Пояснения к работе

1. Общие сведения

В лабораторной работе исследуются следующие датчики температуры:

Биметаллический термостат (терморегулятор) ТК24-00-1-57/15; термопара ETP-01A;

платиновый терморезистор Honeywell HEL 775-A-U-0;

кремниевый терморезистор (термистор) Honeywell TD5A; интегральный датчик Analog Device LM335;

инфракрасный пирометр Melexis MLX90247-ESF-DSA;

Теоретический материал, посвященный описанию принципов работы датчиков температуры, а также технические характеристики используемых в лабораторной работе датчиков приведены в Приложении 2.

2. Описание лабораторной установки для изучения датчиков температуры

Прежде, чем приступить к экспериментальному исследованию датчиков температуры, необходимо ознакомиться с принципом их действия и схемой подключения. Необходимо также изучить назначение элементов стенда.

Зона для изучения датчиков температуры лабораторного стенда представлена на рис. 1. Данная зона представляет собой блок регулятора температуры фирмы OMRON с выходными клеммами, поле для установки минимодулей с изучаемыми датчика температуры с входными клеммами для подключения управляющего выхода регулятора температуры. В центре поля для датчиков температуры расположена подпружиненная эталонная термопара, подключенная к входу регулятора температуры. На минимодулях с датчиками расположены клеммы для снятия характеристик изучаемых датчиков с помощью мультиметра.

Питание датчиков 5 В и питание регулятора температуры 24 В осуществляется через внутренние цепи от импульсного источника питания.

Рис. 1. Зона для экспериментального исследования датчиков температуры

На рис.2 представлен внешний вид минимодулей, в которых расположены изучаемые датчики.

+Нагр	+5	+Нагр	+5

а)	-Нагр	GND	б)	-Нагр	GND
	+Нагр			+Нагр	+5
в)	-Нагр		г)	-Нагр	GND
Рис. 2. Внешний вид минимодулей с изучаемыми датчиками:
термопара и интегральный датчик (а), термостат (б),
платиновый и кремниевый терморезисторы (в), пирометр (г)

3. Проверка работоспособности экспериментальной установки

Для проверки работоспособности необходимо:

- подключить сетевой кабель к разъему СНП на моноблоке ДТИ, с помощью соединительных проводов соединить выходные клеммы блока «Регулятор температуры» с входными клеммами поля «Датчики температуры»;

- установить любой из минимодулей (желательно термопару и интегральный датчик) в гнезда соответствующего поля;

- включить тумблер SA1. Кнопочным переключателем SA3 включить регулятор температуры, наблюдать изменение текущей температуры нагревательного элемента на экране регулятора температуры. Кроме того, при подключении клемм, расположенных на крышке минимодуля к мультиметру, работающему в режиме измерения постоянного напряжения (термопара, пирометр или интегральный датчик) или в режиме измерения сопротивления (терморезисторы), можно наблюдать изменение значения напряжения и сопротивления.

- выключить кнопочный переключатель SA3; выключить тумблер питания моноблока SA1.

Внимание! Перед проведением лабораторной работы изучения датчиков температуры, необходимо нанести немного термопасты на кончик подпружиненной эталонной термопары для снятия более точных характеристик датчиков температуры.

4. Экспериментальное определение характеристик датчиков температуры

4.1. Снятие и построение градуировочной характеристики термопары Для снятия градуировочной кривой термопары необходимо установить в

поле «Датчики температуры» минимодуль с изучаемой термопарой. К ее выходам подключить мультиметр, работающий в режиме измерения постоянного напряжения до 200 мВ. Изменяя с помощью регулятора температуры температуру нагревательного резистора, фиксировать значения на дисплее мультиметра через каждые 5 °С. Данные занести в табл. 1.

Таблица 1

T, °C

e,мВ

4.2. Снятие и построение экспериментальной характеристики платинового терморезистора

Для снятия экспериментальной характеристики платинового терморезистора необходимо установить в поле «Датчики температуры»

минимодуль с изучаемым датчиком. К его выходам подключить мультиметр, работающий в режиме измерения сопротивления до 2 кОм. Изменяя с помощью регулятора температуры температуру нагревательного резистора фиксировать значения на дисплее мультиметра через каждые 5 °С. Данные занести в табл. 2.

Таблица 2

T, °C

U,В

Построить на одном графике экспериментальную и табличную статические характеристики (Прил. 2) изучаемого датчика и оценить основные погрешности.

4.3. Снятие и построение экспериментальной характеристики полупроводникового терморезистора.

Для снятия экспериментальной характеристики полупроводникового терморезистора необходимо установить в поле «Датчики температуры» минимодуль с изучаемым датчиком. Эксперимент проводить аналогично 4.2. Данные занести в табл. 3.

Таблица 3

T, °C

U,В

Построить на одном графике экспериментальную и табличную статические характеристики (Прил. 2) изучаемого датчика и оценить основные погрешности.

4.4. Снятие и построение экспериментальной характеристики интегрального датчика температуры

Для снятия экспериментальной характеристики интегрального датчика температуры необходимо установить в поле «Датчики температуры» минимодуль с изучаемым датчиком. Мультиметр перевести в режим измерения напряжения до 20 В. Эксперимент проводить аналогично 4.2. Данные занести в табл. 4.

Таблица 4

T, °C

U,В

Построить на одном графике экспериментальную и табличную статические характеристики (Прил. 2) изучаемого датчика и оценить основные погрешности.

4.5. Снятие и построение экспериментальной характеристики инфракрасного пирометра.

Для снятия экспериментальной характеристики инфракрасного пирометра необходимо установить в поле «Датчики температуры» минимодуль с изучаемым датчиком. Мультиметр перевести в режим измерения напряжения до 20 В. Эксперимент проводить аналогично 4.2. Данные занести в табл. 5.

Таблица 5

T, °C

U,В

Построить на одном графике экспериментальные статические характеристики изучаемого датчика и оценить основные погрешности.

5. Требования к отчёту

Отчет должен содержать: а) цель работы;

б) основные технические характеристики исследуемых датчиков; в) экспериментальные данные, расчётные значения требуемых параметров и

графиков по каждому из проведенных экспериментов; г) анализ полученных экспериментальных данных, сравнение полученных

данных с паспортными, выводы.

6. Контрольные вопросы

1. Каков принцип работы биметаллического термостата, основные преимущества и недостатки таких датчиков?

2. Каков принцип работы термопары, основные преимущества и недостатки таких датчиков?

3. Каков принцип работы металлического и полупроводникового терморезисторов, их отличия, основные преимущества и недостатки таких датчиков?

4. Каков принцип работы инфракрасного пирометра, основные преимущества и недостатки таких датчиков?

5. Назовите температурные диапазоны работы каждого из изучаемых датчиков, какие факторы обуславливают эти границы?

6. Какова предпочтительная область применения каждого из датчиков, представленных в лабораторной работе?

7. Назовите основные элементы стенда, необходимые при проведении лабораторной работы по изучению датчиков температуры.

8. Опишите порядок проведения лабораторной работы.

Приложение 2. Датчики температуры

Термостат представляет собой обычный тип температурных преобразователей с замыкающим или размыкающим одним или несколькими электрическим контактами, определяющими прохождение определенной температурной точки. Такой прибор реализует дискретный способ восприятия температуры. Термостаты наиболее широко используются там, где необходимо контролировать чтобы температура не превышала некоторого значения или не опускалась ниже установленного уровня. В конструкцию термостата входит биметаллический чувствительный элемент, в котором два металла с различными коэффициентами температурного расширения механически соединены друг с другом в виде ленты или полоски. При изменении температуры среды длина каждого слоя металла изменяется различным образом и лента или полоска изгибается, замыкая электрический контакт. Технические характеристики биметаллического термостата, работа которого исследуется в данной лабораторной работе, приведены в табл. П2.1.

	Таблица П2.1
Характеристика	Значение
Напряжение коммутируемой цепи, не более, В	~250
Номинальный ток при cos ф=1,0/0,6 не более, А	16/10
Число срабатываний при макс. токе 16/25 А и cos ф=1,0 не	30000/2500
менее
Температура срабатывания, °С
Погрешность температуры срабатывания, не более, °С	±3; ±6; ±10
Температура возврата ниже точки настройки °С	15 ± 5;
Переходное сопротивление не более, Ом	0,05
Электрическая прочность не менее, В
Сопротивление изоляции не менее, Мом
Степень защиты термоограничителя	IP4x

Термопары являются наиболее распространенными датчиками вследствие простоты своей конструкции. Термопара представляет собой два спаянных проводника из разнородных металлов, например, из железа и меди или их сплавов. Материалом для ТП могут служить и благородные металлы, такие как платина и ее сплавы с родием. Для измерения температуры в несколько тысяч градусов используются вольфрам и рений. Если спаи имеют разную температуру Т _ГС и Т _ХС, то в цепи будет протекать термоэлектрический ток – эффект Пельтье. Один из спаев, размещаемый на объекте, называется горячим (ГС), а второй – холодным (ХС). При размыкании цепи (рис. П2.1) на концах проводников А и В возникает термоЭДС Е _ТП, которая пропорциональна разности функций температур ГС и ХС:

Е _ТП= Е _АВ(Т _ГС) - Е _АВ(Т _ХС) = Е _АВ(Т _ГС) + Е _ВА(Т _ХС).

Рис. 2. К принципу действия термопары

Для достижения максимальной точности измерения температуры с помощью термопар используются специальные таблицы наиболее распространенных типов термопар, в которых разность температур (измеряемой относительно 0°С) сопоставляется со значениями генерируемой ЭДС. В табл. П2.2 представлены наиболее распространенные типы термопар и металлы, из которых они состоят

			Таблица П2.2
Тип	Первичная	Вторичная	Диапазон измеряемых
термопары	обмотка	обмотка	температур, °С
E	Хромель	Константан	0–600
J	Железо	Константан	-100–850
K	Хромель	Алюмель	-200–1300
R	Платина	Платинородий	0–1700
S	Платина	Платинородий	0–1700
T	Медь	Константан	-200–400

Поддержание температуры холодных спаев равной 0°C является сложной задачей. Использование для этого ванны с тающим льдом, как это рекомендовалось в старых учебниках, в большинстве практических случаев неприемлемо. Использование активных термостатов, поддерживающих холодные спаи при повышенной (порядка 60°C) температуре, повышает энергопотребление измерительной аппаратуры, приводит к появлению дополнительных помех и необходимости переградуировки. Поэтому на практике обычно производится компенсация температуры холодных спаев аппаратными или программно-аппаратными средствами.

Аппаратные средства предусматривают включение в измерительную цепь последовательно с ТП мостовой схемы (рис. П2.3), которая рассчитывается таким образом, что при 0°C выходной сигнал мостовой схемы равен 0. С повышением температуры холодных спаев сигнал Е _ТП уменьшается на Е _ТП = Е _ТП

– Е’ _ТП (рис. 2), а напряжение мостовой схемы возрастает до U _М = Е _ТП. В этом

случае выходной сигнал измерительной схемы Е _ТП остается постоянным и не зависит от изменения температуры холодных спаев.

Аппаратно-программный метод предусматривает, что:

в районе холодных спаев ТП помещается ТС;

измеряется R _ГС и по его значению определяется температура Т _ХС;

по градуировочной характеристике определяется Е _ТП, соответствующая температуре Т _ХС;

восстанавливается значение Е _ТП = Е’ _ТП +Δ Е _ТП; по градуировочной характеристике определяется температура горячего

спая – Т _ГС.

Подобный алгоритм, заложенный в ЭВМ, позволяет достаточно быстро и при малых аппаратных затратах скомпенсировать Т _ГС. Он широко применяется в настоящее время.

Для усиления сигналов ТП применяются измерительные усилители. Поскольку максимальный сигнал ТП составляет от 15 мВ до 50 мВ, то коэффициент усиления должен быть порядка 100…1000. К усилителю, прежде всего, предъявляется требование низкого уровня напряжения смещения U см и температурного коэффициента ТК дрейфа нулевого уровня, малых входных токов, высокого входного сопротивления, подавления синфазных помех.

Рис. П2.3. Аппаратный метод компенсации влияния температуры ХС

Термопары изготавливаются в виде зондов или двух проволочек из термопарных материалов, спаянных вместе на тонком кончике.

Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы называют также термометрами сопротивления или термосопротивлениями. Они применяются для измерения температуры в широком диапазоне от -270 до 1600 °С. Если терморезистор нагревать проходящим через него электрическим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Так как интенсивность теплообмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой находится терморезистор, от скорости перемещения

терморезистора относительно газовой или жидкой среды, то терморезисторы используются и в приборах для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы. Металлические терморезисторы изготовляют из чистых металлов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и вольфрама. Для большинства чистых металлов температурный коэффициент электрического сопротивления составляет примерно (4—6,5) • 10~3 1/°С, т. е. при увеличении температуры на 1 °С сопротивление металлического терморезистора увеличивается на 0,4—0,65 %. Наибольшее распространение получили медные и платиновые терморезисторы. Хотя железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температурный коэффициент сопротивления, чем медные и платиновые, однако применяются они реже. Дело в том, что железо и никель сильно окисляются и при этом меняют свои характеристики. Вообще добавление в металл незначительного количества примесей уменьшает температурный коэффициент сопротивления. Сплавы металлов и окисляющиеся металлы имеют низкую стабильность характеристик. Однако при необходимости измерять высокие температуры приходится применять такие жаропрочные металлы, как вольфрам и молибден, хотя терморезисторы из них имеют характеристики, несколько отличающиеся от образца к образцу.

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:

где С – постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров проводника; α – температурный коэффициент сопротивления; е – основание натуральных логарифмов.

После разложения функции вида е^х в степенной ряд получается выражение для расчета сопротивления при температуре Т через начальное сопротивление при Т ₀:

Для платиновых терморезисторов, которые применяются в более широком диапазоне температур, чем медные, следует учитывать зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры. Для этого берется не два, а три члена разложения в степенной ряд функции е^х. Таким образом, в диапазоне температур от -50 до 700 °С достаточно точной является формула

где для платины α = 3,94∙10^-3 1/°С, β = 5,8∙10^-7 (1/°С)².

Широкое применение в автоматике получили полупроводниковые терморезисторы, которые для краткости называют термисторами. Материалом для их изготовления служат смеси оксидов марганца, никеля и кобальта; германий и кремний с различными примесями и др. По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые имеют меньшие

размеры в большие значения номинальных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший температурный коэффициент сопротивления (до -6∙10^-2 1/°С). Но этот коэффициент — отрицательный, т. е. при увеличении температуры сопротивление термистора уменьшается. Существенный недостаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с металлическими – непостоянство температурного коэффициента сопротивления. С ростом температуры он сильно падает, т. е. термистор имеет нелинейную характеристику. Вследствие этого термисторы используются для измерения температур в диапазоне от -50 до 300°С.

При массовом производстве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко уменьшается с ростом температуры. Их чувствительность значительно выше, чем металлических, поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезистопов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов α = (4…6)∙20^-3 1/°С, то для полупроводниковых терморезисторов |α| > 4∙10^-2 1/°С. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от температуры и им редко пользуются при практических расчетах.

Основной характеристикой терморезистора является зависимость его сопротивления от абсолютной температуры Т:

где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров термистора; В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника; е — основание натуральных логарифмов.

В табл. П2.3 приведены основные технические данные изучаемых в лабораторной работе терморезисторов (платинового и полупроводникового)

Схема включения терморезисторов и градуировочные кривые представлены на рис. П2.4 и рис. П2.5 соответственно.

					Таблица П2.3
			Терморезистор	Термистор
Характеристика		Honeywell
	Honeywell HEL 775
			TD5A
Диапазон измеряемых температур, °С		-75…+540		-40…+150
Базовое сопротивление при +20 °С, Ом
Постоянные	А, °С^-1		/3,81·10^-3		3,84·10^-3
	В, °С^-2		/-6,02·10	-7	4,94·10^-6
	С, °С^-4		/-6,0·10	-12	-
	α, °С^-1		0,00375		-

	β, °С	0,16	-
	δ, °С	1,605 ± 0,009	-
Погрешность		0,2% от полной шкалы	1 Ом
Точность измерения, °С	0,5	0,7
Время отклика, с	0,5
Линейность характеристики, %	0,1	-

Рис. П2.4. Стандартная схема включения терморезисторов (мост Уитстона)

а) б)

Рис. П2.5. Градуировочные кривые а) терморезистора Honeywell HEL 775

и б) термистора Honeywell TD5A

Функциональные зависимости сопротивления датчиков от температуры представлены ниже:

для платинового терморезистора – R_T=R₀(1+AT+BT²-100CT³+CT⁴)

для термистора – R_T=R₀(1+AT+BT²).

Здесь R_T – сопротивление датчика при температуре T, Ом; R0 – сопротивление при 0 °С, Ом; T – значение температуры, °С.

Пирометр – это бесконтактный первичный измерительный преобразователь температуры, который определяет энергию излучения тела. Исходя из физических принципов работы, все физические тела излучают меньшую энергию, чем черное тело, пирометры показывают температуру более низкую, чем действительная температура нагретого тела.

В общем случае пирометр представляет собой систему, включающую в себя:

совокупность оптических линз для фокусировки энергии излучения на преобразующем элементе;

преобразующий элемент для восприятия энергии излучения электронная схема для сопряжения преобразующего элемента с внешними

цепями.

По принципу действия пирометры делятся на оптические (монохроматические) и радиационные (полного излучения). В оптических пирометрах сравнивается яркость излучения определенной дины волны нагретого тела, температура которого измеряется, и накала нити специальной фотометрической лампы, встроенной в прибор. Сравнение интенсивностей происходит после пропускания излучения через красный светофильтр.

Действие пирометров полного излучения основано на фокусировке теплового излучения тела с помощью оптической системы в месте расположения преобразующего элемента (рис. П2.6). Количество энергии, исходящей от тела, зависит от его температуры и излучающей способности (неизменна и определяется свойствами материала излучающего тела). Кроме того излучение, достигающее пирометра, не зависит от расстояния до него (при условии, что поверхность тела полностью заполняет область видения пирометра)

Рис. П2.6. Принцип действия радиационного пирометра

Преобразующий элемент пирометра может быть выполнен в форме любого из рассмотренных ранее преобразователей температуры (термопара, терморезистор).

Поскольку пироэлектрические детекторы воспринимают температуру дистанционно (без физического контакта), то они могут использоваться для обнаружения того или иного тела, образуя основу детекторов наличия или приближения предметов.

В табл. П2.4 представлены основные технические характеристики изучаемого в работе пирометра Melexis MLX90247-ESF-DSA, а на рис. П2.7 изображена его принципиальная схема и схема включения в цепь операционного усилителя для получения унифицированного сигнала.

	Таблица П2.4
Характеристика	Инфракрасный
пирометр
Напряжение питания, В
Диапазон измеряемых температур, °С	-70…+380
Тип термопреобразователя	термопара
Базовое сопротивление при +20 °С, кОм
Точность измерения, °С	0,5
Разрешающая способность, °С	0,02

Рис. П2.7. Принципиальная схема пирометра Melexis MLX90247-ESF-DSA и схема его включения в цепь операционного усилителя

Интегральный датчик температуры объединяет в себе первичный преобразователь температуры и схему для преобразования и усиления сигнала. Наиболее распространенными датчиками такого типа являются датчики. выпускаемые фирмой Analog Devices серии LM. В табл. П2.5 представлены технические характеристики представителя данного семейства LM335. На рис. П2.8 представлена принципиальная схема датчика.

	Таблица П2.5
Характеристика	Значение
Напряжение питания, В
Диапазон измеряемых температур, °С	-55…+150
Базовое напряжение при +0 °С, В	2,73
Точность измерения, °С	±2,7
Разрешающая способность, мВ/°С
Линейность, °С	0,5

Рис. П2.8. Принципиальная схема датчика LM335

Перечень литературы

1. Агеев О.А., и др. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин: Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. – 153 с.

2. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. – М.: Машиностроение, 1965. – 928 с.

3. Алтухов А.М. и др. Элементы автоматических систем контроля. – М.:

4. Энергия, 1967. – 340 с.

5. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер.

6. англ. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 144 с.

7. Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. – М.: Мир, 1989. – 196 с.

8. Геращенко О.А., Федоров В.Г. Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство. – Киев: Наукова Думка, 1965. – 304 с.

9. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. – М.: Техносфера, 2007. – 384 с.

10. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов / Н.Н.Евтихиев, Я.А.Купершмидт, В.Ф.Папуловский, В.Н.Скугоров; Под общ. ред. Н.Н.Евтихиева. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.

11. Келим Ю. М. Типовые элементы систем автоматического управления. Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2002. – 384 с.

12. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. – 320 с.

13. Мухин В.С., Саков И.А. Приборы контроля и средства автоматики тепловых процессов: учеб. Пособие для СПТУ. – М.: Высш. Школа, 1988. – 256 с.

14. Панев Б.И. Электрические измерения: Справочник (в вопросах и ответах). – М.: Агропромиздат, 1987. – 224 с.

15. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник М.: Техносфера, 2005.

– 592с.

16. Шишмарёв В.Ю. Автоматизация технологических процессов: Учеб. Пособие М.:Академия 2005.–352с.

17. Siemens. Basics of Sensors. Industrial Automation Sensors. Siemens AG 2006. – 112c.

18. Shell R.L., Hall E.L. Handbook of Industrial Automation. NY.: Marcell Decker 2000. – 857c.

Дата добавления: 2015-07-26