Резистивные термометры

Сопротивление проводников (металлов), как правило, возрастает при увеличении температуры. Изменение сопротивления с темпера­турой описывается следующим выражением:

Rt = R_о(1 + а₁ Т + а₂Т² + ... + а_nTⁿ), (8.5)

где Rt — сопротивление при температуре T°С; /Rо — сопротивление при 0°С; а_i, — константы. Число членов в разложении зависит от материала, интервала температур и требуемой точности.

Чаще всего используются платина, никель и медь. Для представ­ления их характеристик с высокой точностью требуются две (пла­тина) или три (никель и медь) константы а_i. Но в ограниченном диапазоне температур (0 ... 100° С) хорошую точность обеспечива­ет аппроксимация R_T = /Rо(1 + аТ). Первоначально в резистивных термометрах использовалась медная проволока, но из-за низкого удельного сопротивления меди для намотки практически работаю­щего элемента требовался провод очень большой длины. В настоя­щее время наибольшее распространение получили проводящие дат­чики из платины. Как благородный металл, платина менее

восприимчива к посторонним примесям. При температурах ниже 20 К используется родий, который характеризуется более высокой чув-ствительностью, чем платина. Пока еще используются элементы, изготавливаемые из никеля и его сплавов, поскольку они имеют низкую стоимость и довольно высокое значение базового сопротив¬ления. Тем не менее наблюдается устойчивая тенденция к их замене на платиновые элементы. На рис. 8.8 приведены кривые зависимости сопротивления от температуры для широко используемых проводниковых датчиков температуры.

Платина используется как в проволочных, так и в пленочных элементах. Элементы из чистой платины формируются посред­ством бездеформационной намотки и затем отжигаются. Они при­меняются для интерполяции Международной практической шкалы температур 1968 (IPTS-68) между фиксированными точками 13,81 К (тройная точка водорода) и 903,89 К (точка затвердевания сурьмы). Однако некоторые конструкции измерительных преобразователей с платиновыми проволочными элементами использовались вплоть до температуры 1050°.

Рисунок 8.8 Зависимости сопротивления от температуры для наиболее широко исполь­зуемых резистивных датчиков температуры

Резистивные термометрические мосты могут работать как на переменном, так и на постоянном токе. Величина постоянного или эффективное значение переменного тока обычно выбирается в диа¬пазоне 2 ... 20 мА. Возможно появление некоторой погрешности от самонагрева термометра, но эта погрешность обычно довольно ма¬ла. Например, платиновый элемент открытой конструкции с сопро¬тивлением 450 Ом, по которому протекает ток 25 мА, при погруже¬нии в ванну из жидкого кислорода имеет погрешность самонагрева приблизительно 0,2°С .

Термисторы

Термисторы (или терморезисторы) — это термочувствительные резисторы, изготавливаемые из полупроводниковых материалов (спекаемых смесей сульфидов, селенидов, оксидов никеля, марганца, железа, кобальта, меди, магния, титана, урана и других металлов). Эти материалы формуются в небольшие шарики (бусинки), диски, стержни (обычно герметизированные стеклом или эпоксидной смолой шайбы).

Большинство термисторов характеризуются высоким удельным сопротивлением и высоким отрицательным ТКС (температурным коэффициентом сопротивления), т. е. сопротивление таких терми­сторов уменьшается с увеличением температуры. Величина отрица­тельного ТКС может составлять несколько процентов на градус Цельсия, что позволяет использовать термисторы для детектирова­ния малых изменений температуры, которые не удается наблюдать с помощью резистивных датчиков температуры и термопарных схем. Плата за повышенную чувствительность — потеря линейнос­ти. Для термисторов зависимости сопротивления от температуры в сильной степени нелинейны.

Существуют термисторы и с положительным ТКС, изготавлива­емые путем спекания смеси бария и титаната стронция. Они также реализованы в различных конфигурациях. Эти термисторы часто называют переключательными термисторами из-за специфической зависимости сопротивления от температуры. При увеличении тем­пературы их сопротивление остается практически постоянным, пока не достигается температура переключения (точка Кюри), вблизи ко­торой каждое дополнительное приращение температуры вызывает резкое увеличение сопротивления. Температура переключения мо­жет изменяться от —20 до + 125°С. Термисторы с положительным ТКС часто используются как термостатирующие реле для контроля и регулирования температуры внутри печи.

Платиновый резистор имеет харак­теристику с положительным ТКС ~0,34%/°С. Характеристика термистора с отрицательным ТКС спадает при возрастании темпера­туры; увеличение температуры на 1°С приводит к уменьшению сопротивления приблизительно на 4,5% при 30°С и приблизитель­но на 1,6% при 155°С. Сопротивление термистора с положи­тельным ТКС при увеличении температуры изменяется слабо (ТКС ≤ 0,5%/°С), пока не достигается точка Кюри, где наклон ха­рактеристики резко возрастает до 67%/°С (при температуре между 96 и 97°С) и затем уменьшается, принимая при 135°С приблизи­тельно такое же значение, как у термистора с отрицательным ТКС.

Основное эмпирическое соотношение, используемое для описа­ния зависимости сопротивления термистора от температуры, имеет вид

Rt = R₀ехр(β(1/T – 1/To)), (8.6)

где: Rt — сопротивление термистора при измеряемой температуре Т(К) и R₀ — его сопротивление при некоторой известной темпера­туре To (обычно 298,15 К), причем указанные сопротивления соот­ветствуют нулевой мощности рассеяния (отсутствие самонагрева). Величина R₀ может изменяться в интервале от нескольких Ом до 10 МОм; высокоомные термисторы используются для измерения высоких температур, низкоомные — для измерения низких темпера­тур. Параметр β, выражаемый в градусах Кельвина, зависит от ма­териала термистора; его значение определяется по измеренным зна­чениям сопротивления в точке таяния льда и при некоторой темпе­ратуре, несколько превышающей комнатную, обычно при 50°С (фирма Carborundum Co. использует температуры 25 и 73,2°С). Этот параметр, известный также как характеристическая температу­ра, слабо возрастает при увеличении температуры. В интервале температур 1500 ... 1600 К его типичное значение соответствует примерно 4000 К.

Фирма Omega Engineering для описания свойств термистора ис­пользует формулу Штайнхарта — Харта]:

1/T = А + BlnR + C(lnR)³, (8.7)

где температура измеряется в градусах Кельвина. Параметры А, В и С находятся путем решения трех уравнений с известными значе­ниями Ri и T_i.

Погрешность получаемых по этой формуле интерпо­лированных данных не превышает + 0,01^СС при выполнении следу­ющих условий для температур Ti:

-40°С< T₁, Т_г, Т₃< 150°С; \Т_г- T₁ |< 50°С; \Т₃ - Т₂\ < 50°С.

Для более узкого интервала температур адекватное описание темпе­ратурной зависимости сопротивления термистора обеспечивает формула

T = B/(lnR – A) – C.

Применения

Диапазон типичных применений термисторов очень широк.

Термисторная пневмография. Термистор помещается во внеш­ний носовой проход для определения разности температур между вдыхаемым холодным и выдыхаемым теплым воздухом. Эти данные в свою очередь используются для диагностики дыха­тельной системы. Рабочий ток термистора выбирается неболь­шим, чтобы самонагрев не превышал 1°С. Адекватная чувствитель ность может быть достигнута при рассеиваемой мощности около 5 мВт с предельным значением 40 мВт для миниатюрных бусинковых термисторов (большая рассеиваемая мощность приводит к чрезмерному разогреву термистора и дискомфорту пациента во вре­мя процедуры). Если пациент дышит через рот, термистор может быть размещен во рту. Данная система работает неудовлетворительно, когда температура выдыхаемого воздуха (температура тела) совпадает с температурой окружающего воздуха. В этом случае следует за счет самонагрева поднять температуру термистора несколько выше температуры тела, но ниже уровня дискомфорта.

Датчик скорости с использованием эффекта теплопроводнос­ти. Стабильные термисторы. с малой постоянной времени можно использовать в качестве измерительных преобразователей скорости. Принцип работы таких преобразователей основан на конвекцион­ном охлаждении нагретого термистора, подвешенного в жидкости. Это применение термисторов описывается в разд. 10.2.

Измерение потока тепла при растворении. В данном случае ис­пользуется тепловой эффект при растворении холодной пилюли из соли. Применяется для измерения сердечного выброса [26]. Проце­дура проводится с применением катетера Свана — Ганца. Катетер вводится через вену в легочную артерию. Вводимый в правое пред­сердие солевой индикатор смешивается с кровью в правом желудоч­ке. Термистор, расположенный вблизи наконечника катетера, фикси­рует уровень снижения температуры крови в легочной артерии. В разд. 10.1 описывается, как использовать эту информацию для рас­чета потока крови.

Измерение температуры.. Шкала измерительного прибора может быть проградуированав единицах температуры. На рис. 8.9 представлена чувстви­тельная к изменению температуры схема с термистором, включен ным в одно из плеч моста. Если в мостовую схему ввести два термистора то можно проводить разностные измерения.

Рисунок 8.9. Схема для измерения температуры

Температурная компенсация. Термистор может быть использован в схеме, которую можно использовать для компенсации влияния температуры окружающей среды на медные обмотки в измерительных при­борах, генераторах, двигателях и т. п. Медь имеет положи­тельный, а термистор — отрицательный ТКС. Температурные из­менения их сопротивлений компенсируют друг друга, в результате поддерживается относительное постоянство сопротивления обмотки при изменении температуры окружающей среды.

Измерение уровня жидкости. Сопротивление термистора, когда он находится в воздухе, уменьшается из-за самонагрева. При этом в цепи протекает ток, до­статочный для замыкания контактов реле. При частичном погруже­нии термистора в жидкость он охлаждается за счет существенно большей теплопроводности жидкости (по сравнению с воздухом), и, следовательно, его сопротивление возрастает. Ток в цепи уменьшается, и контакты реле размыкаются. Реле может работать в качестве клапана, регулирующего расход жидкости.

Измерения мощности. Если бусинковый термистор с сопротив­лением 2 кОм включить в одно плечо резистивного моста с сопро­тивлением других плеч, равным 200 Ом, и этот мост через перемен­ный резистор подключить к источнику напряжения (рис. 8.10), то,

Рисунок 8.10. Термисторная схема для изме­рения мощности постоянного тока или высокочастотной мощности.

постепенно увеличивая ток в цепи и выделение тепла в термисторе, можно уменьшить его сопротивление до 200 Ом и сбалансировать мост. По величине тока баланса можно рассчитать рассеиваемую в термисторе мощность постоянного тока. Если подать на терми­стор (через соответствующие конденсаторы) дополнительную высо­кочастотную мощность, он будет нагреваться сильнее и мост разба-лансируется. Уменьшая ток в цепи и, следовательно, рассеиваемую в термисторе мощность, можно вновь сбалансировать мост и рас­считать новое значение мощности постоянного тока. Разность меж­ду значениями мощности постоянного тока, полученными в первом и во втором случаях, равна высокочастотной мощности.

Альтиметр. Обсуждался очень чувствительный термисторный альтиметр (высотомер), в котором термистор располагается на поверхности жидкости в открытом контейнере, а жидкость нагревается до точки кипения (рис. 8.11). Сопротивление термистора зависит от температуры кипения жидкости, а эта температура в свою очередь зависит от давления, действующего на жидкость. Давление же является функцией высоты. Это устройство называют также гипсометром; оно может измерять высоты в диапазоне от уровня моря до 37500 м с точностью не хуже 1%.

Рисунок 8.11. Термисторный альтиметр.

Другие применения. Возможны и некоторые другие применения термисторов. Они используются, например, для стабилизации рабо­чих режимов транзисторов (температурная компенсация), в устройствах задержки подключения нагрузок, для контроля уровня мощности и в измерительных устройствах с использованием эффек­та теплопроводности.

8.5. СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

В этом разделе рассматриваются в основном простые системы с использованием оптических датчиков. Имеется несколько простых применений оптических датчиков, реализуемых с минимальными усилиями. В разд. 8.6 мы опишем одну дополнительную систему более подробно. Здесь кратко обсуждаются также волоконно- оптические системы связи. Это сделано с учетом широкого интере­са к волоконно-оптической технологии и ее широкого применения. Такие системы, как спектрофотометры, колориметры и различные лазерные устройства, мы опустили из-за их сложности.

Два примера простых систем — это измеритель плотности ды­ма и нефелометр – прибор для измерения степени мутности дисперсных систем суспензий эмульсий аэрозолей и т. п. В состав обеих систем входят источник света, оптические элементы и детектор. Обе системы предназначены для выполнения аналогичных функций, но отличаются взаимной ориен­тацией источника и детектора. В измерителях плотности дыма, ис­пользуемых для контроля качества работы дымовых труб, детек­тор устанавливается прямо напротив источника света и регистриру­ет поглощение светового пучка. В нефелометрах детектор ориенти­руется перпендикулярно пучку. В результате, если дым (или какое-либо другое аналогичное непрозрачное вещество) попадает в систе­му, свет от источника рассеивается на нем во всех направлениях и часть рассеянного света регистрируется детектором. В бытовых де­текторах дыма обычно используется второй способ регистрации.

В практике используется относительно простая система — радиационный термометр. Излучение фокусируется на датчике с по­мощью коллимирующих зеркал и модулируется крыльчаткой пре­рывателя. Модуляция пучка позволяет использовать в системе уси­литель переменного тока и корректировать дрейф нуля. Опорный сигнал от двигателя прерывателя синхронизирует фазочувствитель-но демодулятор, так что на выходе фильтра мы по­лучаем квазипостоянный сигнал, величина которого пропорцио­нальна измеряемой температуре объекта.

Системы волоконно-оптической связи — быстро расширяющая­ся область применения оптических датчиков (особенно это касается систем, связанных с ЭВМ). Несмотря на то что принцип работы этих систем довольно прост, сами системы могут быть довольно сложными. В них обычно используются два типа источников све­та — светодиоды и инжекционные лазеры (лазерные диоды). В на­стоящее время светодиоды применяются чаще, чем лазеры, по­скольку они дешевле, более стабильны, имеют большую ожидае­мую долговечность и более широкий диапазон допустимых рабочих температур. Однако лазеры могут обеспечить примерно в 10 раз большую выходную мощность и благодаря когерентности и моно­хроматичности своего излучения допускают более высокую ско­рость передачи данных в системе. Среднее эксплуатационное время жизни светодиодов в волоконно-оптических применениях составля­ет порядка 10⁵ ч.

Идеальным датчиком для волоконно-оптических систем являет­ся такой датчик, который имеет малые размеры, высокое быстро­действие, низкий уровень шума и высокую чувствительность в нуж­ном диапазоне длин волн. Особенно хорошо удовлетворяют этим требованиям фототранзисторы, ФЭУ, лавинные и pin-фотодиоды. Фототранзисторы довольно дешевы, но их неудовлетворительные переходные и частотные характеристики ограничивают их примене­ние. Лавинные и рш-фотодиоды характеризуются приемлемой стои­мостью при малых временах нарастания выходного сигнала и до­вольно широкой полосе пропускания, причем более чувствительны­ми из этих двух типов приборов являются лавинные фотодиоды. Что касается ФЭУ, то они являются наиболее чувствительными и высокочастотными детекторами (с полосой пропускания вплоть до 100 МГц), хотя весьма громоздки и сложны в применении.

И еще одно последнее замечание относительно волоконно-оптических систем. Нужно обратить особое внимание на оптимиза­цию соотношения между длиной волны излучения источника и гео­метрией интерфейса «излучатель—кабель—детектор» для обеспече­ния минимального затухания излучения в кабеле и максимального пропускания интерфейса. С этой точки зрения следует отдать пред­почтение лазерным источникам, а не светодиодам, поскольку коэф­фициент связи светодиода с волокном очень мал.

Удобным параметром, позволяющим оценить спектральные свойства всей оптической системы в целом, является полная эффек­тивная энергетическая освещенность Е_е, определяемая как

Ее = ∑S_hF_hD_hA_h,

где: S_h — относительная интенсивность излучения источника;

F_h — относительное пропускание светофильтра;

D_h — относительная чувствительность детектора.

Суммирование выполняется по узким спектральным интервалам D, на которые разбивается интересующий нас спект­ральный диапазон.

8.6. ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

В этом разделе мы опишем пример практической реализации со­пряжения оптического датчика с IBM PC. Речь пойдет об использо­вании PC с измерителем освещенности (фотометром, экспономет­ром или экспозиметром). На рис. 8.12 показана принципиальная схе­ма простого измерителя освещенности на фототранзисторе. Схема питается от источника с напряжением 5 В, установку подходящей рабочей точки обеспечивает резистор с сопротивлением 10 кОм. Выбор напряжения источника питания (5 В вместо 15 В) обусловлен

Рисунок 8.12. Принципиальная схема экспонометра на фототранзисторе.

необходимостью поддержания выходного напряжения ОУ в преде­лах рабочего диапазона аналого-цифрового преобразователя на ма­кетной плате. Сопротивление резистора определено эмпирически. Напряжение на эмиттере фототранзистора буферизу­ется с помощью ОУ и затем подается на вход АЦП. Так как эта схема нелинейна, она откалибрована с помощью бытового фотоэкс­понометра. Полученные численные значения занесены в виде пере­водной таблицы непосредственно в программу, обеспечивающую считывание ци­фровых данных с выхода АЦП и преобразование их через перевод­ную таблицу в фотографическую экспозицию.

Работа IBM PC с подобными устройствами имеет два основных преимущества. Во-первых, даже самые непредсказуемые нелиней­ности легко компенсируются программным способом путем ис­пользования соответствующей калибровочной схемы. Во-вторых, если уж программа рассчитала текущую экспозицию (освещен­ность), то легко рассчитываются все другие связанные с ней пара метры, например средняя освещенность за некоторый промежуток времени или интеграл от освещенности по времени.

Наиболее подходящее применение этой схемы — контроль све­товой энергии, падающей на светочувствительную поверхность. На­пример, если нам нужно контролировать количество света, получае­мого растениями, мы могли бы использовать нашу программу для открывания или закрывания штор или для включения или выключе ния дополнительных источников света. Это можно сделать с помощью соответствующих внешних схем через цифро-аналоговый преобразователь или через параллельный порт вывода.

8.7 ДАТЧИКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Измерительные преобразователи перемещения широко использу­ются во многих областях техники, особенно в промышленности. В этой главе мы обсудим принципы работы и применения некоторых наиболее типичных преобразователей перемещения — тензодатчи-ков, линейных дифференциальных преобразователей (трансформато­ров) и пьезоэлектрических датчиков.

8.7.1. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ РЕЗИСТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контак­том — один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения. Для его использования нужно лишь соединить скользя­щий контакт (движок) с движущимся объектом, а остальную часть потенциометра закрепить неподвижно. На рис. 8.12 показаны потенциометрические преобразователи, предназначенные для измерения как линейных (трансляционных), так и угловых перемещений. В иде­альном случае между выходным сигналом преобразователя и переме­щением (любого типа) существует линейная связь.

Применение тщательно изготовленных проволочных потенцио­метров гарантирует малую нелинейность преобразования. Как видно

Рисунок 8.12. Три типа потенциометрических преобразователей для измерения перемеще­ний: (а) линейный (трансляционный);

(б) однооборотный; (в) многооборотный .

из рис. 8.12, нелинейность, обусловленная конечным сопротивлением нагрузки потенциометрического преобразователя, возрастает при

V, -±

"„-"l

Рисунок 8.13. Потенциометрический резистивный преобразователь, (а) Принципиальная схема. Штриховыми линиями показан способ включения шунтирующего резистора. (6) Сравнение выходных сигналов преобразователя с шунтирующим резистором и без него.

уменьшении этого сопротивления. Это влияние можно ослабить пу­тем шунтирования верхнего плеча потенциометра резистором с со­противлением R_m = Rl. Характеристика преобразователя для этого случая показана штриховой линией на рис. 8.13; при х = 0,5х_т по­грешность, связанная с нелинейностью, обращается в нуль.

Движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке. Поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде перемежающихся малых и боль­ших скачков. Малый скачок имеет место, когда движок замыкает два соседних витка, как показано на рис. 8.14; большой скачок соответствует моменту перехода движка к следующему витку и раз мыкания контакта с предыдущим витком. Таким образом, разрешение этого преобразователя зависит от диаметра намоточного провода и может быть улучшено путем использования более тонкого провода. Для потенциометра с плотностью намотки 50 витков на миллиметр, что близко к практическому пределу, предельное разрешение составляет 20 мкм.

Рисунок 8.14. Схема, поясняющая скачкообразный характер изменения выходного напря­жения катушечного преобразователя.

8.7.2. РЕЗИСТИВНЫЕ ТЕНЗОДАТЧИКИ

Резистивный тензодатчик (тензорезистор) — это измерительный преобразователь, который изменяет свое сопротивление в результате деформации, возникающей при перемещении контролируемого объ­екта. Резистивные тензодатчики для медико-биологических примене­ний разбиваются на два класса: 1) металлические и полупроводни­ковые датчики и 2) эластичные датчики. Первые пригодны для изме­рения только очень малых перемещений ( < 20 мкм) и, как правило, требуют приложения довольно значительных сил в процессе измере­ния. Они широко используются в качестве вторичных преобразова­тельных элементов при измерениях силы, давления и ускорения. С другой стороны, преобразователи эластичного типа способны изме­рять большие перемещения, достигающие 50% их длины в исходном состоянии, благодаря чему они особенно подходят для регистрации статических и динамических изменений, происходящих в кровеносных сосудах, камерах сердца и др.