Лекция №10.
Тема лекции: Датчики температуры систем автоматики.
Цель лекции: Изучение особенностей применения в электронных средствах управления различных типов датчиков температуры.
Зависимость свойств многих материалов от температуры не всегда является недостатком - из таких материалов изготавливаются датчики температуры. Конструкция выбирается таким образом, чтобы усилить температурную зависимость какой-либо электрической характеристики. Эта зависимость, как правило, является нелинейной, что создает дополнительные трудности при ее воспроизведении. Обычно применяются следующие типы датчиков температуры:
термоэлементы;
резистивные детекторы температуры;
полупроводниковые детекторы температуры.
Термоэлектрические преобразователи (термопары)
Первый термоэлемент был создан в 1887 году французским ученым Ле Шателье (Ie Chatelier). В термоэлементе две точки контакта А и В соединены двумя параллельными проводами, выполненными из разных металлов (например, алюминий и медь). Таким образом создается замкнутая цепь.
Принцип работы термоэлемента. Если температуры точек А и В различаются, то по замкнутой цепи циркулирует ток. На правом рисунке показана реальная цепь для измерения этого тока. Точка А соответствует "горячему" спаю, а В и С — холодному. Точки В и С должны иметь одинаковую температуру. До тех пор пока температуры в точках А и В одинаковы, ток в цепи не протекает. Если температуры в точках А и В отличаются, то по цепи начинает протекать электрический ток. Это явление называется термоэлектрическим эффектом или эффектом Сибека (Seebeck), по имени открывшего его в 1821 году исследователя. Эта так называемая термоэлектродвижущая сила увеличивается как функция разности температур. Возникающее напряжение лежит в пределах нескольких милливольт, что требует применения дополнительной очень чувствительной - и поэтому сравнительно дорогостоящей — электронной измерительной аппаратуры. Из-за низкого уровня сигнала следует тщательно выбирать процедуру передачи и соединительные провода. Необходимо иметь в виду, что термоэлемент измеряет разность температур, а не ее абсолютное значение, поэтому температура одного из контактов должна быть известна с высокой точностью. Для различных температурных диапазонов используются разные сочетания металлов. Термоэлементы весьма надежны и недороги, имеют малую теплоемкость и способны работать в широком диапазоне температур.
Международная электротехническая комиссия (МЭК, International Electrotechnical Commission - IEC) определила некоторые стандартные типы термоэлементов (стандарт IEC 584-1). Элементы имеют индексы R, S, В, K.J, Е, Т в соответствии с диапазоном измеряемых температур.
В промышленности термопары используют для измерения высоких температур, до 600 -1000 - 1500˚С. Промышленная термопара состоит из двух тугоплавких металлов или сплавов в качестве таких металлов могут использоваться, например, медь и константан.
При изготовлении термопары можно спаивать, а не сваривать концы проводников, а также использовать удлинительные провода для подключения термопар к измерительным приборам. Поэтому можно использовать медные провода на больших расстояниях, что экономически выгодно!
Способы измерения или стабилизации холодного спая называются компенсацией холодного спая. Один из способов – самый старый – это помещать холодный спай в нулевую температуру – тающий лёд. Другой способ: ставят дополнительный датчик температуры рядом с холодным спаем, измеряют температуру и вводят компенсацию к холодному спаю.
Часто встречающиеся типы термопар:
Медь – константан (металлы А и В);
Хромель – алюмель;
Хромель – копель (наиболее распространенный ) и др.
Выбор металлов стандартных термопар осуществляется исходя из следующих факторов:
величина термоэлектрического коэффициента;
линейность характеристики;
химическая стойкость к воздействию окружающей среды;
температурный диапазон применения.