Лекции ЭУПО / Глава1 / Дат темпер
.doc1.7. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ
Выполнение многих технологических процессов полиграфического производства сопровождаются нагревом. К ним относят сушку оттисков, тиснение, термостатирование красочного аппарата, термосиловое закрепление оттиска при ксерокопировании, нагрев клея в оборудовании послепечатной обработки продукции, термостатирование бумаги и т. п. В процессе работы полиграфических машин необходимо следить за температурой некоторых механических узлов и деталей, например подшипников, узлов крепления опор цилиндров печатного аппарата и т. п., проводится контроль таких технологических параметров как температура масла в гидросистемах высекального оборудования, одноножевых резальных машинах, воздуха в вакуум-насосах и компрессорах и т. п. Необходим контроль нагрева и электродвигателей, электромагнитных муфт, полупроводниковых преобразователей, питающих их и т. п. Для выполнения температурного контроля и регулирования необходимы датчики температуры. Среди них можно выделить следующие основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термометры сопротивления, инфракрасные датчики температуры.
Современный датчик температуры носит название интеллектуального, поскольку кроме чувствительного элемента в нем имеется схема усиления и обработки сигнала, энергонезависимая память, позволяющая индивидуально откалибровать каждый прибор, и разнообразие типов выходного интерфейса: напряжение, ток, сопротивление либо цифровой выход, позволяющий подключить датчик к сети передачи данных, либо световую индикацию.
Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур для таких датчиков составляет –50...+150 °С. В этом диапазоне они показывают достаточно хорошую линейность и точность.
Биметаллический датчик температуры изготовлен из двух разнородных металлических пластин, скреплённых между собою по всей длине широкой стороной. Различные металлы имеют неодинаковый коэффициент расширения и поэтому при нагреве (охлаждении) она изогнется. При этом перемещении конец биметаллической пластины замыкает-размыкает механический контакт, поворачивает стрелку индиикатора и т. п. Диапазон температур, в которых работают биметаллические датчики, составляет –40...+550 °С. Основным достоинством датчика является простая и надёжная конструкция, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость, но имеют большой разброс характеристик и большой гистерезис переключения, особенно при низких температурах.
Жидкостные и газовые термометры используют эффект расширения жидкостей при повышении температуры. В качестве жидкостей используется спирт или ртуть в диапазоне комнатных температур. В газовых термометрах используется эффект расширения при переходе вещества из жидкого в газообразное состояние. Газ давит через мембрану и замыкает электрические контакты. Диапазон температур, измеряемых такими датчиками, составляет –200...+500 °С.
Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Такое изменение цвета может быть как обратимым, так и необратимым. В диапазоне комнатных температур используются термоиндикаторы на основе жидких кристаллов. Они плавно изменяют свой цвет при изменении температуры. Производятся термоиндикаторы в виде плёнки, часто с клейкой подложкой, и служат для оперативного визуального контроля температуры. Для низких и высоких температур производятся, в основном, необратимые термоиндикаторы, если температура хотя бы один раз превысила допустимую, то индикатор необратимо меняет свой цвет.. Основное достоинство термоиндикаторов – низкая стоимость.
В термисторах используется эффект изменения электрического сопротивления материала под воздействием температуры. В качестве термисторов используют полупроводниковые материалы, как правило, оксиды различных металлов. В результате получаются датчики с высокой чувствительностью, но с большой нелинейностью, что сужает диапазон измеряемых температур. Конструктивная миниатюризация термистора позволяет получить высокое быстродействие и невысокую стоимость. Существует два тина термисторов: использующие положительный температурный коэффициент – когда электрическое сопротивление расчёт с повышением температуры, и отрицательный температурный коэффициент – в этом случае электрическое сопротивление падает при повышении температуры. Температурная характеристика термистора зависит от конкретной модели прибора и области его применения.
Инфракрасные датчики температуры или пирометры измеряют температуру поверхности на расстоянии. Принцип их работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию. При низких температурах это излучение в инфракрасном диапазоне, при высоких температурах часть энергии излучается в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур бесконтактными датчиками –45...+3000 °С. Для измерения в различных диапазонах температур используются различные участки инфракрасного спектра. Так, при низких температурах это обычно диапазон длин волн электромагнитного излучения 7...14 мкм. В диапазоне средних температур это может быть 3...5 мкм. При высоких температурах используется участок в районе 1 мкм. Для правильного измерения температуры необходим ещё ряд факторов, одним из которых является излучательная способность. Она связана с коэффициентом отражения простой формулой: Е = 1 - K, где Е – излучательная способность, K – коэффициент отражения. У абсолютно чёрного тела излучательная способность равна 1. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8...0,95. Металлы, особенно полированные, напротив, имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае составит 0,1...0,2. Вторым фактором является оптическое отношение – это отношение расстояния до объекта измерений к размеру области, с которой эти измерения ведутся. Например, оптическое отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 м размер площади, с которой ведётся измерение температуры, составляет 1 м. Современные инфракрасные датчики температуры имеют оптическое отношение, достигающее 300:1. Инфракрасные датчики самые быстродействующие датчики температуры. Датчики позволяют измерять температуру движущихся объектов, температуру в труднодоступных и опасных местах, высокие температуры там, где другие датчики уже не работают.
Термометры сопротивления – это резисторы, изготовленные из платины, меди или никеля. Они изготавливаются либо из проволоки, либо напылением металлического слоя на изолирующую подложку, керамическую или стеклянную. Платина чаще всего применяется в термометрах сопротивления из-за высокой стабильности, линейности и точности (0,001%) измерения значений температуры. Медь используется, в основном, для измерения низких температур, а никель – в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур, что упрощает их использование. Диапазон измерений платиновых термометров сопротивления составляет –180...+600 °С. Обыкновенные термометры сопротивления изготавливаются с сопротивлением 100 и 1000 Ом, а сопротивление тонкопленочных достигает 10 000 Ом. Габаритные размеры самих датчик исчисляются в миллиметрах и долях миллиметра. Самонагрев датчика при рабочем токе 0,1…0,7 А находится на уровне 0,3 мВт/ °С.
Термопары представляют собой две проволоки из различных металлов, сваренных между собой на одном из концов. Экспериментальным путём были подобраны пары металлов, которые в наибольшей степени подходят для измерения температуры, обладая высокой чувствительностью, временной стабильностью, устойчивостью к воздействию внешней среды. Это пары металлов хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений-вольфрам и прочие. Термопары хромель-аллюмель (тип K) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают вплоть до температур 1300 °С в окислительной или нейтральной атмосфере. Термопара железо-константан (тип J) работает в вакууме, в восстановительной или инертной атмосфере при температурах до 500 °С. При высоких температурах до 1500°С используют термопары платина-платина-родий (тип S или R) в керамических защитных кожухах.
Примером интеллектуального датчика может служить устройство, схема которого приведена на рис. 1.37. В нем использованы три микросхемы: датчик температуры, операционный усилитель и PIC-контроллер марки PIC16F872, программное обеспечение которого выполняет необходимые задачи измерения, преобразования и индикации. В качестве чувствительного элемента применен термодатчик BK на основе тонкопленочного термометра сопротивления из платины. Выходной сигнал термодатчика операционным усилителем DA, согласующим его по крутизне и амплитуде с входом АЦП (20 мВ), поступает на вход AND микроконтроллера. Напряжение питания датчика ±5 В. Программа микроконтроллера выполняет управление АЦП, преобразование двоичного кода в код для знакосинтезирующего семисегментного индикатора, определение переполнения и выхода температуры за рабочий диапазон. Выходы RB0… RB6 микроконтроллера управляют разрядом единиц индикатора, выход RC7 – разрядом десятков, а RB7 – разрядом сотен.
Примером интеллектуального датчика может служить интегральный датчик температуры (ИДТ). Физическая основа работы ИДТ заложена в температурной зависимости падения напряжения на смещенном в прямом направлении кремниевом р-п-переходе. Эта зависимость описывается следующей формулой
,
где U – напряжение на переходе; k – постоянная Больцмана;
T – абсолютная температура; q – заряд электрона; I – ток через переход;
Is – обратный ток насыщения, значение которого зависит от конфигурации и температуры перехода.
Вышеприведенную зависимость непосредственно использовать для точного измерения температуры нельзя. Поэтому для измерения температуры ИДТ используют разность напряжений двух р-п-переходов, а именно напряжений база-эмиттер Uбэ двух транзисторов VT1 и VT2, которая определится из выражения
,
где Jэ1 и Jэ2 – плотность тока эмиттеров транзисторов.
Практическая схема измерения температуры с температурным коэффициентом выходного напряжения 10 мВ/ °K приведена на рис. 1.38. Требуемое значение коэффициента достигается определенным соотношением сопротивлений резисторов R4 и R5.
Диапазон температур, измеряемый ИДТ, составляет –60… +200 °С, минимальная погрешность измерений достигает десятых долей градуса. Выпускаются ИДТ с аналоговым выходом, величина напряжения на котором пропорциональна измеряемой температуре в градусах Кельвина или Цельсия, и с цифровым выходом. ИДТ с аналоговым выходом могут использоваться не только для измерения температуры, но и для ее регулирования (режим термостатирования). На рис. 1.39. приведена функциональная схема и эпюры напряжений, поясняющие работу ИДТ.
На вход 2 ИДТ подают Ut2, а на вход – 3 Ut1, напряжения переключения компараторов VT1 и VT2, соответствующие заданным температурам, т. е. пределы в которых должна изменяться измеряемая температура. Если температура превышает значение соответствующее Ut1, то на выходе 7 формируется напряжение UOUT1 низкого уровня. Если температура понижается ниже значения соответствующее Ut1, то на выходе 7 формируется напряжение UOUT1 высокого уровня. Аналогично работает выход 6, напряжение UOUT2. Напряжение Utemp на выходе 5 микросхемы, пропорционально измеряемой температуре в градусах Цельсия. Напряжения, снимаемые с выходов 2 и 3, используются для управления коммутационной аппаратуры, управляющей нагревательными элементами, а напряжение выхода 5 – например, для визуализации измеряемой температуры.
Рассмотрим пример ИДТ с цифровым выходом. Они могут иметь последовательный или параллельный интерфейсы. На рис. 1.40 приведена функциональная схема ИДТ с последовательным интерфейсом.
Прием-передача данных осуществляется за 32 такта сигнала SC, из которых первые 16 отводятся передаче данных на контроллер, а вторые – приему. Управление работой датчика производится путем записи данных в конфигурационный регистр, для идентификации ИДТ и считывания результатов измерений служат регистр идентификации и температурный регистр, работающие в режиме чтения. Такие ИДТ аппаратно совместимы с любыми микроконтроллерами. Для корректной работы аппаратных средств современных устройств автоматики и систем обработки информации необходим постоянный мониторинг температуры этих устройств, для чего и применяются ИДТ.