Интегральные датчики температуры

Представителем предварительно калиброванных интегральных датчиков температуры является крем­ниевый датчик типа STP 35 фирмы Texas Instruments. На рис. 2.3.5 показана схема внутренних соединений датчика, изготовленного на основе биполярной техники. Вся схема этого монолитного интегрального датчика помещена в корпус ТО-92. В данном случае в качестве измеряемой величины используется напряжение между базой и эмиттером кремниевого транзистора, которое при известной ширине запрещенной зоны описывается уравнением:

Рис. 2.3.4. Измерительная схема с импульсным выходным сигналом (цифровым),

длительность которого зависит от температуры.

Рис. 2.3.5. Схема внутренних соединений кремниевого датчика температуры

STP 35 фирмы Texas Instruments.

,

где Е — ширина запрещенной зоны, - плотность тока, k– постоянная Больцмана, e –элементарный заряд (1,602* Кл), n –коэффициент, характеризующий температурную зависимость диффузии носителей заряда.

Рис. 2.3.6. Схема включения и характеристика интегрального датчика

температуры STP 35: — выходное напряжение.

Измерительные схемы с датчиками этого типа вы­полняются чрезвычайно просто (рис. 2.3.6). С помощью добавочного сопротивления устанавливает­ся максимальный ток, меньший 5 мА, чтобы ограни­чить самонагрев датчика. Рабочее напряжение не нуждается в стабилизации и может находиться в диа­пазоне от 6 до 24 В. В этом случае чувствительность измеряемого на выходе напряжения составляет 10 мВ/°С. Усиленное в 100 раз выходное напряжение показывает абсолютную температуру по шкале Кель­вина (0°С = 273 К и 20°С = 293 К). Датчики могут быть изготовлены разных классов точности в зависи­мости от некомпенсированной погрешности в измере­нии температуры.

Оптимальный выбор (рис. 2.3.7) добавочного со­противления зависит от диапазона измерения тем­пературы и сопротивления нагрузки (например, внутреннего сопротивления измерительного прибора). Сопротивление нагрузки может быть

Рис 2.3.7. Схемы согласования датчика температуры STP 35 с нагрузочным сопротивлением : – калибровочное сопротивление; - выходное напряжение.

рассчитано следующим образом:

Где - минимальное напряжение питания, - максимальное напряжение на выходе (равное , - минимальный ток датчика (0,4 мА) и - максимальный ток нагрузки, равный : .

Пример

Для диапазона измерений температуры 100 , напряжение питания 8…14 В и внутреннего сопротивления используемого измерительного прибора получаются следующие значения:

На основании этого добавочное сопротивление составит

(серия Е-12).

Максимальный ток датчика равен тогда

Максимально возможное изменение датчика от 0,4мА до 2,01мА вызывает погрешность, равную лишь 0,15 . Для более точных измерений потребуется стабилизация напряжения питания. В табл.2.3.1 приведены параметры интегральных датчиков типа STP.

Датчик уровня.

На основании этого эффекта при использовании терморезистора с положительным ТКС (тип 232267090023, фирма Valvo, табл. 2.5.1)

Рис. 2.5.4. Типичная рабочая характеристика терморезистора

с положительным ТКС.

можно изготовить датчик уровня жидкости (например, котель­ного топлива), более подробно описанный ниже.

Большой ТКС терморезистора в некотором узком температурном интервале (рис. 2.5.4) и отличие теплоотвода на воздухе и втопливе дает возможность изготовить датчик уровня. На рис. 2.5.5 проиллюстри­рован наиболее неблагоприятный случай (теплое топливо и холодный воздух).

Рис. 2.5.5. Вольт-амперная характеристика терморезистора с по­ложительным ТКС в различных средах (воздух -топливо). Вверху: в среде спокойного воздуха, = 25 °С. Внизу: 1- нижняя граница, спокойное топливо, = 50°С; 2-верхняя граница, спокойный воздух, = - 25 °С.

При этом разность токов минимальна, но все же достаточна, чтобы на нее реа­гировало соответствующее переключающее устрой­ство. Если датчик питается, например, постоянным напряжением 15 В, то изменение тока оказывается не менее 6 мА. Для использования этого эффекта воз­можно следующее схемное решение (рис. 2.5.6).

Рис. 2.5.6. Принципиальная схема измерения уровня датчиком температуры на основе терморезистора с положительным ТКС (РТС).

Терморезистор с положительным ТКС вклю­чается в качестве активного элемента в измеритель­ный мост, питающийся от источника постоянного тока (LM317). С помощью комбинации резисторов можно изменять ток в интервале 20...80 мА. Резистором ток устанавливается около 40мА (на воздухе). Уравновешивание относительно нуля, когда =0В, осуществляется настроечным потен­циометром .

Если датчик погружается в контролируемую жид­кость (например, в топливо), то напряжение изменяется. С помощью регулируемого резистором сигнализатора предельного значения это изменение напряжения визуализируется светодиодом LED. Резистор сопротивление которого рассчитывается, ограничивает ток светодиода некоторым макси­мально допустимым значением (в общем случае 10 мА). Вместо свето­диода можно подклю­чить реле. При встраивании терморезистора с положительным ТКС в головку датчика (рис. 2.5.7) важно соблю­дать следующие меры:

Рис. 2.5.7. Конструкция и размеры датчика уровня.

1)Внутренний диа­метр должен быть не меньше 15 мм.

2)Длина «холодно­го» вывода должна быть не меньше 14 мм (из них максимум 3мм может быть использо­вано для спая с соеди­нительным кабелем, так что должно оста­ваться по меньшей ме­ре 11 мм свободной длины вывода).

3)Диаметр отверстий для впуска воздуха и топ­лива должен быть не меньше 5мм; расстояние между отверстиями около 60 мм.

Поскольку теплопроводность в значительной мере ограничивается длиной вывода, изогнутый «горячий» вывод не должен быть слишком коротким. При мон­таже терморезистора этот вывод должен быть на­правлен вниз (красная метка внизу).

Применение.

На рис. 2.5.8 показаны некоторые распространен­ные виды датчиков на основе терморезисторов с по­ложительным ТКС, пригодные для различных приме­нений.

Рис. 2.5.8. Различные конструктивные формы датчиков темпера­туры на основе терморезисторов с положительным ТКС (фирмы Siemens AG). Имеющиеся на датчиках маркировочные индексы соответствуют: А- для пайки, S - для клеммных контактов. Датчик в корпусе с резьбой электрически изолирован (испыта­тельное напряжение переменное, =220 В и 3 кВ).

Лучше всего такие датчики зарекомендовали себя в качестве зашиты электродвигателей от перегрузки или как защитные датчики механизмов. Если, напри­мер, терморезистор с положительным ТКС включен последовательно с потребителем тока (например, с электродвигателем), как показано на рис. 2.5.9, то

Рис. 2.5.9. Применение терморезистора с положительным ТКС в качестве

защиты электродвигателя (М) от перегрузок.

при нормальном режиме работы через электродвига­тель проходит оптимальный ток и сопротивление тер­морезистора в этом режиме незначительно. При воз­растании тока в случае возникновения неисправности терморезистор быстро достигает своей расчетной тем­пературы, т. е. становится высокоомным и снижает ток (ограничение тока).

Полупроводники можно применять также в каче­стве саморегулируемых нагревательных элементов и термостатов, так как они не требуют никаких допол­нительных элементов. Если, например, к терморези­стору с положительным ТКС приложить напряжение, вызывающее его нагрев до температуры выше расчет­ной, то происходит скачкообразное изменение темпе­ратуры. В равновесном состоянии, т. е. когда подво­димая электрическая энергия равна отводимой тепло­вой энергии, устанавливается постоянная темпера­тура, не зависящая от температуры окружающей среды.

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ.

Как и датчики температуры, датчики давления отно­сятся к наиболее широко употребительным в технике. Однако для непрофессионалов измерение давления представляет меньший интерес, так как существую­щие датчики давления относительно дороги и имеют лишь ограниченное применение. Несмотря на это, рассмотрим некоторые варианты их использования.

Кремниевые датчики

Для любительской практики представляют инте­рес лишь относительно недорогие кремниевые дат­чики давления, имеющие выходной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик из­готовляют из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Ме­тодом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При из­менении давления мембрана прогибается, и под дей­ствием пьезоэлектрического эффекта происходит из­менение сопротивления резистивных элементов. Тол­щина мембраны, как и геометрическая форма рези­сторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого типа являются:

- высокая чувствительность,

- хорошая линейность,

- незначительные гистерезисные явления,

- малое время срабатывания,

- компактная конструкция,

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

Область применения датчиков давления опреде­ляется возможным диапазоном измеряемых давлений (см. табл. 3.1.1).

Четыре однотипных пьезорезистора образуют мост, как показано на рис.3.1.1. При этом отдельные ре­зисторы ( … соединены так, что при прогибе мембраны сопротивление резисторов и возрастает, а у и уменьшается. В результате дости­гается высокая чувствительность измерительного мо­ста. Выходное напряжение соответствует тогда уравнению

На рис. 3.1.2 графически представлена зависи­мость для типичного кремниевого датчика дав­ления. Здесь же продемонстрировано и влияние температуры на чувствительность.

Поскольку в этом случае максимальное выход­ное напряжение составляет лишь 0,1 В, для дальней­шей обработки сигнала его нужно усилить еще примерно до 1 В. Такое 10-кратное усиление по напряже­нию с помощью стандартных операционных усилите­лей (741, LM358 и т. п.) не составляет проблемы,

Рис. 3.1.1. Измерительный мост Рис.3.1.2. Характеристика кремниевого

из четырех идентичных датчика давления при различных

пьезорезисторов, составляющих температурах (25 и 125 )

в совокупности датчик

давления.

а поэтому согласование сигнала с измерительным при­бором осуществляется легко. Для измерений с повы­шенной точностью следует дополнительно компенси­ровать температурную погрешность датчиков.

Поиск по сайту: