6.Классификация датчиков температуры по принципу действия и области применения.

Температура— физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственнои судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.).

Методы и приборы для измерения температуры разделяют на две группы: бесконтактные и контактные.

Бесконтактные методы измерения температуры используют тепловое излучение, имеющее место в любых телах при любых температурах. При этом нет необходимости в механическом контакте датчика и измеряемой среды. Приборы, основанные на таком принципе, называютсяпирометрами.

Более широко распространены контактныеметоды измерения температуры, требующие непосредственного контакта датчика со средой измерения. Здесь, по принципу действия приборы для измерения температуры подразделяются на следующие группы:

• биметаллические и дилатометрические, использующие свойство теплового расширения твердых тел;

• манометрические, использующие зависимость между температурой и давлением газа, жидкости или пара в замкнутом объеме;

• термометры сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления вещества от его температуры;

• термоэлектрические, действие которых основано на измерении термо-эдс, создаваемой термопарой из двух разнородных проводников.

Биметаллические и дилатометрические датчики. Данные типы датчиков широко применяются в системах контроля и регулирования температуры воздуха, жидкостей и газообразных сред. В основу построения датчиков положено упругое изменение линейных размеров рабочего тела при изменении температуры (дилатометрический эффект). Перемещение свободного конца рабочего тела относительно закрепленного преобразуется в выходной сигнал с помощью любого преобразователя перемещений. Наиболее часто для этих целей используются электрические контакты.

В биметаллических датчикахв качестве чувствительного элемента используется пластинка или спираль, состоящая из двух, сваренных по всей длине, металлических пластин с разными коэффициентами температурного линейного расширения. При нагревании пластинки она изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом температурного расширения, и замыкают или размыкают электрические контакты. Для более резкого срабатывания контактов в этих датчиках применяют постоянные магниты, которые притягивают пластинку сразу после того, как при определенной температуре она достигнет заданной степени деформации.

Биметаллические датчики температуры широко используются в системах управления температурой воздуха и воды. Также они применяются в качестве сигнализаторов аварийной температуры в системах охлаждения всех двигателей внутреннего сгорания.

Манометрические датчики температуры. Принцип действия манометрических термометров основан на свойстве жидкостей и газов изменять объем при нагревании или охлаждении.

На этом принципе созданы простые, надежные в эксплуатации датчики, нечувствительные к внешним магнитным полям, позволяющие измерять температуру различных сред дистанционно, без использования источников дополнительной энергии

Термометры сопротивления. Принцип действия термометров сопротивления(терморезисторов) основан на зависимости электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры. На использовании этого принципа основана работа датчиков температуры, называемыхтермометрами сопротивления. Термометр сопротивления состоит из катушки провода, включенной в измерительную цепь.

Катушка представляет собой проволочное сопротивление, намотанное на покрытую керамикой трубку. Затем она также покрывается керамикой и монтируется в защитную трубку.

Время реакции такого датчика на изменение температуры достаточно велико, часто порядка нескольких секунд, так как нет хорошего теплового контакта между катушкой и средой, температуру которой необходимо измерить.

Металлами, которые применяются для изготовления катушек термосопротивлений, являются платина, никель, медь.

Платина имеет почти линейную зависимость сопротивления от температуры, дает хорошую воспроизводимость, стабильность и обеспечивает точность ±0.5% в диапазоне температур -200...850°С. Она относительно инертна и может использоваться в широком диапазоне условий без ухудшения характеристик, но она более дорогая, чем многие другие металлы. Однако это наиболее широко используемый металл. В последнее время в системах автоматики широкое распространение получили полупроводниковые термосопротивления(терморезисторы), температурный коэффициент которых на порядок выше, чем у металлов. Кроме этого полупроводниковые терморезисторы имеют значительно меньшие размеры, чем проволочные, и, соответственно, значительно меньшую тепловую инерционность.

Полупроводниковые терморезисторы представляют собой кусочек полупроводникового вещества (обычно смесь окислов кобальта и марганца или меди и марганца) с двумя выводами, который помещается в защитный металлический стеклянный или пластмассовый корпус.

По виду статических характеристик полупроводниковые терморезисторы подразделяются на два типа: термисторы и позисторы.

Утермисторов(рис. а) при нагревании сопротивление, в отличие от металлов, уменьшается, а упозисторов(рис.б) увеличивается. В любом случае зависимость сопротивления терморезистора от температуры являетсянелинейной. На принципиальных электрических схемах терморезисторы показываются условным графическим знаком, приведенным на рис.в.

Термоэлектрические датчики (термопары). Термоэлектрическим датчиком ( термопарой) называется цепь из двух разнородных проводников, концы которых электрически соединены

При нагревании одного из спаев в цепи возникает термоэлектрическая эдс, пропорциональная только разности температур спаев . Термо-эдс не зависит от диаметра или длины проводников и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Нагрев или охлаждение любого участка цепи, кроме спаев, не сказывается на величине термо-эдс. Спай 2, погружаемый в контролируемую среду, называют рабочим (горячим) концом термопары, спай 1 - свободным (холодным) концом. Существует большое количество разнообразных конструкций термопар. Промышленные термопары состоят из защитной металлической трубки, внутри которой находится горячий спай, а концы термоэлектродов выведены на клеммную колодку вверху трубки.

Бесконтактные датчики температуры. Бесконтактные датчики температуры носят название пирометра. Пирометр - прибор, предназначенный для измерения температуры тел по их тепловому излучению. Принцип действия инфракрасных пирометров основан на измерении абсолютного значения излучаемой энергии одной волны в инфракрасном спектре. На сегодня это относительно недорогой бесконтактный метод измерения температуры.