Краткие теоретические сведения. Температура определяет степень нагрева или охлаждения среды

Температура определяет степень нагрева или охлаждения среды, которая выражается в градусах по шкалам Цельсия, Фаренгейта или Кельвина. В промышленности обычно используется шкала Цельсия, реже Фаренгейта. Преобразование осуществляется по следующим формулам:

Измерение температуры используется, чтобы поддерживать её в некотором диапазоне, выполнять определенные операции при её превышении выше установленного предела и снижении ниже. Также измерение температуры используется для контроля процесса или определения его эффективности.

К наиболее распространенным бытовым устройствам для измерения температуры относятся жидкостные термометры и биметаллические пластины. Последние применяются при двухпозиционном регулировании температуры.

Более подробно рассмотрим датчики, применяемые в промышленности. Они могут быть классифицированы по типу выходной величины:

1. датчики, у которых сопротивление зависит от температуры, - резистивные детекторы температуры и терморезисторы;

2. датчики, у которых напряжение зависит от температуры, - термопары и твердотельные датчики температуры;

3. датчики, у которых излучение зависит от температуры, - пирометры.

Резистивные детекторы температуры (РТД) – датчики, которые используют изменение сопротивления металлов в зависимости от температуры. Внутри некоторого температурного диапазона сопротивление изменяется практически линейно и может быть выражено так:

,

где

R2 – сопротивление при любой температуре,

R1 – сопротивление при определенной температуре,

- коэффициент сопротивления,

- изменение температуры.

Таблица 5.1 – Свойства резистивных детекторов температуры

№ п/п	Свойство
Материал	Диапазон измерения,	Коэффициент сопротивления,
	Медь	от -151 до + 149	0,0042
	Никель	от -73 до + 149	0,0067
	Платина	от -184 до + 815	0,0039
	Вольфрам	от -73 до + 276	0,0045

Изменение сопротивления датчика должно быть преобразовано в изменение напряжения или тока, поскольку именно эти величины могут быть использованы в других узлах системы. Для этого используется мостовая схема, показанная на рисунке 5.1. При комнатной температуре мост сбалансирован так, чтобы разность потенциалов на его выходе была равна нулю. Сопротивление резистивного детектора температуры можно определить из выражения:

.

Кроме резистивного детектора с двумя выводами существуют варианты с тремя и четырьмя выводами. В схеме с тремя выводами с помощью дополнительного вывода устраняются ошибки, вызванные сопротивлением подводящего провода, когда датчик должен быть размещен на большом расстоянии от моста.

Сопротивление детектора с четырьмя выводами устраняет ошибки, вызванные сопротивлением подводящих проводов, и уменьшает ошибки, вызванные шумом, если требуется высокая степень точности измерений.

Рисунок 5.1 – Мостовая схема с двухвыводным резистивным детектором температуры

В качестве датчиков температуры могут использоваться термопары, которые создают небольшое напряжение в несколько милливольт, зависящее от температуры. Свойства термопар, которые изготавливаются с использованием двух различных металлических проводов, приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Свойства термопар

№ п/п	Свойство
Тип	Термоэлектрический материал	Диапазон температуры,	Коэффициент Зеебека , мкВ/К
	B	Платина и 6 или 30% родия	от 0 до +1800
	E	Хромель – константан	от -190 до +1000
	J	Железо – константан	от -190 до +800
	K	Хромель - алюминий	от -190 до +1370
	R	Платина или платина и 13% родия	от 0 до +1700
	S	Платина или платина и 10% родия	от 0 до +1765
	T	Медь - константан	от -190 до +400

Термопары обязаны своим появлением Томасу Зеебеку (Seebeck), который в начале 19 в. Открыл эффект, позже названный его именем. Зеебек обнаружил, что если два провода, сделанные из металлов, спаяны в кольцо с двумя спаями, то в этой цепи при нагревании одного из спаев возникает небольшой ток. Выравнивающее напряжение на одном из спаев пропорционально количеству теплоты, выделяющейся на другом переходе.

Точка соединения провода термопары с проводом вольтметра образует дополнительный переход из неодинаковых металлов, что создает небольшое напряжение, направленное навстречу напряжению рабочего спая и вызывающее ошибку. Однако если температура этого перехода равна опорной (0 ), то вольтметр измеряет правильное значение напряжения. После 1800-х годов свободный спай начали называть холодным, поскольку его помещали в ванну со льдом, которая сохраняла температуру 0 .

В наши дни используют следующие методы:

1. чтобы поддерживать заданную температуру холодного спая, он помещается в термостат;

2. в контур термопары последовательно включаются компенсирующие цепи, создающие сигнал, таким образом, чтобы суммарный сигнал был таким же, как при опорной температуре;

3. напряжения обоих переходов преобразуется в цифровую форму, передаются на компьютер, программа которого их учитывает.

Работа датчиков температуры другого типа, называемыми интегральными, может основываться на свойствах биполярного транзистора. В таком датчике используется фундаментальное свойство кремния, состоящее в том, что ширина запрещенной зоны зависит от температуры. Датчик реализуются следующим образом. В двух биполярных транзисторах, расположенных близко друг к другу в одной интегральной схеме, протекают разные коллекторные токи. Если отношение плотностей токов равно r, то разность напряжений база-эмиттер двух транзисторов будет равна , k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, q – заряд электрона. Эта разность напряжений линейно зависит от температуры. С помощью дополнительных электронных схем это напряжение усиливается для того, чтобы получить на выходе необходимую величину.

Типичный датчик в интегральном исполнении имеет следующие параметры: температурный диапазон от -55 до 150 , нелинейность во всем диапазоне около 0,3 К.

Поиск по сайту: