4. Датчики температуры

Для измерения и контроля температуры чаще всего используется явление изменения электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

Датчики, использующие зависимость изменения сопротивления металла от температуры, получили название термометров сопротивления.

Металлический термометр сопротивления выполняется в виде каркаса из изоляционного материала, на который бифилярно намотана тонкая проволока из специального металла или сплава. Материалом для изготовления проволоки служат чаще всего платина, медь, вольфрам, никель. Термометр помещается обычно в герметичный цилиндрический корпус для защиты от механических повреждений и коррозии.

Рабочий диапазон измерения температуры термометров сопротивления весьма широк. Для платины, например, при соответствующей коррекции он составляет 200—1000° С. Термометры сопротивления обычно работают в ком­плекте со стандартными приборами, измеряющими их сопротивление: уравно­вешенные автоматические мосты, логометры и др. Шкалы этих приборов градуи­руются в °С.

Применение этих датчиков дает самую высокую точность измерения темпе­ратуры, достигающую 10~³ °С. К недостаткам термометров сопротивления следует отнести необходимость в довольно сложной измерительной аппаратуре, а также сравнительно большие размеры датчиков, что препятствует их приме­нению для измерения температур в малых объемах.

От указанного недостатка свободны полупроводниковые датчики темпера­туры — терморезисторы. Кроме малых размеров (до сотых долей миллиметра) достоинством терморезисторов является высокое значение температурного коэффициента — на порядок выше, чем у металлических термометров. Термо­резисторы обладают также высоким полным сопротивлением, что повышает их чувствительность и уменьшает погрешность, обусловленную нестабиль­ностью сопротивления соединительных проводов. Обычно терморезисторы имеют форму бусинки, диска или стержня; изготовляются они прессованием и спеканием различных химических соединений никеля, кобальта, меди и дру­гих металлов.

При последовательном соединении терморезистора и специально подобран­ного резистора с линейной характеристикой возникает релейный эффект — скачкообразное изменение суммарного сопротивления при определенной тем­пературе. Это явление может использоваться в рудничной автоматике для

построения схем температурной защиты. Рабочий диапазон терморезисторов составляет от — 100 до -j-ЗОО⁰ С, но уже при температуре 100° С ухудшается стабильность измерений. К недостаткам терморезисторов можно отнести зна­чительный разброс характеристик отдельных экземпляров.

Генераторными датчиками температуры являются термопары. Термопара представляет собой два проводника из разных металлов, спаянные концами (рис. 9, а). Используемое здесь явление термоэлектричества состоит в возник­новении э. д. с. в месте контакта двух различных металлов при его нагревании. Если в контуре, образованном двумя участками провода из разных металлов, места их спаев имеют различную температуру, в нем возникает термо-э. д. с, пропорциональная разности температур спаев. Обычно термо-э. д. с. изме­ряется милливольтметром или потенциометром, проградуированным в едини­цах температуры. Материалы, применяемые для изготовления термо­пар, характеризуются чувствительностью, представляющей собой термо-э. д. с.

Для передачи сигнала от термопары к измерительному прибору применяют специальные удлинительные провода, материал которых подбирается так, чтобы э. д. с. контакта с выводами термопары была минимальна. Такие провода, называемые обычно компенсационными, выполняются в виде двухжильного кабеля и выпускаются промышленностью для всех типов термопар.

Термопары позволяют измерять температуру в широких пределах — от —200 до 4-2000° С, но обычно используются для измерения высоких тем­ператур.

Широко распространены датчики температуры, основанные на явлении температурного расширения тел. Например, биметаллический датчик темпера­туры представляет собой биметаллическую пластину, полученную свариванием двух пластинок из сплавов с различными коэффициентами температурного расширения. При нагревании такая пластина изгибается выпуклостью к слою с большим коэффициентом температурного расширения. Если один конец пластины закрепить, перемещение второго конца будет зависеть от температуры и может быть преобразолано в электрический сигнал при помощи датчика пере­мещений. Обычно используется простейший контактный датчик.

В манометрических датчиках температуры используется расширение газа при нагревании, что приводит к повышению давления в замкнутом объеме. Существуют также датчики, основанные на температурном расширении жид­кости. Широко применяется, например, ртутно-контактный датчик, в котором столбик ртути в трубке, изменяя свою высоту в зависимости от температуры,, замыкает на определенном уровне электрические контакты.