2.1. Классификация датчиков температуры



Датчик температуры - это устройство, непосредственно принимающее, преобразующее измеряемую величину в сигнал для последующей передачи его на приборы или управляющее воздействие. Датчик предназначен для измерения температуры в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности.

К датчикам температуры относят:

• 
  термопары;
  
• 
  интегральные датчики;
  
• 
  биметаллические;
  
• 
  диодные датчики;
  
• 
  термисторы;
  
• 
  пирометры;
  
• 
  кремниевые;
  
• 
  интегральные термостаты.
  

Термопара

Термопара нашла свое широкое применение для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температуры с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции, которое имеет датчик температуры этого вида, возможность работать в широком диапазоне и дешевизны. К числу достоинств относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур в агрессивных средах.

Термопары относятся к классу термоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термо ЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Е_т будет зависеть только от температуры T

---

₁ рабочего конца.

                                   U_вых = E_т = С(Т₁ – Т₀),         

где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары.

 

Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 ⁰С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 ⁰С.

 Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

 Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур.

 Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необхо­димость в применении специальных соединительных проводов.

Термопара типа ТХА, ТХК, ТПП и пр. состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») подключаются ко входу измерителей, регуляторов. Если температуры «рабочего» и «холодного спаев» различны, то вырабатывается термоЭДС, которая и подается на прибор. Поскольку термоЭДС зависит от разности температуры двух спаев датчика, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру «холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях.

В модификациях входов, предназначенных для работы с термопарами ТХА, ТХК (термопреобразователями сопротивления ДТС типа ТСП и ТСМ, термоэлектрическими преобразователями, датчиками температуры, термосопротивлениями) предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов. Датчиком температуры «холодного спая» служит полупроводниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником.

Подключение термопар ТХА, ТХК (термопреобразователей сопротивления ДТС типа ТСП и ТСМ, термоэлектрических преобразователей) к датчику температуры (термопреобразователю) должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов. Допускается использовать провода из металлов с термоэлектрическими характеристиками, аналогичными характеристикам материалов электродов термопары в диапазоне температур 0..100 °С. При соединении компенсационных проводов с термопарами (термоэлектрическими преобразователями, термопреобразователями сопротивления) и прибором необходимо соблюдать полярность.

---

Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора рекомендуется экранировать линию связи прибора с датчиком. При нарушении указанных условий могут иметь место значительные погрешности при измерении.


Общая схема подключения термопары

Интегральные датчики температуры

Интегральные датчики температуры отличаются от других типов термодатчиков тем, что работают в диапазоне, обычно ограниченном температурой от -55 до 150°С. Часть интегральных датчиков температуры имеет указанный диапазон измерения, часть имеет более узкий диапазон, что обусловлено либо используемым типом корпуса, либо сделано для снижения стоимости. Самой главной отличительной особенностью интегральных датчиков по сравнению с другими типами датчиков температуры является их богатая функциональность. Интегральный кремниевый датчик температуры включает в себя термочувствительный элемент - первичный преобразователь температуры и схему обработки сигнала, выполненные на одном кристалле и заключенные в единый корпус. В отличие от использования термопар, в данном случае отсутствует необходимость разрабатывать схему компенсации холодного спая и схему линеаризации выходного сигнала. Также нет необходимости разрабатывать и применять внешние схемы компараторов или АЦП для преобразования аналоговых сигналов в логические уровни или цифровой код на выходе - все эти функции уже встроены в некоторые серии интегральных датчиков температуры.

Датчики температуры NSC можно разделить на пять групп:

датчики температуры с аналоговым выходом;

датчики температуры с цифровым выходом;

термостаты;

датчики температуры с выносным диодом;

датчики температуры с функциями управления.

Датчики температуры с выходом по напряжению могут иметь различную градуировку - по шкале Кельвина либо по шкале Цельсия. Датчики LM135, LM235, LM335 имеют выходное напряжение пропорциональное абсолютной температуре с номинальным значением температурного коэффициента составляющим 10 мВ/°К. При этом номинальное выходное напряжение при 0°С составляет 2,73 В, и 3,73 В при 100°С. Обычно эти датчики включаются по схеме, представленной на рисунке 1. Третий вывод позволяет осуществлять подстройку точности, для этого используется подстроечный резистор. Температурная погрешность датчика LM135 без использования подстроечного резистора в диапазоне температур измерения -55...150°С составляет ±2,7°С, а с внешним подстроечным резистором уменьшается до ±1°С в рамках всего рабочего диапазона.

---

Типовая схема включения датчика LM335



Типовая схема включения датчика LM50, имеющего смещение выходного напряжения

Датчики LM35 и LM45 имеют выходное напряжение, пропорциональное шкале Цельсия (Кт = 10 мВ/°С). При температуре 25°C эти датчики имеют на выходе напряжение 250 мВ, а при 100°С на выходе - 1,0 В. Эти датчики могут применяться и для измерения отрицательных температур. Для этого используется согласующий резистор, который включается между выходным выводом и напряжением «ниже земли». Датчик LM50 является «однополярным», потому что он, в отличие от LM35 и LM45, может измерять отрицательные температуры без использования смещения. Этот датчик имеет чувствительность 10 мВ/°С и смещение на выходе 500 мВ (см. рис. 2). Таким образом, на выходе будет 500 мВ при 0°С, 100 мВ при -40°С и 1,5 В при 100°С.

Биметаллический датчик

Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 ⁰C. Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Термисторы

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют отрицательный или положительный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 ⁰C  составляет (2…8)*10^–2 (⁰C)^–1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются  оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов кобальта и марганца и ММТ - меди и марганца.  

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до 200 ⁰

---

С.

Датчик температуры бесконтактный (пирометр)

 Принцип действия

    Принцип действия датчика основан на измерении  излучаемой энергии в инфракрасном спектре. Датчик вычисляет температуру тела, измеряя поток теплового излучения с его поверхности. Передача значений температур потребителю осуществляется по каналу RS485.

 Пирометры — приборы для бесконтактного измерения температуры тел на расстоянии от 1 до 30 м. Принцип действия пирометров основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света. Достаточно просто на-править пирометр на объект измерения и нажать кнопку — температура поверхности отобразится на индикаторе.

Размеры области измерения температуры пирометром зависят от оптического разрешения (показателя визирования) прибора. Показатель визирования — отношение диаметра пятна контроля прибора на объекте измерения к расстоянию до объекта. Выбор оптического разрешения полностью зависит от реального размера объекта и расстояния, на котором возможны данные измерения.

Основные характеристики

• 
  диапазон измерения — –50...+2200 °С;
  
• 
  точность — ±1 %;
  
• 
  показатель визирования — 50:1;
  
• 
  коэффициент излучаемой способности — регулируемый (0,1...1,0);
  
• 
  2-лучевой лазерный указатель;
  
• 
  время отклика — менее 150 мс;
  
• 
  возможность подключения термопары;
  
• 
  внутренняя память на 20 точек измерения;
  
• 
  отображение температуры — °С, °F (текущее значение, максимум, минимум, разница, среднее);
  
• 
  габаритные размеры — 204 х 155 х 52 мм;
  
• 
  программное обеспечение, штатив, зарядное устройство, кабель USB, термопара ХА (К), пластиковый кейс в комплекте.
  

Двухцветные пирометры

Двухцветные пирометры появились относительно недавно. Принцип их работы основан на измерении отношения значений излучаемых энергий двух или более волн в разных цветовых спектрах (традиционные инфракрасные пирометры измеряют абсолютное значение излучаемой энергии одной волны и только в инфракрасном спектре). Применение более совершенной технологии позволяет избежать влияния пыли, дыма, газа и пара в окружающей среде на показания пирометра, а также исключить влияние изменения показателя черноты объекта, например в случае с разливкой металла. Такие пирометрыбез проблем измеряют даже через запыленное стекло экрана в печи.

---

Смотрите также файлы

• Расшифровка подписи Члены комиссии подпись расшифровка подписи.docx

• 1. Теоретические основы финансового планирования на предприятии в современных условиях.docx

• Патофизиология сосудов.docx

• Международное налоговое планирование сущность, методы и принципы организации.docx

• Многочлены.doc