5.1 Датчики температуры.

Термодатчик - это элемент, который реагирует на измене­ние температуры. Термодатчики могут быть бесконтактные и контактные. К первым относятся термопары, терморезисто­ры, термометры сопротивления; ко вторым - ртутные термо­контакторы, контактные термометры и биметаллические ре­ле.

Датчики температуры должны обладать:

• высокой чувствительностью к температуре;

• идентичностью характеристик разных образцов;

• стабильностью термометрических параметров;

• малыми габаритами и инерционностью, высокой вибро и ударостойкостью.

Основные типы датчиков:

Ртутные контактные термометры, или как их часто на­зывают, ртутные термокомпенсаторы, относятся к датчи­кам релейного действия. Выходной сигнал такого датчика мо­жет принимать только два значения, в зависимости от знака отклонения температуры от заданной величины Qq см. рис. 2.

Изменение величины отклонения не влияет на выходной сигнал. Таким образом, при использовании ртутного термо­компенсатора система регулирования может работать толь­ко по двухпозиционному принципу. На обмотку обогрева по даётся либо полная мощность, либо никакая мощность не по­даётся.

Рис. 2: Характеристика релейного датчика температуры.

Недостатки: необходимо полное погружение термокомпен­сатора в среду объекта термостатирования; большая инерци­онность; чувствительны к отклонению от положения верти­кали и недостаточно надёжно работают при вибрации.

Находят применение лишь в стационарных наземных уста­новках при больших термостатируемых объёмах.

Биметаллические датчики. Их действие основано на ис­пользовании различия коэффициентов теплового расширения металлов. При изменении температуры, пластина, состоящая из двух разнородных слоев, изгибается, замыкая или размы­кая электрические контакты. Точность регулирования обыч­но не превышает нескольких градусов. Инерционность таких датчиков часто превышает инерционность ртутных термокон­такторов.

Манометрические датчики. Их действие основано на ис­пользовании теплового расширения жидкостей или газов. По качеству сходны с ртутными термокомпенсаторами.

Оптические датчики. В качестве датчика температуры ис­пользуют источник света и какой-либо приёмник излучения, например, фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или се­леновый фотоэлемент. Свойства систем с такими датчиками определяются необходимостью применения веществ с боль­шой теплотой плавления и примерно аналогичны свойствам систем с манометрическими датчиками.

Сегнетоэлектрические датчики. Бели сегнетоэлектрик находится в высокочастотном электрическом поле достаточ­но большой интенсивности, то, вследствие диэлектрическо­го гистерезиса, в нём выделяется тепло. Когда температура вещества повышается до точки Кюри, оно переходит в па­роэлектрическое состояние и выделение тепла прекращает­ся. Применение сегнетоэлектриков перспективно, но вопрос о точности поддержания температуры и о стабильности харак­теристик таких систем ещё недостаточно разработан.

Термопары. Их действие основано на использовании тер­моэлектрического эффекта. Суть этого эффекта заключает­ся в следующем: если соединить концами два разнородных по материалу проводника и поместить места соединения в среды с различными температурами T_г (горячий спай) и T_х (холод­ный спай), то в образовавшейся цепи появится электрический ток, текущий за счёт термо-ЭДС. Термо-ЭДС пропорциональ­на по величине разности температур спаев и зависит от мате­риалов компонентов термопары.

Термопары отличаются простотой устройства, стабильно­стью работы, высокой надёжностью.

Недостатки: Весьма малая чувствительность, реагирова­ние на разность температур.

Проволочные термометры сопротивления (ТС). Их действие основано на свойстве металлов увеличивать электри­ческое сопротивление при возрастании их температуры. Со­противление проводника Rt при температуре tº достаточно просто можно определить по формуле:

αt - температурный коэффициент сопротивления;

Rо - сопротивление при начальной температуре to ;

t° - температура, при которой подсчитывается Rt.

Достоинства проволочных датчиков температуры: сравни­тельно высокая чувствительность, надёжность, простота кон­струкции, стабильность характеристик во времени. Но они обладают сравнительно большой инерцией.

Терморезисторы. Они относятся к полупроводниковым термозависимым элементам. У большинства из них сопроти­вление уменьшается с. ростом температуры. Их основные до­стоинства - высокий уровень температурной чувствительно­сти, на порядок больший, чем у проволочных датчиков, ма­лые габариты и, следовательно, малая тепловая инерция.

Недостатки: большой разброс характеристик, недостаточ­ная стабильность во времени.

Кварцевые датчики. Кварцевые резонаторы с большим температурным коэффициентом частоты при наличии высо­костабильного опорного генератора в настоящее время явля­ются одним из самых чувствительных датчиков температуры (до 10~"⁶ градуса).

Они не нашли широкого практического применения в си­стемах термостабилизации по причине чрезвычайной сложно­сти схемы регулятора.

Диодные и транзисторные датчики. Схемы измерения, ре­гулирования, регистрации температуры и передачи информа­ции о ней на расстояние должны быть достаточно просты в изготовлении и эксплуатации.

Всем этим требованиям могут удовлетворять полупровод­никовые приборы. Ряд их параметров обладает высокой тем­пературной чувствительностью: обратные токи транзисторов и диодов. Токи растут с температурой по экспоненциальному закону со скоростью порядка 10%градус.

Наибольшее количество разработок СТ использует пря­мые характеристики диодов и транзисторов. Их существенны­ми преимуществами перед обратными являются линейность температурной зависимости, широкий диапазон рабочих тем­ператур, высокая стабильность и идентичность параметров различных образцов.

Подводя итоги обзору различных типов датчиков, мож­но сделать вывод, что наиболее подходящими для обеспече­ния тепловых режимов являются полупроводниковые датчи­ки. Однако, при температурах выше 150°С можно применять лишь проволочные термометры сопротивления или термопа­ры.