Ni + 64!% Fе), другого (активного) - латунь, медь, сталь, хромомолибден. Их коэффициенты линейного расширения отличаются примерно в 20 раз. Слои термобиметаллической тонколистовой двухслойной ленты соединяются контактной сваркой. Из ленты делают пластины (рис. 3, а), плоские (рис.3, б) и пространственные (рис. 3, в) спирали, которые с увеличением температуры деформируются: загибаются или закручиваются в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения α.

Рис.3.

Дилатометрические термометры представляют собой термосистему - стержень (пассивный материал) П в трубе (активный) А с продольным линейным перемещением относительно друг друга (рис. 3, г). Оба вида термометров применяются очень широко, особенно биметаллические, при диапазоне температур 0...400°С, а некоторые и до 1000 °С (например, дилатометры инвар - латунь).

Датчики с электрическими выходными величинами. В основе принципа действия термоэлектрических термометров (термопар) лежит эффект Зеебека, открывшего механизм возникновения термоЭДС в цепи, составленной из двух различных проводников, например меди и платины, места соединений которых (сваркой, пайкой или скручиванием) имеют разную температуру Т_о и Т₁. Чем больше разность Т₁ - Т₁, тем больше термоЭДС, но функциональная зависимость е(Т_о, Т₁) = ƒ(Т₁) – ƒ(Т_о) является неопределенной. Поэтому одну температуру принимают постоянной, термостатируя один из спаев, например при Т_о = const. Термостатируемый спай называют свободным или холодным, спай, помещаемый в измеряемую среду, - рабочим или горячим. Положительным считают электрод, по которому ток течет от рабочего спая к свободному. Диаметр проволоки электродов из драгоценных металлов и сплавов (табл. 2.1) составляет 0,5 мм, прочих - 1,2...3,2 мм. Конструкция стандартного термоэлектрического термометра состоит из электродов с изоляцией из фарфоровых трубок или бус, помещенных в защитный трубчатый чехол (стальной, керамический, кварцевый) с головкой, имеющей электрозажимы. Рабочий спай может быть приварен или припаян к чехлу для лучшего теплового контакта и уменьшения инерционности.

Таблица 2.1. Состав термоэлектродов

Термоэлектрод	Состав	Удельное сопротивление, Ом мм^2/м.
Хромель	90% Ni + 10% Cr	0,7
Копель	56% Cu + 44% Ni	0,49
Алюмель	95% Ni + 5% (Al + Si + Mn)	0,34
Платинородий	90% Pt + 10% Rh	0,19
Платиноиродий	90% Pt + 10% Ir	0,01
Манганин	84%Cu + 13% Mn + 2% Ni + 1% Fe	0,42
Константан	60% Cu + 40% Ni	0,475
Нихром	80% Ni + 20% Cr

Электроизмерительный прибор может быть присоединен к свободному концу термопары (рис. 4, а) или к термоэлектроду (рис. 4, б). Включение соединительного проводника (показан пунктиром) не сказывается на термоЭДС, если точки соединения 1 и 2 имеют одинаковую температуру. Обычно термоЭДС сравнительно невелика и даже при измерении высоких температур не превышает 70 мВ.

Рис. 4.

Термометр сопротивления состоит из термопреобразователя сопротивления и измерительного прибора. Материалы, предназначенные для преобразователей, должны иметь большой и постоянный температурный коэффициент сопротивления. Этим требованиям отвечают платина, медь и полупроводники, которые получили наибольшее применение в термопреобразователях сопротивления.

Сопротивление – это величина, характеризующая противодействие электрической цепи (или ее участка) электрическому току.

Выбор материала для термопреобразователя сопротивления определяется рабочим диапазоном температур. Так, для меди он от -50 до +180°С. При более высокой температуре (до +600°С) применяется платина. Платиновые преобразователи термометров сопротивления выполняются из голой проволоки диаметром 0,04—0,08 мм, бифилярно намотанной на слюдяной каркас. К концам проволоки приваривают медные или серебряные выводы. Полученный элемент помещается между двумя более широкими слюдяными пластинами, стянутыми металлической лентой. Все это помещается в алюминиевую гильзу 1 (рис. 5), которая вставляется в защитную арматуру - стальную трубу 2, заваренную с одной стороны. На другой стороне трубы крепится штуцерная гайка и головка 3. В ней находится изоляционная панель с зажимами, к которым присоединяется чувствительный элемент.

Рис. 5.

Провода измерительной цепи подводятся к зажимам датчика через сальник 4. Арматура для термодатчиков выпускается различных размеров с минимальной глубиной погружения 150 мм и максимальной - 1900 мм.

Медные термопреобразователи сопротивления выполняются из изолированной проволоки, бифилярно намотанной на каркас из пластмассы, который также помещается в алюминиевую гильзу. Арматура для медных термодатчиков такая же, как для платиновых. Для измерения температуры в помещениях применяется облегченная арматура.

В качестве чувствительного элемента термопреобразователя могут быть использованы полупроводниковые терморезисторы (термисторы) в форме стержней, дисков, шайб, бусинок и пленок. Размеры их могут быть от десятых долей до десятков миллиметров.

Специфической особенностью термисторов является отрицательный температурный коэффициент сопротивления, примерно на порядок превосходящий температурный коэффициент металлов. При t =20 °С он равен - (1,5...7) 7%/⁰С. Температурная зависимость сопротивления термистора представлена на рис. 6 (кривая 2). Для сравнения на том же рисунке показана температурная характеристика медного резистора (прямая 1).

Рис 6.

Термисторы выпускаются в различных конструктивных исполнениях. Они могут быть герметизированными, что позволяет использовать их в условиях повышенной влажности и в химически активных средах. Малые размеры термисторов позволяют измерять температуру малогабаритных деталей или пространств без искажения их температурного поля. Диапазон рабочих температур серийных термисторов зависит от их типа и может быть в пределах от -100 до +300 °С.

Существенным недостатком термисторов является разброс их номинальных параметров, что затрудняет серийный выпуск приборов с их применением. Но соединяя их с добавочными резисторами, удается скорректировать их температурные характеристики и получить взаимозаменяемые датчики. Благодаря отрицательному температурному коэффициенту сопротивления термисторы применяются также для температурной компенсации некоторых элементов электрических цепей.

Датчики температуры бесконтактные. Их действие основано на использовании зависимости интенсивности и спектрального состава излучения от температуры излучающего тела. Примерами применения могут служить измерение высокой температуры в топках теплогенераторов, печей, измерение температуры поверхностей нагревательных приборов, ограждений, определение результирующей температуры в помещении и т. д.

Основные методы базируются на измерении яркостной, радиационной и цветовой температур. Датчики включают оптическую систему и приемник излучения, тип которого определяется диапазоном измеряемых температур (длиной волны излучения). На рис. 7 показана схема радиационного пирометра. Лучистый поток от тела 1 через объектив 2 фокусируется на термобатарее 3, состоящей из лепестковых термопар, работающей в комплекте с милливольтметром 4, градуированным по температуре. Для определения

Рис. 7.

суммарного эффекта влияния температуры воздуха и радиационной температуры окружающих поверхностей применяют шаровой термометр, состоящий из термодатчика (термометр, терморезистор или термопара), помещенного внутри тонкостенного полого медного шара диаметром 152 мм, окрашенного изнутри и снаружи черной матовой краской. В последнее время широко используются приборы дистанционного теплового контроля (тепловизоры), позволяющие оперативно определять поля температур на поверхностях нагретых предметов (ПТК-1 (Киев); Термовизион 780, 782 фирмы«АСА» (Швеция) и др.). Близки по принципу действия к рассмотренным актинометры, служащие для измерения интенсивности тепловой радиации.

Дата добавления: 2015-08-29