Лабораторнаяработа № 2. ИЗУЧЕНИЕДАТЧИКОВТЕМПЕРАТУРЫ. 1. Общие сведения.

Лабораторнаяработа № 2

ИЗУЧЕНИЕДАТЧИКОВТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: познакомиться с датчиками температуры для промышленного применения, их классификацией, и оценить работу датчиков в системе автоматического управления температурой, определив погрешность измерений каждого датчика.

1. Общие сведения.

Еслирассматриватьдатчикитемпературыдляпромышленногоприменения, томожновыделитьихосновныеклассы: кремниевыедатчикитемпературы, биметаллическиедатчики, жидкостныеигазовыетермометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термометрысопротивления, инфракрасныедатчикитемпературы.

Кремниевые датчики температуры (рис. 1) используютзависимостьсопротивленияполупроводниковогокремнияоттемпературы. Диапазонизмеряемыхтемпературдлятакихдатчиковсоставляетот -50 º Сдо +150 º С. Внутриэтогодиапазонакремниевыедатчикитемпературыпоказываютхорошуюлинейностьиточность. Возможностьпроизводстваводномкорпусетакогодатчиканетолькосамогочувствительногоэлемента, нотакжеисхему усиленияиобработкисигнала, обеспечиваетдатчикухорошуюточностьилинейностьвнутритемпературногодиапазона.

Рисунок 1 – Кремниевыедатчикитемпературы

Встроеннаявтакойдатчикэнергонезависимаяпамятьпозволитиндивидуальнооткалиброватькаждыйприбор. Большимплюсомможноназватьбольшоеразнообразиетиповвыходногоинтерфейса: этоможетбытьнапряжение, ток, сопротивление, либоцифровойвыход, позволяющийподключитьтакойдатчикксетипередачиданных. Изслабыхместкремниевыхдатчиковтемпературыможноотметитьузкийтемпературныйдиапазониотносительнобольшиеразмерамипосравнениюсаналогичнымидатчикамидругихтипов, особеннотермопарами. Кремниевыедатчикитемпературыприменяютсявосновномдляизмерениятемпературыповерхности, температурывоздуха, особенновнутриразличныхэлектронныхприборов.

Рисунок 2 – Классификациядатчиковтемпературы.

Биметаллический датчик температуры (рис. 3), какследуетизназвания, сделаниздвухразнородныхметаллическихпластин, скрепленныхмеждусобою.

Рисунок 3 – Биметаллическийдатчиктемпературы

Различныеметаллыимеютразличныйкоэффициентрасширенияпритойилиинойтемпературе. Например, константанпрактическинерасширяетсяпритемпературе, железо, напротив, испытываетзаметноерасширение. Еслиполоскиизэтихметалловскрепитьмеждусобойинагреть (илиохладить), тоониизогнутся. Вбиметаллическихдатчикахпластинкизамыкаютилиразмыкаютконтактыреле, илидвигаютстрелкуиндикатора. Диапазонработыбиметаллическихдатчиковот -40 º Сдо +550 º С. Биметаллическиедатчикииспользуютдляизмеренияповерхноститвердыхтел, режедляизмерениятемпературыжидкости. Основнымпреимуществомдатчиковявляетсяпростотаинадежностьконструкции, возможностьработыбезэлектрическоготока, низкаястоимость. Вместестем, биметаллическиедатчикитемпературыимеютбольшойразбросхарактеристик, атакжебольшойгистерезиспереключения, особеннопринизкихтемпературах. Основныеобластиприменениябиметаллическихтемпературныхдатчиков – автомобильнаяпромышленность, системыотопленияинагреваводы.

Рисунок 4 – Жидкостныеигазовыетермометры

Жидкостные и газовые термометры (рис. 4) наиболеестарыетипыдатчиковтемпературы. Жидкостныетермометрыиспользуютэффектрасширенияжидкостейприповышениитемпературы. Вкачествежидкостейиспользуетсяспиртилиртутьвдиапазонекомнатныхтемператур. Дляизмеренийнизкихтемператур, напримервкриогеннойтехнике, можетбытьиспользованжидкийнеон, адляизмерениявысокихтемпературобычноиспользуютгаллий, которыйнаходитсявжидкомсостоянииужеот 20 º С. Вгазовыхтермометрахиспользуетсяэффектрасширения, припереходевеществаизжидкоговгазообразноесостояние. Газдавитчерезмембрануизамыкаетэлектрическиеконтакты. Диапазонизмеренийдляжидкостныхигазовыхтермометровот -200 º Сдо +500 º С. Термометрыэтогоклассаобычноприменяютсядлявизуальногоконтролятемпературы, либовкачестветермостатоввразличныхнагревателяхихолодильнойтехнике.

Термоиндикаторы – этоособыевещества, изменяющиесвойцветподвоздействиемтемпературы (рис. 5). Такоеизменениецветаможетбытькакобратимым, такинеобратимым.

Рисунок 5 - Термоиндикатор

Вдиапазонекомнатныхтемпературиспользуютсятермоиндикаторынаосновежидкихкристаллов. Ониплавноизменяютсвойцветприизменениитемпературы. Измененияэти, какправило, обратимые. Производятсяониввидепленки, частосклейкойподложкой, ислужатдляоперативноговизуальногоконтролятемпературы. Длянизкихивысокихтемпературпроизводятсявосновномнеобратимыетермоиндикаторы. Тоесть, еслитемпературахотябыодинразпревысиладопустимую, тоиндикаторнеобратимоменяетсвойцвет. Такиетермоиндикаторыиспользуют, например, дляконтролязазамороженнымипродуктами. Есливпроцессехраненияилитранспортировкитемпературахотьразбылавышедопустимой, тоизменившаясяокраскатермоиндикаторасообщитобэтом. Основноедостоинствотермоиндикаторовнизкаястоимость. Ихможноиспользоватькакодноразовыедатчикитемпературы.

Рисунок 5 - Термисторы.

Термисторы (рис. 5). Вэтомкласседатчиковиспользуетсяэффектизмененияэлектрическогосопротивленияматериалаподвоздействиемтемпературы. Обычновкачестветермисторовиспользуютполупроводниковыематериалы, какправило, оксидыразличныхметаллов. Врезультатеполучаютсядатчикисвысокойчувствительностью. Однакобольшаянелинейностьпозволяетиспользоватьтермисторылишьвузкомдиапазонетемператур. Термисторыимеютневысокуюстоимостьимогутизготавливатьсявминиатюрныхкорпусах, позволяяувеличитьтемсамымбыстродействие. Существуетдватипатермисторов, использующихположительныйтемпературныйкоэффициент – когдаэлектрическоесопротивлениерастетсповышениемтемпературыииспользующихотрицательныйтемпературныйкоэффициент – здесьэлектрическоесопротивлениепадаетприповышениитемпературы. Термисторынеимеютопределеннойтемпературнойхарактеристики. Оназависитотконкретноймоделиприбораиобластиегоприменения. Основнымидостоинствамитермисторовявляетсяихвысокаячувствительность, малыеразмерыивес, позволяющиесоздаватьдатчикисмалымвременемотклика, чтоважно, например, дляизмерениятемпературывоздуха. Безусловно, невысокаястоимостьтакжеявляетсяихдостоинством, позволяявстраиватьдатчикитемпературывразличныеприборы. Кнедостаткамможноотнестивысокуюнелинейностьтермисторов, позволяющуюихиспользоватьвузкомтемпературномдиапазоне. Использованиетермисторовтакжеограниченовдиапазоненизкихтемператур. Большоеколичествомоделейсразличнымихарактеристикамииотсутствиеединогостандарта, заставляетпроизводителейоборудованияиспользоватьтермисторытолькооднойконкретноймоделибезвозможностизамены.

Рисунок 6 –Инфракрасныйдатчиктемпературы

Инфракрасные датчики температуры (рис. 6) илипирометрыизмеряюттемпературуповерхностинарасстоянии. Принцип их работыоснованнатом, чтолюбоетелопритемпературевышеабсолютногонуляизлучаетэлектромагнитнуюэнергию. Принизкихтемпературахэтоизлучениевинфракрасномдиапазоне, привысокихтемпературахчастьэнергииизлучаетсяужеввидимойчастиспектра. Интенсивностьизлучениянапрямуюсвязанастемпературойнагретогообъекта. Диапазонизмеренийтемпературбесконтактнымидатчикамиот -45 º Сдо +3000 º С. Причемвдиапазоневысокихтемпературинфракраснымдатчикамнетконкуренции. Дляизмерениявразличныхдиапазонахтемпературиспользуютсяразличныеучасткиинфракрасногоспектра. Такпринизкихтемпературахэтообычнодиапазондлинволнэлектромагнитногоизлучения 7 – 14 микрон. Вдиапазонесреднихтемпературэтоможетбыть 3 – 5 микрон. Привысокихтемпературахиспользуетсяучасток в районе 1 микрон. Однакоиздесьестьсвоиособенности, связанныесрешениемконкретнойзадачи. Такдляизмерениятемпературытонкихполимерныхпленокиспользуютсядатчики, работающихнадлинахволн 3, 43 или 7, 9 микрометров, адляизмерениятемпературыстеклаиспользуютдатчики, работающиевдиапазоне 5 микрон. Дляправильногоизмерениятемпературынеобходимоещерядфакторов. Преждевсегоэтоизлучательнаяспособность. Онасвязанаскоэффициентомотраженияпростойформулой:

E = 1 – R (1)

ГдеЕ – излучательнаяспособность,

R – коэффициентотражения.

Уабсолютночерного тела излучательнаяспособностьравна 1. Убольшинстваорганическихматериалов, такихкакдерево, пластик, бумага, излучательнаяспособностьнаходитсявдиапазоне 0, 8 – 0, 95. Металлы, особеннополированныенапротивимеютнизкуюизлучательнуюспособность, котораявэтомслучаебудет 0, 1 – 0, 2. Дляправильногоизмерениятемпературынеобходимоопределитьиустановитьизлучательнуюспособностьизмеряемогообъекта. Еслизначениябудутвыбранынеправильно, тотемпературабудетизмерятьсяневерно. Обычнопоказаниязанижаются. Так, еслиметаллимеетизлучательнуюспособность 0, 2, анадатчикеустановленкоэффициент 0, 95 (онобычноиспользуетсяпоумолчанию), топринаведениинанагретыйдо 100 º Сметаллическийобъектдатчикбудетпоказыватьтемпературуоколо 25 º С. Корректироватьизлучательнуюспособностьможноопределивеедляразличныхматериаловпосправочнику, либоизмеряятемпературуповерхностиальтернативнымспособом, напримертермопарой, вноситьнеобходимыепоправки. Хорошиерезультатыпринеоченьвысокихтемпературахдает покраскаспециальнойтермостойкой, чернойкраскойизмеряемойповерхности. Второйважнойхарактеристикойинфракрасногодатчикаявляетсяоптическоеотношение – этоотношениерасстояниядообъектаизмеренийкразмеруобластискоторойэтиизмеренияведутся. Например, оптическоеотношение 10: 1 означает, чтонарасстоянии 10 метровразмерплощади, скоторойведетсяизмерениетемпературысоставляет 1 метр. Современныеинфракрасныедатчикитемпературыимеютоптическоеотношениедостигающие 300: 1. Основныедостоинстваинфракрасныхдатчиковтемпературы: малоевремяотклика. Этосамыебыстродействующиедатчикитемпературы. Возможностьизмерениятемпературыдвижущихсяобъектов. Измерениятемпературывтруднодоступныхиопасныхместах. Измерениевысокихтемператур, там, гдедругиедатчикиуженеработают. Кдостоинствамможноотнестито, чтоотсутствуетнепосредственныйконтактсобъектомисоответственнонепроисходитегозагрязнения. Этоможетбытьважновполупроводниковойпромышленностиилифармацевтике.

Термометры сопротивления – эторезисторы, изготовленныеизплатины, медиилиникеля (рис. 7). Этомогутбытьпроволочныерезисторы, либометаллическийслойможетбытьнапыленнымнаизолирующуюподложку, обычнокерамическуюилистеклянную. Платиначащевсегоприменяетсявтермометрахсопротивленияиз-заеевысокойстабильностиилинейностиизменениясопротивлениястемпературой. Медьиспользуетсявосновномдляизмерениянизкихтемператур, аникельвнедорогихдатчикахдляизмерениявдиапазонекомнатныхтемператур. Длязащитыотвнешнейсредыплатиновыетермометрысопротивленияпомещаютвзащитныеметаллическиечехлыиизолируюткерамическимиматериалами, такимикакоксидалюминияилиоксидмагния.

Рисунок 7 – Термометрысопротивления

Такаяизоляцияснижаеттакжевоздействиевибрациииударовнадатчик. Однаковместесдополнительнойизоляциейрастетивремяоткликадатчиканарезкиетемпературныеизменения. Платиновыетермометрысопротивленияодниизсамыхточныхдатчиковтемпературы. Крометого, онистандартизированы, чтозначительноупрощаетихиспользование. Стандартнопроизводятсядатчикисопротивлением 100 и 1000 Ом. Изменениесопротивлениятакихдатчиковстемпературойдаетсявлюбыхтематическихсправочникахввидетаблицилиформул. Диапазонизмеренийплатиновыхтермометровсопротивлениясоставляет -180 º С +600 º С. Несмотрянаизоляцию, стоитоберегатьтермометрысопротивленияотсильныхударовивибрации.

Рисунок 8 - Термопары.

Термопары представляютсобойдвепроволокиизразличныхметаллов, сваренныхмеждусобойнаодномизконцов. Оноткрыл, чтоеслисоединитьдвапроводникаизразнородныхметалловтакимобразом, чтобыониобразовывализамкнутуюцепьиподдерживатьместаконтактовпроводниковприразнойтемпературе, товцепипотечетпостоянныйток. Экспериментальнымпутембылиподобраныпарыметаллов, которыевнаибольшейстепениподходятдляизмерениятемпературы, обладаявысокойчувствительностью, временнойстабильностью, устойчивостьюквоздействиювнешнейсреды. Это, например, парыметалловхромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина- платина/родий, рений-вольфрам. Каждыйтипподходитдлярешениясвоихзадач. Термопарыхромель-алюмель (типК) имеютвысокуючувствительностьистабильностьиработаютдотемпературвплотьдо 1300 º Свокислительнойилинейтральнойатмосфере. Этоодинизсамыхраспространенныхтиповтермопар. Термопаражелезо-константан (тип J) работаетввакууме, восстановительнойилиинертнойатмосферепритемпературахдо 500 º С. Привысокихтемпературахдо 1500 º Сиспользуюттермопарыплатина- платина/родий (тип S или R) вкерамическихзащитныхкожухах. Онипрекрасноизмеряюттемпературувокислительной, нейтральнойсредеивакууме.