3. Охарактеризуйте устройство и работу термоэлектрического датчика

Термоэлектрические датчики служат для преобразования изменения температуры в изменение ЭДС или сопротивления. В качестве термоэлектрических датчиков могут быть использованы термопары, терморезисторы, биметаллические пластинки, манометрические термоэлементы и т. п.

Принцип действия термопары основан на возникновении ЭДС на концах двух разнородных спаянных проводников при нагревании места спая. Чем больше температура места спая и меньше температура концов проводников, тем больше ЭДС. Схема включения термопары показана на рис. 36, а. Если температура выходных концов термопары постоянна, то зависимость между выходным напряжением и температурой точки спая, т. е. статическая характеристика термопары, почти линейная.

Термопары применяют для измерения высоких температур (более 500—800°С), так как использовать их для низких и средних температур нецелесообразно из-за малой чувствительности. Для сравнения температур в двух точках применяют дифференциальное включение двух термопар — последовательное и встречное (рис. 36, б). Оба конца такой термопары являются рабочими, и ЭДС отличается от нуля, когда температуры концов неодинаковы, причем полярность за­висит от того, где температура выше.

Конструктивно термопары весьма разнообразны, начиная больших термопар, которые устанавливаются в доменных печах, и кончая миниатюрными вакуумными термопарами., В терморезисторах используется свойство проводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Для изготовления терморезисторов используют металлы с большим температурным коэффициентом сопротивления или полупроводниковые материалы, имеющие большую зависимость сопротивления от температуры.

Т ерморезисторы, в зависимости от применения, могут быть изготовлены в виде нити, катушки, спирали и т.п.

Рис.36

Полупроводниковые терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом называются термисторами, с положительным — позисторами. Полупроводниковые терморезисторы представляют собой смеси окислов некоторых металлов, спрессованные и спеченные при высокой температуре. В зависимости от материала различают медно-марганцовые (ММТ) и кобальтово-марганцевые (КМТ) терморезисторы.

Терморезисторы, используемые в качестве датчиков, могут применяться в двух режимах: 1) температура терморезистора определяется температурой окружающей среды; 2) терморезистор нагревается проходящим по нему большим током, а его температура зависит от изменяющихся условий охлаждения.

В .первом случае терморезистор используется в качестве датчика температуры или термометра сопротивления. Ток, протекающий по терморезистору, должен быть настолько мал, чтобы он не вызывал ощутимого нагрева терморезистора. В этом случае могут применяться как полупроводниковые терморезисторы, так и металлические, выполненные из проволоки диаметром 0,1 мм, намотанные на слюдяной, фарфоровый или кварцевый каркас. Полупроводниковый терморезистор обладает меньшей стабильностью, но он более чувствителен, чем металлический, и позволяет обнаружить отклонения на сотые и тысячные доли градуса.

Во втором случае терморезистор используется в качестве датчика для измерения неэлектрических величин, тем или иным способом изменяющих отвод тепла от терморезистора. Например, так может быть изготовлен анемометр — устройство, измеряющее и контролирующее скорость потока газа. Термоанемометр (рис. 37) представляет собой тонкую нить, припаянную к стойкам и нагреваемую током. Исследуемый газовый поток обдувает нить, поэтому се температура 'И сопротивление зависят от скорости потока газа; происходит преобразование скорости потока в электрическое сопротивление датчика.

Рис.37

Принцип действия термовакуометров, измеряющих степень вакуума или давление в баллонах, основан на уменьшении теплопроводности газа при уменьшении давления. В баллоне, где измеряется давление, помещается тонкая платиновая нить, нагреваемая током. При уменьшении давления в баллоне уменьшается теплопроводность газа, ухудшается теплоотдача, что приводит к увеличению сопротивления нити и тока в ее цепи. Таким образом, степень вакуума в баллоне преобразуется в электрическую величину — изменение сопротивления или тока.

Терморезисторы, используемые в качестве датчиков, могут включаться по простой однотактной, дифференциальной и мостовой схемам.

Примером мостовой схемы включения терморезистора может быть устройство для измерения мощности теплового излучения (рис. 38). Терморезистор R1 поглощает часть мощности, в результате его сопротивление изменяется. При этом мост будет разбалансирован, а возникшее выходное напряжение, поступающее на вход усилителя, будет зависеть от мощности излучения.

Р ис.38

Электроконтактный термометр представляет собой обычный ртутный термометр, в капилляр которого впаяны два тонких проводника (рис. 39). При заданной температуре ртуть, поднявшаяся по капилляру, замыкает контакты проводников и включает электрическую цепь. Такие термометры применяются для работы при небольших температурах.

Рис.39

Электроконтактные термометры типа ЭКТ-1 и ЭКТ-2 применяются в системах автоматического регулирования температуры растворов при обработке киноплёнки.

Задающие элементы. Задающие устройства или задатчики — элементы автоматических систем, используемые для установки заданного значения регулируемой величины или требуемого закона изменения этой величины. В зависимости от природы вырабатываемого сигнала различают электрические и механические задающие устройства. Кроме того, различают задающие устройства для обеспечения постоянного по величине значения регулируемого параметра и программные задающие устройства для задания программ изменения этого параметра.

Задающие устройства должны обладать определенной точностью и стабильностью, так как от этого в значительной степени зависит качество работы системы автоматического регулирования. Для задания постоянных значений регулируемого параметра применяются стабилизаторы различных видов. В кинотехники часто используются стабилизаторы на кремневом стабилитроне и феррорезонансные стабилизаторы напряжения.

В параметрическом стабилизаторе напряжения кремниевый стабилитрон включается через балластный резистор Rб (рис. 40), который вместе со стабилитроном образует делитель напряжения. При изменении, например, входного напряжения изменится ток в цепи резистора и стабилитрона, однако, напряжение на стабилитроне остается прежним, а всё изменения напряжения будут происходить на резисторе Rб.

Рис.40.

В процессе эксплуатации стабилизаторов на кремниевых стабилитронах нельзя допускать увеличение входного напряжения больше установленной величины. В этом случае обратный ток через стабилитрон увеличивается настолько, что пробой р-п перехода становится необратимым.

Сравнивающие элементы осуществляют сравнение заданного и действительного значений параметра регулирования и выделяют сигнал ошибки. В ряде систем датчик, задающее устройство и сравнивающий элемент выполнены одним узлом, который называется измерительным элементом. В качестве сравнивающих и измерительных элементов могут применяться мостовые схемы включения сопротивлений, диффе­ренциальные, балансные и другие схемы.