Элементы, чувствительные к температуре
Температура является одним из основных параметров технологических процессов. Температура среды оказывает влияние на параметры многих материалов – размеры, электрическое сопротивление, термоэлектродвижущую силу и т.д. В качестве чувствительных элементов датчиков температуры применяются тепломеханические элементы, термопары, терморезисторы, p-n- переходы, кристаллы кварца, кремния и их соединений и многие другие материалы и явления в них.
Тепломеханические датчики (термобиметаллические, дилатометрические) используются в качестве чувствительных элементов, преобразующих изменение фактического значения регулируемой температуры в перемещение (рис.9.21).
Биметаллический чувствительный элемент (рис.9.21а) представляет собой две узкие металлические пластинки 1 и 2 с различными коэффициентами температурного расширения, жестко скрепленные между собой по всей плоскости касания (спаянные).
Рисунок 9.21 – Тепломеханические чувствительные
элементы: а)- биметаллический; б)- дилатометрический.
Один конец биметаллической пластинки неподвижно закреплен в основании 1, а второй – свободен. При длине плоской пластинки l, значительно превышающей ее толщину δ, угол перемещения свобод-ного конца α будет зависеть от температуры окружающей среды Т. На пути изгиба биметаллической пластинки можно поставить, например, электрические контакты, которые будут включать электрическую сеть.
Подобные чувствительные элементы используют для двухпозиционного регулирования (включено-выключено) температуры.
На рис. 9.21б показан тепломеханический-дилатометрический преобразователь с расширяющейся жидкостью или газом. Изменение температуры T металлического баллона 1 связано с изменением давления находящихся в нем жидкости или газа 4, так как коэффициенты объемного расширения жидкостей и газов гораздо выше, чем металлов. При изменении давления перемещается свободный конец мембраны 3, связанный с баллоном через капилляр 2. Указатель 5, связанный с мембраной 3, может включать электрические контакты 6, установленные под определенным углом α, соответствующим температуре Т.
В качестве термометрических жидкостей применяются амиловый спирт, ацетон, ртуть, и газовые наполнители – азот, гелий и др. Термо-биметаллические и дилатометрические чувствительные элементы применяются для измерения температур в диапазоне от -60 до +450°С. Погрешность преобразования составляет 1...5%.
Терморезисторами называют элементы, электрическое сопротивление которых зависит от температуры. Для их изготовления используют медь, платину и другие металлы, удельное сопротивление ρ которых увеличивается с повышением температуры T по закону
ρ=ρ0 (1+α T),
где ρ0- удельное сопротивление металла при 0 оC, α- температурный коэффициент сопротивления Ом/K, показывающий на сколько увеличивается удельное сопротивление терморезистора при увеличении температуры на 10С.
Чувствительный элемент металлического терморезистора помещается в стальной или латунный корпус с клеммой головкой и представляет собой бифилярную обмотку из проволоки диаметром 0,04...0,08 мм, размещенную на изолированном корпусе, к концам которой припаиваются выводы из серебряной, а при температуре до 100°С — из медной проволоки.
Погрешность измерений металлических терморезисторов не превышает 0,5...1%. Из металлических терморезисторов наибольшее распространение получили термометры сопротивления типа ТСП (платиновые) и ТСМ (медные).
Термисторы – это полупроводниковые терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, а позисторы – с положительным.
Нелинейность характеристик ограничивает применение термисторов при измерениях температуры в узких пределах. Большой разброс по номинальному сопротивлению затрудняет их взаимозаменяемость.
Распространены медно-марганцевые (ММТ), кобальто-марганцевые (КМТ), косвенного подогрева (ТКП) и другие термисторы для температур от -203 °К до 523 °К. Чувствительность термисторов в 5...30 раз выше чувствительности металлических терморезисторов.
Зависимость термистора от температуры и схема его включения приведены на рис.9.22. В практике измерения температуры в рабочем диапазоне -60...+120о С с погрешностью измерения 0,1 % получили распространение кремниевые p-n переходы, выполненные в виде смещённых в прямом направлении диодов или базоэмитерных переходов транзисторов. Отрицательный температурный коэффициент падения напряжения на базоэмитерном переходе кремниевого биполярного транзистора составляет 2,2×10-3 B/ oC, а германиевого - 2,7...3,1×10-3 B/ oC.
Рисунок 9.22 – Зависимость электрического сопротивления термистора Rt от температуры T (а) и схема его включения (б).
Терморезисторы и p-n переходы (диоды, транзисторы) используются для построения датчиков температуры, теплосчетчиков, термоанемометров и т.п.
Термопары. Термопара – термоэлектрический преобразователь (рис.9.23) состоит из двух 1 и 2 металлов, концы которых А и Б спаяны. Металлы обладают разными термоэлектрическими свойствами. Для изготовления термопар используют пары сплавов «хромель-копель» или «хромель-алюмель».
Спаянный конец называется рабочим спаем, он погружается в измеряемую среду (температура Т1), а свободные концы (холодный спай- температура Т0) подключаются ко входу измерительной схемы П.
Если температуры рабочего спая и свободных концов различны, то термопара вырабатывает термоэлектродвижущую силу. Она зависит от разности температур двух спаев термопары, и для снижения погрешности показаний необходимо знать температуру холодного спая, чтобы компенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях. Подключение термопары к схеме измерения осуществляется проводами тех же металлов, что и термопары.
Рисунок 9.23 – Термопара.
Термопары применяются в системах автоматического регулирования и контроля в диапазоне температур от 373 до 3000 °К. Чувствительность термопары обычно невелика и составляет для разных термопар 0,01...0,07 мВ/°С.
Контрольные вопросы к главе 9.
1. Дайте определение датчика.
2. Перечислите основные характеристики датчиков.
3. Что такое чувствительный элемент датчика?
4. Дайте определение диапазона измерений датчика.
5. Дайте определение статической характеристики датчика.
6. Дайте определение коэффициенту чувствительности датчика.
7. Может ли быть коэффициент чувствительности переменной величиной?
8. Дайте определение точности датчика.
9. Дайте определение быстродействию датчика.
10. Дайте определение времени успокоения датчика.
11. Требует ли параметрический чувствительный элемент для своей работы дополнительного источника энергии?
12. Назовите основные недостатки механических чувствительных элементов.
13. Назовите вид входной величины, которая должна поступать на вход потенциометрического элемента.
14. Какие материалы могут использоваться в тензочувствительных элементах?
15. Какой параметр индуктивного чувствительного элемента изменяется при измерении перемещения объекта?
16. Назовите два типа индукционных преобразователей.
17. Почему сигнал индукционного преобразователя зависит от скорости перемещения ферромагнетика?
18. Какие параметры вещества должны измениться, чтобы на выходе емкостного чувствительного элемента появился полезный сигнал?
19. Опишите прямой пьезоэффект.
20. Опишите обратный пьезоэффект.
21. Опишите работу кварцевого генератора.
22. Назовите виды фотоэлектрических преобразователей.
23. Отчего зависит ток фотоэлектрического преобразователя?
24. Опишите работу фотоэлемента с внешним фотоэффектом.
25. Опишите работу с внутренним фотоэффектом.
26. В чем преимущество фотодиода, включенного по генераторной схеме?
27. Назовите разницу между светодиодом и оптроном.
28. Опишите принцип работы ПЗС-матрицы.
29. Поясните принцип действия термопары.
30. Поясните принцип действия терморезистора.
31. Для чего необходим холодный спай термопары?
32. Перечислите возможные виды элементов, чувствительных к температуре.
33. Из каких частей состоит биметаллический чувствительный элемент?