12. Контактные датчики других типов

Жидкостно-стеклянные термометры – в своей основе это очень простые приборы, позволяющие проводить довольно точные измерения в широком интервале температур. Их действие основано на расширении термометрической жидкости при изменении температуры. Жидкостно-стеклянные термометры в основном применяются для измерения температуры жидких и газообразных сред. Самый распространенный тип – ртутные стеклянные термометры.

Существуют три категории термометров, различающихся глубиной погружения при измерении: термометры полного погружения (погружается резервуар с ртутью и корпус до уровня ртути), термометры частичного погружения (погружается резервуар и заданная часть корпуса), термометры для работы при полном погружении ниже уровня жидкости.

Преимуществом ртутных термометров является простота отсчета показаний, хорошая стабильность. Недостатки – хрупкость, экологическая опасность загрязнения окружающей среды, невозможность дистанционного отсчета показаний. В большинстве случаев ртутные термометры медленно, но неуклонно заменяются термометрами сопротивления или другими контактными датчиками.

Биметаллические термометры – это технические термометры, действие которых основано на эффекте расширения двух металлов с различными температурными коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Основным элементом биметаллических термометров является биметаллическая пластина, которая может иметь различную форму. Один слой пластины изготавливается из материала с высоким ТКЛР, другой – с низким ТКЛР. Например, один слой может быть изготовлен из дюралюминия с ТКЛР (22-24)∙10^-6 мм∙мм/К, а другой слой – из стали с ТКЛР около (10-12) 10^-6 мм∙мм/К. Оба слоя спаяны или сварены один с другим. При нагреве такой пластины она будет изгибаться (рис. 12.1).

Дюралюминий

Дюралюминий

Т₂ > Т₁

Т₁

Сталь

Сталь

б)

а)

Рис. 12.1. Изгиб защемленной биметаллической пластины при нагревании: а – пластина при низкой температуре, б – пластина после нагрева

Свободный конец пластины можно, например, соединить с зубчатым сектором, который при перемещении этого конца пластины будет вращать зубчатое колесико, на оси которого закреплена стрелка прибора, как это сделано в стрелочном манометре Бурдона. Прогиб свободного конца пластины можно также использовать для перемещения рычажка электрического потенциометра или для изменения зазора в системе с индуктивностью и т.д. с целью прямого преобразования температуры в электрический сигнал.

Эти термометры не требуют источников питания, могут устанавливаться в системы контроля и регулирования температуры. Достоинством является низкая стоимость и искро и пожаробезопасность. Недостатком является низкая точность и стабильность.

Манометрические термометры – это технические термометры, действие которых основано на изменении давления газа в баллоне чувствительного элемента. Термометры уступают в точности термометрам сопротивления. Недостатком является также необходимость полного погружения баллона в измеряемую среду (рис. 12.2).

Манометрические термометры могут оснащаться специальными устройствами, преобразующими сигнал в электрический и позволяющими производить регулирование температуры.

Диодные термометры – это термометры сопротивления, используемые в области низких температур (до 400 К) чувствительный элемент которых представляет собой полупроводниковый диод. Выпускаются два типа диодных термометров: на основе арсенида галлия (GaAs) и на основе кремния (Si). Измеряемый параметр, зависящий от температуры – прямое напряжение на p-n переходе диода при постоянном заданном токе. Оптимальный ток лежит в пределах от 10 до 50 мкА. Практическим достоинством таких термометров является линейная характеристика напряжение-температура. Воспроизводимость результатов составляет для GaAs ± 10 мК выше 77 К и ниже 7 К, однако вблизи 20 К воспроизводимость не лучше 30 мК. Ниже 30 К кремниевые диоды дают более воспроизводимые результаты, но проявляют большую чувствительность к магнитным полям.

Кварцевые датчики температуры

Кварцевые термометры – это автогенераторные преобразователи с частотным выходом, использующие в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический резонатор с сильной зависимостью частоты от температуры. Преимущество использования термочувствительных кварцевых резонаторов, прежде всего, заключается в их высокой чувствительности, высокой стабильности и простоте использования. Сигнал от резонаторов можно сразу обрабатывать в цифровой форме, что удешевляет процесс контроля температуры. Схема кварцевого датчика температуры приведена на рис. 12.3.

Рис. 12.2. Схема применения кварцевого датчика температуры:

1. Резервуар. 2. Среда, температуру которой нужно контролировать. 3. Кварцевая пластинка (резонатор). 4. Соединительный кабель. 5. Генератор частоты, в который включен кварцевый резонатор. 6. Источник питания. 7. Измеритель частоты (частотомер) со шкалой в градусах

5

6

7

4

3

2

1

Измерение температуры с помощью термочувствительных кварцевых резонаторов основано на использовании анизотропии кристалла кварца. Выбирая соответствующую ориентацию среза пьезоэлемента относительно кристаллографических осей, можно изменять его термочастотную характеристику (ТЧХ), которая в общем случае является нелинейной функцией температуры и описывается следующим выражением:

где - температурный коэффициент частоты (ТКЧ), Т и Т₀ – калибровочное и опорное значения температуры, f₀ – резонансная частота при температуре Т₀.

В широком диапазоне температур ТЧХ кварцевого резонатора с достаточной точностью аппроксимируется полиномом третьей степени (m=3).

Для измерения температуры нужны кварцевые резонаторы с максимальным ТКЧ и монотонным изменением ТЧХ на рабочем участке. Современные кварцевые термочувствительные резонаторы имеют чувствительность 2 Гц/°С и 4 Гц/°С для резонаторов с опорной частотой, равной 32 и 64 кГц соответственно.

Диапазон измеряемых температур ограничен снизу азотными температурами (около 80 К), а сверху - примерно величиной +(150…200) °С. Ограничение определяется наличием провалов добротности резонаторов при использовании искусственного кварцевого сырья, а также уменьшением крутизны преобразования при понижении температуры. Для достижения высокой точности измерения температуры необходима индивидуальная градуировка с учетом нелинейных членов в аппроксимирующем полиноме, однако, в настоящее время это не является сложной задачей. Микропроцессор пересчитывает значение частоты, поступающее с кварцевого преобразователя, в значение температуры по индивидуальной градуировочной характеристике. Существуют термометры позволяющие измерять температуру в диапазоне –30...+100 °С с точностью 0,06 °С.

Типовой кварцевый термометр состоит из трех основных узлов: чувствительного элемента, частотного преобразователя и специального вычислителя (микроконтроллера). Созданный на базе кварцевых резонаторов цифровой термометр можно использовать как многоканальную систему контроля температуры. Можно осуществить передачу частоты с преобразователя температуры на расстояния до нескольких сотен метров.

Преимущественная область использования кварцевых термометров - научные исследования, связанные с высокоточными и длительными измерениями.