32. Датчики температуры
Для выполнения температурного контроля и регулирования необходимы датчики температуры. Среди них можно выделить следующие основные классы: кремниевые, биметаллические, 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 -50...+150 °С
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 индикатора и т. п. Диапазон температур -40...+550 °С. Достоинством является простая и надёжная конструкция, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость, но имеют большой разброс характеристик и гистерезис переключения 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 -200...+500 °С.
Термоиндикаторы –вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. 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 раз превысила допустимую, индикатор необратимо меняет свой цвет. Достоинство – 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 типа термисторов: использующие положительный температурный коэффициент –электрическое сопротивление растёт с повышением температуры, и отрицательный–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 имеют низкую излучательную способность 0,1...0,2. Вторым фактором является оптическое отношение –отношениерасстояния до объекта измерений к размеру области, с которой эти измерения ведутся. 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 –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 -180...+600 °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. Термопары хромель-аллюмель (тип K) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают вплоть до температур 1300 °С в окислительной или нейтральной атмосфере. В нем использованы три микросхемы: датчик температуры, операционный усилитель и PIC-контроллер марки PIC16F872, программное обеспечение которого выполняет необходимые задачи измерения, преобразования и индикации.
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.
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).