Датчики температуры

В современном промышленном производстве, научных исследование при испытаниях материалов и образцов новый техники наиболее распространенными являются измерения температуры. В диапазоне низких и средних температур используется в основном контактные методы измерения, причем наиболее широко на практике используются первичные преобразователи в виде термосопротивлений, термисторов, термопар. В настоящее время используется два вида термосопротивлений - платиновые (ТСП) и медные (ТСМ). Для указания материалов свойственны высокая стабильность температурного коэффициента сопротивления (ТКС), хорошая воспроизводимость характеристик. Наиболее дешевые ТСМ работают в диапазоне температур -50 + 180°С.

Уравнение преобразования ТСМ:

R_T =R₀(1+aT)

где

R₀ - сопротивление при 0°С,

a Температурный коэффициент сопротивления (ТКС)=4,26 × 10^-3 1/К

Т- температура в °К

По величине сопротивления ТСМ выпускаются с.

R₀ =53 Ом и R₀=100 Ом

У ТСП диапазон температур выше,они стабильнее, но значительно дороже.

Схема включения ТСМ Конструкция ТСМ

Измерение температуры поверхности

Измерение температуры газа

Зависимости сопротивления от температуры для наиболее широко используемых резистивных датчиков температуры.

Термисторы (или терморезисторы) - это термочувствительные резисторы, изготавливаемые из полупроводниковых материалов (слагаемых из смесей сульфидов, селенидов, оксидов никеля, марганца, железа, кобальта, меди,. магния, титана, урана и других металлов). Эти материалы ­­­­сформировываются в небольшие шарики (бусинки), диски, стержни (обычно герметизированные стекольной или эпоксидной смолой и шайбой).

Рассмотренные терморезисторы (термисторы) относятся к терморезисторам с так называемой положительной характеристикой есть термисторы с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), и термисторы с критической характеристикой (сопротивление резко изменяется при определенном значении температуры).Отрицательный, критический полупроводниковый термистор

Терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом используется для измерения регулируемой температуры, термокомпенсации различных элементов электрических цепей.

Есть еще с положительным температурным коэффициентом (позисторы) на основе титаната бария, легированного различными примесями, которые в определенном интервале температур увеличивают свое сопротивление на несколько порядков.

Схема включения позисторов в качестве ограничителя тока.

Для расширения линейного участка характеристики термистора параллельно и последовательно ему включаются постоянные резисторы.

Конструкция термистора.

Линеаризация функции преобразования терморезистора.

Основное эмпирическое соотношение, используемое для описания зависимости сопротивления термистора от температуры, имеет вид

где

R_{T -} сопротивление при измеряемой температуре Т(К).

R₀ - его сопротивление при известной температуре То(К).

b - параметр, зависящий от материала (обычно 298,15 К)

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) -отношение скорости изменения сопротивления при изменении при изменении температуры к значению сопротивления при нулевой мощности рассеяния.

Этот параметр - удобная характеристика чувствительности термистора.

при уменьшении температуры нелинейно возрастает (Его типичное значение -4,4%/°С при 27°C). Как видим температурные зависимости термосопротивлений носят ярко выраженный нелинейный характер. Для их спрямления используют включение в схему линеаризующего резистора, включаемого параллельно термистору.

Если составить цепь из двух различных проводников, концами соединив их между собой, причем температуру q₁ одного места соединения сделать отличной от температуры q₂ другого, то в цепи появится ЭДС, представляющая разность функций температур мест соединения проводников (Эффект Зеебека).

E(q₁ q₂)=f (q₁) - f (q₀)

Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой, а места соединений спаями (независимо получены путем спайки или сварки). Если один спай ТП, называемый рабочим (или горячим поместить в среду с температурой другого нерабочего (или холодного) спая поддерживать постоянной, то

f (q₀)=const = C, то E(q₁ q₀)=f (q₁) - С, т.е. зависит только от измеряемой температуры.

ТП перекрывают широкий диапазон температур (-270...+2500°С), хотя определенные виды ТП работают в более узком диапазоне.

В зависимости от используемых материалов различают 2 группы ТП: выполненных из неблагородных и благородных (платина) металлов.

Наиболее распространяемые термопары первой группы - выполнены из сплавов хромель-копель (ХК), хромель-алюмель (ХА), где хромель сплав хрома с никелем, копель - меди с никелем, алюмель - алюминия с никелем.

Характеристики термопар.

ТТип	Обозначение	Материалы термоэлектрообразования	Пределы измерений в градусах Цельсия	Пределы термоэлектропреобразований
ХА	ХА	Хромель-алюмель	-50-1000	0-50мВ
ХК	ХК	Хромель-копель	-50-600	0-50мВ

Схема включения термопары в измерительную цепь.

R1- для линеаризации калибровочной функции схемы.

R5-для поправки показания ТП из-за отличного от нуля холодного спая.

Мост -для автоматической поправки показаний ТП на температуру свободных концов.

Как известно при измерении температуры свободные концы термопары должны находятся при постоянной температуре. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой применяется удлиняющие провода, изготовленные из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термопар. Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов. Для благородных металлов приходится подбирать сплавы с идентичными свойствами, что очень сложно и приводит к погрешностям.

Конструкция термопары

Обозначение термопар. Тип	Металлы	Удельная термоЭДС [ мкВ/°С]
Е	хромель - константан
J	железо - константан
K	хромель - алюмель
R	платина - платина+13% родия
S	платина - платина+10% родия
T	медь - константан

ТермоЭДС в мВ

Термометры на p-n - переходах.

Эффект зависимости свойств pn - переходов от температуры, нежелательный в большинстве применений,можно с успехом использовать для ее измерения. Датчики на pn - переходах характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от t, но как и всякие полупроводниковые устройства работают только в ограниченном интервале температур.

Диодный термометр.

Прямой ток полупроводникового диода.

где

I - ток,

V - критическое напряжение на p-n переходе.

I₀ - обратный ток насыщения при отрицательном V.

Обратный ток I₀ не зависит от V, является тепловым током, зависящим

от температуры и равен 0 при абсолютной 0 К.

k - постоянная Больцмана.

q - величина заряда электрона.

а)

где М - некоторая независящая от T константа

E_q - ширина запрещенной зоны в кремнии при Т=0°К.

Согласно а) напряжение на диоде линейно зависит от T

и окончательно:

Для измерения температуры полупроводниковый диод включается в прямом направлении, чем меньше стабилизированный ток через него, тем больше крутизна характеристики и чувствительнее термометр.

Часто в качестве термодатчика используют в качестве p-n - перехода - переход база-эмиттер транзистора.

Диоды обладают лучшей чувствительностью и линейностью, но меньшим рабочим диапазоном по сравнению с термопарными и резисторными термометрами.

В литературе описан диодный термометр на GaAs, обеспечивающий точность 0,,002 °К в интервале температур 14 - 300 °K.

Схема включения термометра на транзисторе, где датчиком служит его переход база-эмиттер

Важной характеристикой термодатчика является его постоянная времени, которая определяется как время, необходимое, чтобы указанная, например, термистором, температура изменялась на 63.2% от разности между его первоначальной температурой и новой измеряемой температурой.Тепловая постоянная в термодинамике, дается в % к конечному значению.

Как правило, чем меньше тепловой датчик, тем меньше его постоянная времени. Постоянная времени для термопары обычно меньше (550мс), чем для диода и транзистора (10с) или интегральные микросхемы (1 минута), используемые в качестве датчиков температуры.

Термопара с открытым контактом, полученным сваркой встык провода диаметром 25 мкм, имеет постоянную времен 3мс. Постоянная времени увеличивается при увеличении диаметра провода и защитной оболочки. Тепловая постоянная зависит от конкретной компановки измерительной схемы с точки зрения эффективности теплопередачи и от характеристик окружающей среды.