Файл: Реферат по дисциплине Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники.docx
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 54
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра промышленной электроники
Реферат
по дисциплине «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники»
Термопреобразователи. Датчики температуры
Студент гр. з-М62
Каштанов В.Ю
Томск 2022
СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................................................................... 3
Виды датчиков температуры, по типу действия .............................................. 4
Термопреобразователи......................................................................................... 8
Принцип преобразования ……………………………….........…………............9
Виды термопреобразователей ............................................................................. 9
Список литературы ............................................................................................. 12
Введение
Большинство технологических процессов идет сейчас по пути автоматизации. Кроме того, управление многочисленными механизмами и агрегатами, а зачастую и машинами просто немыслимо без точных измерений всевозможных физических величин. Не маловажными являются измерение давления, измерение угловой скорости, а также линейной и многие-многие другие. Но самыми распространенными (около 50%) являются температурные измерения.
Так как диапазон измерений и их условия могут сильно отличатся друг от друга, разработаны разные по точности, помехоустойчивости и быстродействию типы датчиков (и первичных преобразователей). Какого бы типа не был температурный датчик, общим для всех является принцип преобразования. А именно: измеряемая температура преобразуется в электрическую величину (как раз за это и отвечает первичный преобразователь). Это обусловлено тем, что электрический сигнал просто передавать на большие расстояния (высокая скорость приема-передачи), легко обрабатывать (высокая точность измерений) и, наконец, быстродействие.
Виды датчиков температуры, по типу действия
Терморезистивные термодатчики
Терморезистивные термодатчики — основаны на принципе изменения электрического сопротивления (полупроводника или проводника) при изменении температуры. Разработаны они были впервые для океанографических исследований. Основным элементом является терморезистор — элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды.
Несомненные преимущества термодатчиков этого типа — это долговременная стабильность, высокая чувствительность, а также простота создания интерфейсных схем.
На изображении приведен датчик 702-101BBB-A00, диапазон измерения которого от -50 до +130 °С. Этот датчик относиться к группе кремневых резистивных датчиках (что это такое читайте двумя абзацами ниже). Обратите внимание, на его размеры. Производит этот датчик фирма Honeywell International
В зависимости от материалов, используемых для производства терморезистивных датчиков различают:
Резистивные детекторы температуры(РДТ)
Эти датчики состоят из металла, чаще всего платины. В принципе, любой металл изменяет свое сопротивление при воздействии температуры, но используют платину так как она обладает долговременной стабильностью, прочностью и воспроизводимостью характеристик. Для измерений температур более 600 °С может использоваться также вольфрам. Минусом этих датчиков является высокая стоимость и нелинейность характеристик.
Кремневые резистивные датчики
Преимущества этих датчиков —хорошая линейность и высокая долговременная стабильностью. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.
Термисторы
Эти датчики изготавливаются из металл-оксидных соединений. Датчики измеряет только абсолютную температуру. Существенным недостатком термисторов является необходимость их калибровки и большой нелинейностью, а также старение, однако при проведении всех необходимых настроек могут использоваться для прецизионных измерений.
Полупроводниковые
В качестве примера изображен полупроводниковый датчик температуры LM75A, выпускаемый фирмой NXP Semiconductors. Диапазон измерений этого датчика от -55 до +150.
Полупроводниковые датчики регистрируют изменение характеристик p-n перехода под влиянием температуры. В качестве термодатчиков могут быть использованы любые диоды или биполярные транзисторы. Пропорциональная зависимость напряжения на транзисторах от абсолютной температуры (в Кельвинах) дает возможность реализовать довольно точный датчик.
Достоинства таких датчиков — простота и низкая стоимость, линейность характеристик, маленькая погрешность. Кроме того, эти датчики можно формировать прямо на кремневой подложке. Все это делает полупроводниковые датчики очень востребованными.
Пирометры
Пирометры – бесконтактные датчики, регистрирующие излучение, исходящее от нагретых тел. Основным достоинством пирометров (в отличие от предыдущих температурных датчиков) является отсутствие необходимости помещать датчик непосредственно в контролируемую среду. В результате такого погружения часто происходит искажение исследуемого температурного поля, не говоря уже о снижении стабильности характеристик самого датчика.
Различают три вида пирометров:
1. Флуоресцентные
При измерении температуры посредством флуоресцентных датчиков на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить, наносят фосфорные компоненты. Затем объект подвергают воздействию ультрафиолетового импульсного излучения, в результате которого возникает после излучение флуоресцентного слоя, свойства которого зависят от температуры. Это излучение детектируется и анализируется.
2. Интерферометрические
Интерферометрические датчики температуры основаны на сравнении свойств двух лучей – контрольного и пропущенного через среду, параметры которой меняются в зависимости от температуры. Чувствительным элементом этого типа датчиков чаще всего выступает тонкий кремниевый слой, на коэффициент преломления которого, а, соответственно, и на длину пути луча, влияет температура.
3. Датчики на основе растворов, меняющих цвет при температурном воздействии
В этом типе датчиков-пирометров применяется хлорид кобальта, раствор которого имеет тепловую связь с объектом, температуру которого необходимо измерить. Коэффициент поглощения видимого спектра у раствора хлорида кобальта зависит от температуры. При изменении температуры меняется величина прошедшего через раствор света.
Акустические
Акустические термодатчики – используются преимущественно для измерения средних и высоких температур. Акустический датчик построен на принципе того, что в зависимости от изменения температуры, меняется скорость распространения звука в газах. Состоит из излучателя и приемника акустических волн (пространственно разнесенных). Излучатель испускает сигнал,
который проходит через исследуемую среду, в зависимости от температуры скорость сигнала меняется и приемник после получения сигнала считает эту скорость.
Используются для определения температур, которые нельзя измерить контактными методами. Также применяются в медицине для неинвазивных (без операционного проникновения внутрь тела больного) измерения глубинной температуры, например, в онкологии. Недостатками таких измерений является то, что при прикосновении они могут вызывать ответные физиологические реакции, что в свою очередь влечет искажение измерения глубинной температуры. Кроме того, могут возникать отражения на границе «датчик-тело», что также способно вызывать погрешности.
Пьезоэлектрические
В датчиках этого типа главным элементов является кварцевый пьезорезонатор.
Как известно пьезоматериал изменяет свои размеры при воздействии тока (прямой пьезоэффект). На этот пьезоматериал попеременно передается напряжение разного знака, от чего он начинает колебаться. Это и есть пьезорезонатор. Выяснено, что частота колебаний этого резонатора зависит от температуры, это явление и положено в основу пьезоэлектрического датчика температуры.
Термопреобразователи.
Термопреобразователь представляет собой устройство для измерения показаний температуры, состоящее из 1-го или 2-х термочувствительных элементов сопротивления, изготовленных из металлической проволоки или пленки, и соединительных проводов в защищенном герметичном корпусе. Устройство данного типа имеет внешние клеммы или провода, обеспечивающие подключение к другим измерительным приборам.
Термопреобразователи используются в качестве первичных измерительных приборов температуры среды (жидкой, сыпучей, газообразной) в АСУ (автоматизированных системах управления) частных и производственных объектов. Приборы широко применяются в теплосчетчиках, холодильной и климатической технике, в машиностроительной, металлургической и прочих отраслях промышленности.
Виды термопреобразователей
Основными видами устройств измерения являются приборы термосопротивления (ТС) и термопары (ТП). Чаще всего данные устройства применяются из следующих металлов:
-
Медь — ТСМ -
Платина — ТСП -
Никель — ТСН,
Датчики ТСМ чаще всего имеют градуировку 50М и 100 М. Градуировка платиновых термопреобразователей выглядит следующим образом - 50П, 100П, Pt100, Pt500 и пр., например, термопреобразователь сопротивления ТС 125-50М для теплосчетчика ВИС.Т имеет номинальную статистическую характеристику 50М, что соответствует показателю сопротивления 50 Ом при 0°С.
Принцип преобразования
Согласно ГОСТ 16263—70, измерительный преобразователь является средством измерения, служащим для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и(или) хранения, но не предназначенной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительный преобразователь с высокой точностью реализует однозначную функциональную зависимость между двумя физическими величинами y=f(x)tгде х=х(t) и y=y(t)—сигналы на входе и выходе измерительного преобразователя. Принципы построения измерительных преобразователей могут быть рассмотрены со следующих точек зрения:
— структурная организация измерительных преобразователей;
— характер преобразования сигнала на входе преобразователя;
— тип интерфейса для включения измерительного преобразователя в систему управления;
— технология изготовления функциональных элементов преобразователей и их конструктивное исполнение.
С
точки зрения структурной организации измерительные преобразователи могут быть построены в виде каскадного или последовательного, дифференциального логометрического и компенсационного соединения. В зависимости от вида входного сигнала (постоянный или переменный ток и напряжение, изменение сопротивления или индуктивности) измерительные преобразователи строятся по различным принципам измерения: по принципам выпрямителя, фазометрического преобразователя, статической автокомпенсации, емкостному принципу, принципу прохождения стрелки через «нуль», с использованием генератора с кварцевой стабилизацией частоты и др., например, для измерения температуры с помощью термоэлектрических термометров, термометров сопротивления используются измерительные (нормирующие) преобразователи, работающие по компенсационному принципу. Принцип действия преобразователя иллюстрирует