4. Аналоговые датчики

4.4.4. Датчики температуры

Зависимость свойств многих материалов от температуры не всегда является недо-"татком - из таких материалов изготавливаются датчики температуры. Конструк-шя выбирается таким образом, чтобы усилить температурную зависимость какой-либо электрической характеристики. Эта зависимость, как правило, является нелинейной, что создает дополнительные трудности при ее воспроизведении. Обычно применяются три типа датчиков температуры:

- тер.моэлементы;

- резистивные детекторы температуры;

- термисторы.

Пример 4.4 Термоэлементы

Первый термоэлемент был создан в 1887 году французским учены.м Ле Ша-телье (1е Chatelier). В термоэлементе две точки контакта А и В соединены двумя параллельны.ми проводами, выполненными из разных металлов (например, алю.мииий и медь). Таким образом создается замкнутая цепь (рис. 4.14).

А1 Си

в С

Рис. 4.14. Принцип работы термоэлемента. Если температуры точек А и В различаются, то ио замкнутой цепи циркулирует ток. На правом рисунке показана реальная цепь для измерения этого тока. Точка А соответствует "горячему" спаю, а В и С - холодному. Точки В и С должны иметь одинаковую температуру

До тех пор пока температуры в точках А и В одинаковы, ток в цепи не протекает. Если температуры в точках А и В отличаются, то по цепи начинает протекать .электрический ток. Это явление называется термоэлектрическим эффектом или эффектом Сибека (Seebeck), по имени открывшего его в 1821 году исследователя. Эта так называемая тер.моэлектродвижущая сила увеличивается как функция разности температур. Возникающее напряжение лежит в пределах нескольких милливольт, что требует применения дополнительной очень чувствительной - и поэтому сравнительно дорогостоящей - электронной измерительной аппаратуры. Из-за низкого уровня сигнала следует тщательно выбирать процедуру передачи и соединительные провода. Необходимо иметь в виду, что термоэлемент измеряет разность температур, а не ее абсолютное

значение, поэтому температура одного из контактов должна быть известна с высокой точностью. Для различных те.мпературных диапазонов используются разные сочетания металлов. Термоэлементы весьма надежны и недороги, и.меют .малую теплоемкость и способны работать в широком диапазоне температур.

Международная электротехническая комиссия (МЭК, International Electrotechnical Commission - IEC) определила некоторые стандартные типы термоэлементов (стандарт IEC 584-1). Элементы и.меют индексы R, S, В, K,J, Е, Т в соответствии с диапазоно.м измеряемых те.мператур.

Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивленил т. е. с увеличение.м температуры сопротивление проводника растет. Это свойствоис-1юльзуется в резистивных детекторах температуры.

Пример 4.5

Резистивный детектор температуры

Резистивные детекторы температуры (resistance temperature detector -RTD) обычно выполняются из платиновой проволоки. Сопротивление является практически линейной функцией температуры Т(°С) при опорно.м значении Tq = О °С. Отношение сопротивления R при температуре Г к сопротивлению Rq при опорной температуре Tq можно выразить как

T+b-T +

где а - .это температурный коэффициент сопротивления и 6 - положительная или отрицательная постоянная (рис. 4.15). Для платины типичны.ми значени-

ями параметров являются а = 0.004 [°С ] и 6 = 0.59 • 10" ["С"]

Рис. 4.15. Температурная характеристика сопротнвлепия резистивного детектор температуры и термистора

Существуют RTD для набора стандартных сопротивлений. Наиболее часто используемый тип имеет сопротивление 100 Ом при опорной температуре О °С или 273 К; у него есть собственное и.мя - Pt-100.

Датчики типа RTD имеют весь.ма низкую чувствительность, и любой ток г, используемый для определения из.менения сопротивления, будет нагревать датчик, из.меняя его показания на величину, пропорциональную г". Выходное сопротивление чап1е всего измеряется мостовы.ми схе.ма.ми.

Пример 4.6 Термистор

Термистор {thermistor), т. е. те.мпературно-зависимый резистор, изготавливается из полупроводникового .материала, и.меющего отрицательный те.мпера-турный коэффициент и высокую чувствительность. Его сопротивление нелинейно зависит от температуры

где Г - температура в градусах Кельвина, Rq - сопротивление при опорной температуре (обычно 298 К, т. е. 25 °С ), а Р - постоянная (обычно 3000-,5000 К). Наклон кривой /?-Г(рис. 4.15) соответствует температурному коэффициенту а, который, в свою очередь, является функцией температуры

J d{R/R) -b

{R/Rq) dr Г2

Значение коэффициента a обычно лежит в диапазоне от -0.03 до -0.06/С ~ при 2.5 °С (298 К).

Из-за конечного сопротивления тер.мистора при протекании по нему тока выделяется тепло. Энергия, выделяемая в тер.мисторе при 25 °С, имеет обычно порядок 0.002 мВт. При постоянной рассеяния около 1 мВт/°С температура датчика будет повьпиаться на 1 °С (на воздухе) на каждый .милливатт рассеиваемой мощности.

Термистор не является точным датчико.м температуры. Однако, благодаря своей чувствительности, ои используется для измерений .малых отклонений температуры. Это устройство довольно надежно как .механически, так и электрически. Нелинейное выходное напряжение тер.мистора должно быть преобразовано в линейную зависимость от температуры. Это .можно сделать с помощью аналогового устройства или програм.мным способо.м. Программны.ми средства.ми можно иепосредственио задать градуировочпую таблицу или функцию, обратную характеристике термистора. Линейность характеристики .можно получить, присоединив к тер.мистору несложные электронные устройства. Тер.мисторы применяются для из.мерения температур вплоть до 500-600 °С.

4.4.5. Измерение расхода

Из.мерение расхода (floTn rate) играет жизненно важную роль в промышленности. Несмотря на большую потребность в качественных датчиках расхода, точность этих