ДАТЧИКИ

Важнейшей разновидностью датчиков являются датчики температуры, поскольку многие процессы, в том числе и в повседневной жизни, регулируются темпе­ратурой, например:

- регулирование отопления на основании измере­ния температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной тем­пературы;

- регулирование температуры воды в стиральной

машине;

- регулирование температуры электроутюга, элек­троплитки, духовки и т. п.

Кроме того, путем измерения температуры можно косвенно определять и другие параметры, например поток, уровень и т. п.

При использовании такого рода датчиков темпе­ратура измеряется, как правило, на основании зави­симости электрического сопротивления от темпера­туры. В зависимости от того, возрастает или пони­жается электросопротивление датчика при повышении температуры, различают полупроводниковые датчики соответственно с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивле­ния (ТКС)*. Металлические датчики температуры из никеля или платины всегда обладают положитель­ным ТКС. В случае датчиков на основе термопар возникает ЭДС, пропорциональная температуре.

2.1. Датчики температуры из платины и никеля.

Для точного измерения температуры в диапазоне от —200 до +850 °С чаще всего применяются датчики температуры из никеля или платины. Электрическое сопротивление металлических проводников из­меняется согласно уравнению

где -сопротивление при 0°С (т. е. при 273 К), - сопротивление при температуре

Рис 2.1.1. Допустимые отклонения значений сопротивления и температуры для

измерительных резисторов согласно требованиям стандарта ФРГ DIN 43760.

- температурный коэффициент, равный для платины 3,9* и для никеля 5,39*

Сопротивление при 0°С в большинстве случаев выбирается равным

100 Ом. Такие измерительные резисторы обозначают Pt-100 или №-100. Употреби­тельны также стандартно изготовляемые сопротивления в 500 Ом и 1 кОм. Допустимые отклонения От этих значений в пересчете на градусы по шкале Цельсия, установленные стандартом ФРГ DIN 43760, составляют:

- для класса А: ±(0,15 + 0,002Т)°С,

- для класса В: ±(0,3 +0,005 Т)°С,

где температура Т выражена в градусах Цельсия. Эта зависимость графически представлена на рис. 2.1.1.

В табл. 2.1.1 приведены допустимые отклонения для различных температур. Отклонения в градусах Цельсия справедливы для всех номиналов сопротивлений, а отклонения в

омах - только для сопротивлений типа Rt-100.

Для других номиналов сопротив­лений значения отклонений в омах следует умножать на коэффициент * .

Измерительные схемы

Для измерения температуры датчик нужно подключить к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре. Простейшей разновидностью такой схемы является измерительный мост (или мост Уитстона)

(рис. 2.1.2).

Если сопротивление сравнения Rv установить та­ким образом, что измерительный прибор G будет по­казывать отсутствие тока, то оказывается справедли­вым равенство , поскольку верхние парал­лельные сопротивления равны между собой. Преиму­щество такого способа измере­ния заключается в независи­мости результатов от напря­жения питания. Для техниче­ских измерений, когда нужно иметь непосредственные пока­зания температуры, сопротив­ление Rv можно принять по­стоянным, а показания измерительного прибора прокалибровать.

Рис. 2.1.2. Простая изме­рительная схема (мост Уитстона)

для терморе­зисторов (например, Pt-100).

В случае измерения напря­жения оно получается равным

При этом нужно использовать высокоомный вольтметр, так как между точками 1 и 2 не должен протекать ток.

Если же применяется низкоомный амперметр, то между точками 1 и 2 возникает ток короткого замы­кания, определяемый выражением

Где - ток питания. Практически применимая схема показана на рис. 2.1.3. Измерительный ток должен быть очень мал, чтобы не вызывать нагревание резистора , которое может привести к ошибкам измерения. Эта так называемая погрешность самонагрева зависит от подводимой электрической мощности , величины отводимого тепла и приборной постоянной ЕК, называемой коэффициентом самонагрева. Обу­словленное самонагревом повышение температуры можно рассчитать по формуле

где значение температуры при наличии и отсутствии измерительного тока соответственно, Р - подводимая к измерительному сопротивлению мощность (в милливаттах), EK- коэффициент самонагрева (мВт/°С).

Обычно величину ЕК как характеристику датчика указывают для измерений в воде и воздухе.

Пример:

При измерении температуры воздуха датчиком типа W60/24 (фирма Degussa-Hanau) применена схема, показанная на рис. 2.1.3.

Рис. 2.1.3. Принципиальная схема прибора для измерения температуры.

При имеем .

Коэффициент EK для Pt-100 (W60/24) равен 4мВт/ .

При необходимости измерения с погрешностью не более 0,25 через датчик должен протекать изме­рительный ток, равный лишь

Следовательно, ток должен быть равен 6 мА, а соответствующее ему добавочное сопротивление

Сигналы измерительного моста с помощью мостикового усилителя тока преобразуются в напряжение. При этом сопротивления должны быть вы­полнены в виде 0,1 %-ных металлопленочных резисторов. В зависимости от типа датчика на­ходятся в диапазоне от 1 до 50 кОм. Калибровка из­мерительной схемы осуществляется с помощью потенциометра во втором, неинвертирующем ка­скаде усилителя. Коэффициент усиления этого каскада определяется сопротивлениями . При и измерительный сигнал можно усилить еще примерно в 10 раз. Рези­стор и конденсатор формируют RC- цепочку для фильтрации и демпфирования сигнала. Типичными параметрами являются и

Настройка схемы осуществляется следующим образом.

1. Определить по заданному EK.

2. Впаять и проверить путем измерения падения напряжения на

3. Погрузить датчик температуры в ванну с тающим льдом.

4. Регулировочным потенциометром установить напряжение на нуль.

5. Датчик температуры погрузить в ванну с кипящей водой

( ).

6. Регулировочным потенциометром установить выходное напряжение на 1В.

Если чувствительность недостаточна, то сопротивления следует увеличить. При слишком высокой чувствительности эти сопротивления следует уменьшить.

В качестве можно применять любые выпускаемые промышленностью измерительные резисторы типа Pt-100. Наиболее дешевые датчики типа Pt-100 выпускаются в тонкопленочном исполнении. Они состоят из тонкой (0,6 мм) керамической подложки, на которую методом катодного ВЧ - распыления напы­ляется слой платины толщиной около 2 мкм. В на­пыленном слое лазером выжигают орнамент в форме меандра и проводят тонкую доводку. Затем методом термокомпрессионной сварки изготовляют контакт­ные выводы.

После этого для защиты активного платинового слоя от повреждений его еще раз покрывают керами­ческим изолирующим слоем толщиной 10мкм. На рис. 2.1.4 показаны три датчика, изготовляемые та­ким способом фирмой Degussa-Hanau. Номинальные значения сопротивления измерительных резисторов типа Pt-100 при разных температурах приведены в табл. 2.1.2.