Основные положения и методические указания

Датчик температуры – техническое устройство, предназначенное для измерения и преобразования температуры среды, в которую помещен его воспринимающий элемент (орган), в другую физическую величину (как правило, в электрический сигнал), более удобную для воздействия и передачи на последующие элементы автоматической системы или для измерений.

При производстве сельскохозяйственной продукции и её переработке в САУ и САР применяются следующие датчики температуры.

1. Жидкостные датчики работают на основе явления теплового расширения ртути или спирта. К ним относятся контактные термометры, а также объемные жидкостные датчики, в которых изменение столба жидкости определяет изменение омического, индуктивного или емкостного сопротивлений или интенсивность светового потока. Измерение температур этими датчиками возможно в пределах от –30 до +100°С. Их достоинства – простота устройства, достаточная точность измерения; недостатки – недолговечность, они не подлежат ремонту и не приспособлены к вибрациям.

2. Манометрические датчики, в которых изменение объема (давления) жидкости или газа, находящихся в замкнутом пространстве, под влиянием изменения температуры преобразуется в перемещение специальных мембран, сильфонов или манометрических трубок, связанных с электрическими контактами. Класс точности этих датчиков 1,6 - 4,0. Они применяются для дистанционного (до 60 метров) измерения температур в пределах от –160 до +600°С. Их достоинства – простота конструкции, возможность дистанционного измерения; недостатки – значительная инерционность, невысокая точность измерения.

3. Биметаллические датчики, в основу работы которых положено свойство металлов изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Чувствительный элемент такого датчика выполнен из пластины или спиральной ленты, состоящей из двух слоев разнородных металлов, отличающихся друг от друга коэффициентами объёмного теплового расширения. При нагреве составляющие биметаллической пластины или спирали удлиняются неодинаково, и поэтому происходит изгиб спирали в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом расширения. При определенной температуре контакты цепи перемыкаются. Диапазон рабочих температур биметаллических датчиков от –60 до +350°С. Недостаток датчиков такой конструкции – медленное и неполное замыкание и размыкание контактов, которое приводит их к подгоранию.

4. Дилатометрические датчики, как и биметаллические, работают на основе явления изменения линейных размеров тел при изменении температуры. Стержень чувствительного элемента выполнен из кварца, фарфора или другого материала, имеющего малый коэффициент теплового расширения, расположен внутри трубки, изготовленной из металла с большим коэффициентом теплового расширения. Стержень одним концом жестко прикреплен к трубке, а вторым – свободным концом связан с контактной группой. В зависимости от колебаний температуры трубка изменяет свою длину, вследствие чего происходит перемещение стержня датчика и переключение контактов. Пределы измерений от –150 до +700°С; им присущи большие погрешности, которые меняются в зависимости от внутренних деформаций металла.

5. Термоэлектрические датчики (термопары) основаны на возникновении электродвижущей силы при изменении температуры одного из спаев замкнутой цепи, составленной из разнородных термоэлектродов и вторичных приборов регистрации или передачи полученных сигналов далее на элементы САУ. При нагревании спая в цепи возникает термо-э.д.с., величина которой пропорциональна разности температур нагретого и свободного концов и зависит от материала электродов.

Различают стандартные технические и нестандартные термопары. В автоматических системах применяются металлические или полупроводниковые типы термопар: а) высокотемпературные (до 2500°С); б) среднетемпературные (до 1200°С); в) низкотемпературные (до 800°С).

Термопары позволяют измерять и регистрировать температуру с высокой точностью и передавать показания на расстояние.

6. Радиационные термодатчики, принцип действия которых основан на изменении интенсивности спектрального состава излучения нагретых тел при изменении их температуры. К этим датчикам относятся оптические пирометры с пределами измерений от +700 до +6000°С, радиационные пирометры от +100 до +2500°С и цветовые пирометры на пределы +1400…2800°С. Применяются пирометры излучения, как правило, для определения бесконтактным методом температуры тел, нагретых до видимого свечения. В сельском хозяйстве они используются редко.

7. Термометры сопротивления широко используются для измерения температур в диапазоне от –200 до +700°С. Их применение основано на свойстве проводников или полупроводников изменять электрическое удельное сопротивление в зависимости, от температуры окружающей среды. Обладая теми же достоинствами, что и термопары, эти датчики, кроме того, позволяют получить на выходе большую мощность и хорошо согласуются с вторичными приборами.

В зависимости от материала изготовления термометры сопротивления подразделяются на: а) терморезисторы (материалы – медь, железо, никель, платина) – металлические термометры сопротивления; б) термисторы (материалы – окислы меди, кобальта, марганца, никеля и др.) – полупроводниковые термометры сопротивления с отрицательным коэффициентом сопротивления; в) позисторы (материалы – титанат бария с добавками) – полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления на рабочем участке характеристики.

К основным характеристикам датчиков температуры относят: 1) зависимость выходного параметра датчика от температуры; 2) передаточная функция датчика; 3) чувствительность датчика; 4) динамическая и статическая характеристики; 5) инерционность (быстродействие) датчика; 6) порог чувствительности; 7) погрешность преобразования.