При цифровом измерении выходным сигналом измерительного устройства является цифровой сигнал.

Таблица 10. Технология электрического измерения температуры

Измерительное устройство	Диапазон температур. °С	Носитель информации выходного сигнала
Термоэлемент (термопара): CU-константан Fe-константан платинородиевый	200... 400 200... 700 0... 1300	Напряжение
Термометр сопротив- ления: платина никель Полупроводник (резистор с отрицательным температурным коэффициентом)	200... 500 60... 150 40... 180	Ток

Термоэлемент (термопара) состоит из двух спаянных друг с другом проводников из различных металлов (рис. 59).

Рис. 59. Термоэлемент:

1—место измерения, 2—термоэлектроды, 3—медные

проводники, 4—места сравнения

Если различные участки термоэлектродной проводки подвергнуты воздействию различной температуры, между этими участками создается некоторое постоянное напряжение (термоэдс), составляющее до 50 мВ. Это напряжение зависит от разницы температур на различных участках термоэлектродной проволоки, а также от материалов, используемых для ее изготовления. Если температура места сравнения поддерживается термостатом постоянной, то между температурой места измерения и термоэдс прослеживается прямая зависимость.

В технических устройствах для измерения температуры место сравнения расположено снаружи присоединительной головки термоэлемента (рис. 60).

Рис. 60. Устройство с термоэлементом для измерения температуры:

1—термоэлектроды, 2—защитная трубка, 3—места сравнения, 4—термостат, 5—термоэлемент, 6—соединительные провода

Почему при измерении температуры термоэлементом требуется поддержание постоянной температуры в месте сравнения?

Принцип действия - термометра сопротивления заключается в том, что сопротивление металлического проводника или полупроводника изменяется с изменением температуры.

Металлические измерительные термосопротивления обладают положительным температурным коэффициентом. Это означает, что при повышении температуры сопротивление возрастает.

Полупроводниковые измерительные термосопротивления обладают отрицательным температурным коэффициентом, поэтому при повышении температуры их сопротивление понижается (см. рис. 29 и 61).

Рис. 61. Температурная зависимость измерительных сопротивлений:

а—сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом, б—платиновое сопротивление

Можно представить следующую логическую схему измерения температуры с помощью термометра сопротивления (рис. 62): металлическое измерительное термосопротивление

сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом

Температурный датчик является простым измерительным устройством на основе сопротивления с отрицательным температурным коэффициентом.

Почему измерение температуры с помощью термоэлементов и термометра сопротивления является аналоговым измерением?

Измерение температуры с помощью термоэлементов и термометра сопротивления называется контактным измерением. Для переноса теплоты объект измерения должен соприкасаться с измерительным датчиком.

Цифровое измерение величин. Данный вид измерения применяют в том случае, когда необходима обработка цифровых сигналов в устройстве, следующем в цепи после измерительного устройства.

При цифровом измерении выходным сигналом измерительного устройства является цифровой сигнал.

Поэтому цифровое измерение величин необходимо, например, в цифровых устройствах управления, а также в процессах, управление которыми осуществляется с помощью ЭВМ.

Поскольку большая часть измеряемых параметров аналоговая, их сигнал в измерительном устройстве должен быть преобразован в цифровой.

Для отображения аналоговых величин в виде цифровых сигналов необходимо следующее:

квантование измеряемых или отображаемых величин, т. е. ступенчатое разделение их временного диапазона на ряд поддиапазонов;

отображение одним из двоичных кодов (см. § 6) каждого поддиапазона измеряемой величины как комбинации двоичных сигналов.

Преобразование аналогового сигнала в двоичный производится, например, с помощью аналого-цифрового преобразователя.

Рис. 62. Термометр сопротивления:

1 — контакты, 2—проволока с большим удельным

сопротивлением, 3—защитная трубка

В основном используют два метода цифрового измерения:

метод приращений (инкременталь-но-цифровой);

абсолютно цифровой.

При первом методе измерение величин производят в условной точке отсчета. Для этого ее разделяют на максимально большее количество единиц (квантование). Сложением единиц определяют приращение величины в условной точке отсчета.

При втором методе каждой измеряемой величине соответствует определенный цифровой сигнал.

Цифровое измерение траекторий. На примере измерения траекторий и углов, имеющем большое значение для цифрового станочного управления и управления работой промышленных роботов, можно несколько подробнее рассмотреть принцип цифрового измерения.

ных измерениях температур в диапазоне от абсолютного нуля и до 1000° С. Действие термометров сопротивления основано на том, что электрическое сопротивление металлов изменяется одновременно с изменением температуры. Удельное сопротивление металла определяется по формуле

(3. 6)

где n_ — число свободных электронов в единице объема;

е — заряд электрона;

μ _ — подвижность электрона, характеризуемая его скоростью в поле, имеющего напряженность 1 в /см.

Удельное сопротивление металлов достаточно мало, ÷ Ом/см,

что объясняется высокой концентрацией электронов, не зависящей от температуры. При высоких температурах ρ зависит от колебаний кристаллической решетки металла, т. е. определяется подвижностью электронов. При изменении температуры подвижность электронов изменяется. Подвижность электронов зависит также от концентрации примесей в металле. Поэтому удельное сопротивление достаточно чистых металлов можно представить в виде ρ = ρ ₀ + ρ (Т), где ρ ₀ не зависит от температуры. При понижении температуры до 30° - 40° К сопротивление металлов уменьшается почти линейно, т. е. ρ (Т) = kT, а при Т 0° К оно становится пропорциональным Т⁵. На рис. 3. 4 приведены характеристики некоторых проволочных металлических термометров сопротивления. Наиболее часто для термометров сопротивления используется чистая платина. Эти термометры применяются для измерений температур до 20° К. Платина химически инертна и обладает высоким удельным сопротивлением, зависимость от температуры которого линейна до 60° К. При температурах ниже 20° К температурный коэффициент сопротивления платины мал и применение ее становится нецелесообразным. В области температур жидкого гелия и ниже рекомендуется применять бронзовые термометры сопротивления. Это объясняется тем, что температурный коэффициент их не зависит от магнитных полей, которые обязательно присутствуют при этих температурах. В интервале температур 1—5° К применяют сплав бронзы с оловом и свинцом, а также фосфористую бронзу. Эти сплавы обладают более высоким температурным коэффициентом, хотя его величина и зависит от силы магнитного поля. В диапазоне от 3 до 5° К применяется сплав серебра.

Рис. 3. 4. Характеристики проволочных металлических термометров сопротивления:

1 – медь (  диам. 0, 04 мм, l = 2000 мм)

(R_273°К = 280 Ом);

2 – платина (R_273°К = 50 Ом);

3 – индий (диам. 0, 25 мм, R_273°К = 3, 4 Ом).

В настоящее время в промышленности нормализованы только термометры сопротивления из платины и меди (ГОСТ 6651—59). Термометры сопротивления выпускаются следующих типов: ТСП — термометр сопротивления платиновый, ТСМ — термометр сопротивления медный. В зависимости от целей применения медные и платиновые термометры сопротивления выпускаются герметичными и негерметичными. Промышленные медные термометры сопротивления применимы в диапазоне температур от —50° С до +180° С. Платиновые — в диапазоне от —200° С до +500° С. Постоянная времени промышленных термометров сопротивления колеблется от нескольких секунд до сотен секунд. Чувствительность термометра определяют по формуле

где R — изменение сопротивления при изменении температуры

на Т.

Из этой формулы следует, что с увеличением. сопротивления чувствительность возрастает. Однако существует оптимальное значение сопротивления, зависящее от условий работы. Термометр сопротивления является самым точным чувствительным элементом из числа применяемых для измерений температур. Он позволяет измерять температуру с точностью до 0, 001° С. Для получения такой точности измерения температуры необходимо измерять сопротивление с точностью не ниже (2 ÷ 4) х 10^-6. Термометр сопротивления обладает наибольшей надежностью при измерениях высоких температур. Основным недостатком этих термометров являются большие габариты, препятствующие применению их при измерениях температур в малых объемах. Для последних используют терми-сторы и термопары.

Полупроводниковые измерители температур. Сопротивление полупроводников, в противоположность металлическим термометрам, увеличивается с понижением температуры. Это можно объяснить следующим. Электропроводность полупроводникового элемента описывается формулой

где n₊ — число дырок в единице объема;

₊ — подвижность их.

При понижении температуры числа n₊ и п_ в полупроводнике быстро убывают, значительно. быстрее, чем их подвижности. Для измерения температур широко применяются полупроводниковые термосопротивления (термисторы). Удельное сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону

ρ ₌Ае^B^/^T, (3. 9)

где A и В — постоянные.

Таблица 3. 2

Параметры некоторых термосопротивлений

Это является большим недостатком термисторов. На рис. 3. 5 приведены зависимости удельного сопротивления от температуры для платины, серебра, германия с небольшим количеством примесей, а также для термистора. Из приведенных кривых видно, что удельное сопротивление полупроводниковых материалов может возрастать на несколько порядков при небольшом даже понижении температуры. Промышленность в настоящее время выпускает следующие типы термисторов: КМТ-1, КМТ-4, ММТ-4, ММТ-6, ТОС-М (см. табл. 3. 2). Материалами для изготовления термисторов служат: медномарганцевые и кобальто-марганцевые соединения. Термисторы изготовляются в виде стержней (ММТ-1, КМТ-1 и др. ), а также в виде дисков (ТОС-М) или шариков. Термисторы шариковой формы монтируются на тонких проводах в вакуумированной или наполненной газом ампуле. Большое сопротивление термисторов позволяет располагать их на значительных расстояниях от измерительных схем. В результате небольших габаритов и малой теплоемкости термисторы обладают меньшей постоянной времени по сравнению с другими термометрами сопротивления. Диапазон измеряемых температур составляет от —60° С до +180° С. Термисторы позволяют измерять температуру с точностью до 0, 0005° С. Некоторые полупроводниковые соединения, отличные от применяемых для изготовления термисторов, используются для измерения температур как более высоких, так и более низких, чем это допускают промышленные образцы. Например, корундовый полупроводник позволяет измерять температуру в диапазоне от 850 до 1100° С. Известно,

Рис. III. 5. Кривые зависимости удельного сопротивления от температуры:

/ ■ — серебро; 2 — платина; 3 — германий; 4 — термистор

что термометр в виде электропроводящего слоя на стекле позволяет измерять температуру в диапазоне от 1 до 300° К. Следует указать, что при низких температурах сопротивление полупроводника зависит от магнитных полей. Методы измерений, применяемые при полупроводниковых чувствительных элементах, не отличаются от применяемых при металлических.

Элементарные полупроводники. При низких температурах (вблизи от 1° К) наиболее удовлетворительные результаты можно получить с полупроводниковыми элементами из кристаллов германия и кремния. Однако в настоящее время нет никакой универсальной формулы, удовлетворительно описывающей зависимость сопротивления полупроводника от температуры. При измерениях низких

температур необходимо учитывать, что сопротивление этих термометров изменяется пропорционально квадрату магнитного поля. Кроме того, германиевые термометры необходимо защищать от действия светового потока. На рис. II 1, 6, а приведена характеристика германиевого диода при постоянном измерительном токе.

Угольные термометры. Для измерений температур применяют также угольные термометры сопротивления, имеющие высокое удельное сопротивление и большой отрицательный температурный коэффициент. Они изготовляются из графита и углей. При низких температурах графит имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, зависящий от содержания примесей и от величины кристаллических зерен. Для чистого графита величина удельного сопротивления р при низких температурах пропорциональна 1 IT. Графит не теряет своих свойств и при высоких температурах и поэтому может применяться при измерениях температур в диапазоне 0—2300° К. Угольные термометры нечувствительны к магнитным полям. Термометр, изготовленный путем нанесения угольной сажи на бумагу, применялся для измерений температуры ниже 1°К. Применяются термометры, изготовленные в виде взвесей графита в воде, спирте и других веществах, однако их характеристики воспроизводятся только при температурах жидкого водорода или ниже. В настоящее время для измерений низких температур используются промышленные угольные радиотехнические сопротивления, однако различные типы сопротивлений имеют отличные характеристики. Эмпирически получена зависимость сопротивления от температуры в виде

(ШЛО)

где R — сопротивление в омах;

— константы, определяемые экспериментально

(рис. II 1. 6, б).

Термопары. Термопара представляет собой цепь, состоящую из двух проводников, выполненных из различных материалов. При наличии разности температур на концах (спаях) термопары, между ними возникает электродвижущая сила. Концы термопары, присоединяемые к усилителю, называются холодным спаем, а присоединенные к объекту, температуру которого измеряют, — горячим. Горячий спай термопары может быть выполнен небольших размеров, что делает термопару удобным чувствительным элементом при измерениях температур в ограниченных объемах. Малый размер способствует и уменьшению ее постоянной времени. Диапазон температур, в котором применяются термопары, достаточно велик: от 0° К до 1600° С и выше. Характеристики термопары наиболее подходят для измерений температур до 1000° С. В этом интервале температур по точности термопары уступают только термометрам сопротивления и газовым термометрам. Свыше 1000° С они более надежны, чем другие термометры, и лишь при температурах выше 1600 °С уступают оптическим пирометрам. В табл. III. 3 приведены наиболее часто применяемые типы термопар, а на рис. III. 7 даны градуиро-вочные кривые. Методы измерений температур с помощью термопар не отличаются от приведенных в начале главы. Малые значения э. д. с, получаемой от термопары, определяют необходимость применения усилителей с модуляцией. Во избежание погрешностей, при измерении необходимо стабилизировать температуру холодного спая или вводить в измерительную схему соответствующую поправку каким-либо автоматическим путем, например включением в цепь термопары компенсирующего сопротивления и т. п. Постоянная времени для различных типов промышленных термопар_ч изменяется от нескольких секунд до сотен секунд. В отдельных случаях применяются специальные термопары: иридий-иридийродие-вая — для измерения температуры до 2000° С; вольфрам-вольфрам-молибденовая — для измерения температур свыше 2000° С; вольфрам-молибденовая — для измерения в диапазоне до 2600° С; тантал-молибденовая — до 2600° С; вольфрам-танталовая — до 3000° С.

Чувствительность термопары определяется по формуле

S=^r^A + BT + CT*, (III. 11)

где Е — выходное напряжение термопары;

Т — температура горячего спая (если холодный находится при 0° С); постоянные А, В я С зависят от материалов термопары.

Таблица Ш. З Характеристики некоторых термопар

Рис. III. 7. Градуировочные кривые некоторых термопар:

Е_т — тсрмоэлоктродвижущая сила в милливольтах; Т° С — температура в градусах Цельсия; 1 — хро-мель-копель; 2 — железо-копсль; 3

— хромель-алюмель; 4 — платипо-родий-платина

Приближенные значения чувствительности для термопар, образованных из указанных материалов в паре с платиной, приведены в табл. III. 4.

Таблица 111 A

Чувствительность специальных термопар

Чув- Чув- Чув-

Материал элемен- стви- Материал эле- стви- Материал эле- стви-

та термопары тель- мента термопары тель- _мента термопары ^тель-

ность в ность в ность в

лай/град мв/гращ лш/град

Висмут..................... 72 Алюминий... 3, 5 Казмйт............... 7, 5

Константам.... 35 Свинец.................... 4 Железо................... 18, 5

Никель...................... 15 Тантал.................... 4, 5 Нихром.... 25

Камит........................... 9 Радий................. 6 Сурьма.............. 47

Натрий..................... 2 Серебро.... 6, 5 Германий . . . 300

Платина........................ 0 Медь.................... 6, 5 Кремний.... 440

Ртуть........................ 0, 6 Золото............... 6, 5 Теллур.............. 500

Уголь...................... 3 Вольфрам... 7, 5 Селен.................. 900

При цифровом измерении выход­ным сигналом измерительного устрой­ства является цифровой сигнал.

При цифровом измерении выходным сигналом измерительного устройства является цифровой сигнал.