Лекция 5
Измерительные преобразователи температуры
1. Общая классификация ИПТ
Принцип действия основан на использовании тепловых процессов (нагрева,
охлаждения, теплообмена), входной величиной которых является температура.
Тепловые преобразователи используются не только как преобразователи температур, но и теплового потока, скорости потока, расхода, химического состава, давления газов,
влажности и т. д.
Температура как параметр не поддается непосредственному измерению, но она непосредственно связана с внутренней энергией тел, и через нее с физическими свойствами.
Используемые физические явления:
1.Тепловое расширение газов (водород, гелий, азот, воздух ∆Τ=1÷10К);
жидкостей(∆Τ=200÷1200К— ртуть); твердых тел(∆Τ=200÷650К).
2.Зависимость шумового напряжения на резисторе от температуры (∆Τ=4÷1800К)1.
3.Изменение модуля упругости пьезоэлектриков от температуры (∆Τ=10÷500К).
4.Термо-ЭДС.
5.Зависимость сопротивления от температуры.
2. Термопара
Принцип действия термопары основан на использовании термоэлектрического эффекта: возникновение термо-ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников, называемых термоэлектродами, если температура соответствующих частей Т1 и Т2 разные. Места соединения термоэлектродов – спаи.
Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами,
находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.
1 Собственные шумы резистора - это сумма его тепловых и токовых шумов. Появление тепловых шумов обусловлено флуктуационными изменениями объёмной концентрации свободных электронов в резистивном элементе из-за их теплового движения. Спектр частот тепловых шумов - непрерывный.
Уровень тепловых шумов не зависит от протекающего тока, а зависит в основном от сопротивления резистора и его температуры. При подключении к резистору электрической нагрузки появляются специфические токовые шумы. Они обуславливаются флуктуациями контактных сопротивлений между проводящими частицами, трещинами и неоднородностями резистивного элемента. Флуктуации возникают по причине изменения площади контакта отдельных частиц резистивного элемента. На зазорах между этими частицами происходит перераспределение напряжения. При достаточно высоких значениях напряжённости электрического поля в относительно больших зазорах появляются новые проводящие цепочки.
Рис. 1. Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля алюминия, равной 300 °C и
температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ
Рис 2. Возможный вид термопары
Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а
также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны.
Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте,
удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур.
Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в
агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.
3. ИПТ, основанные на зависимости сопротивления от температуры
Наиболее распространенными видами первичных ИПТ– термодатчиков являются терморезисторы, термодиоды и термотранзисторы.
Терморезистор = термистор. Иногда под терморезисторами понимают только полупроводниковые элементы, термины «термодиод» и «термотранзистор» в
настоящий момент мало не употребляются.
a.Элементная база ИПТ
Вкачестве элементной базы для построения ИПТ могут быть использованы терморезисторы, диоды, транзисторы и термомикросхемы. Эффект зависимости
свойств p-n перехода от температуры, нежелательный в большинстве применений,
можно с успехом использовать для измерения температуры
|
|
|
U |
U |
|
U |
|
I |
I |
|
|
|
I1 |
I2 |
|
|
|
||
а |
|
б |
в |
Рис. 3. |
Элементы ИПТ: а) термодиод; б) термотранзистор; |
||
в) система параллельно-соединенных транзисторов
b.Физические основы измерения температуры
Вобщем случае, температурная чувствительность материала измерительного преобразователя определяется функцией:
R(T)=R0F(T-T0), |
(1) |
где R0 - сопротивление материала при T0, F - функция характеристики материала ИП Для различных материалов функционал (1) имеет различный вид.
Сопротивление проводников (металлов), как правило, возрастает при увеличении
температуры. Изменение сопротивления с температурой описывается следующим выражением:
RT = R0(1+аT + вT2+сT3), |
(2) |
где RT - сопротивление при измеряемом значении температуры T; R0 – сопротивление при
00С; a, в, с - константы. Число членов в разложении зависит от материала, интервала температур, требуемой точности. Чаще всего используются платина, никель и медь. Для представления их характеристик с высокой точностью требуются две (платина) или три
(никель и медь) константы. В ограниченном диапазоне температур (0-1000С) хорошую
точность обеспечивает аппроксимация RT=R0(1+ aT) |
(3) |
Для п/п терморезисторов (1) записывается как: |
|
R(T)=exp[B(1/T-1/T0], |
(4) |
где B - коэффициент, зависящий от рода п/п, T - абсолютная температура.
Для малых изменений T в окрестности значений T общую зависимость R от T можно линеаризовать:
|
R(T+ T)=R(T)(1+ R T), |
(5) |
|
|
где R =(1/RT)(dR/dT) - температурный коэффициент сопротивления. |
|
|||
Температурный |
коэффициент |
сопротивления |
характеризует |
зависимость |
электрического сопротивления от температуры и измеряется в кельвинах в минус первой
степени (K−1). |
|
|
|
|
|
Для |
большинства металлов температурный |
коэффициент |
сопротивления |
||
положителен: их сопротивление растёт с |
ростом |
температуры |
вследствие |
||
рассеяния электронов на фононах (тепловых колебаниях кристаллической решётки). |
|||||
Для полупроводников без примесей он отрицателен |
(сопротивление |
с ростом |
|||
температуры падает), поскольку при повышении температуры всё большее число электронов переходит в зону проводимости, соответственно увеличивается и концентрация дырок. Качественно такой же характер (и по тем же причинам) имеет температурная зависимость сопротивления твёрдых и неполярных жидких диэлектриков.
Также часто применяется термин «температурный коэффициент проводимости».
Он равен обратному значению коэффициента сопротивления.
Качество аппаратуры для измерения температуры характеризуется минимальной измеряемой величиной ( R/R0)min, которая определяет минимальное
измеряемое значение изменения температуры.
Tmin=1/а .
R
Пример: При
R |
|
||
R |
|
||
|
|||
|
o |
||
|
R |
||
|
R |
|
|
|
|
||
o |
|||
min
|
|
|
|
|
min=10-6 |
измерения в окрестности Т=00С |
|
|
|||
|
|
дадут для Pt терморезистора Tmin =0,00030С, а для п/п терморезистора
Tmin =0,000020С (на порядок!)
Вывод: П/п терморезисторы (по сравнению с металлическими) обладают большими значениями аR и , в связи с чем определяют меньшее значение Tmin и имеют
меньшие габариты, а, следовательно, малую тепловую инерционность. Однако они имеют существенный недостаток – нелинейную зависимость R(T). => необходимы схемы линеаризации
R |
1 |
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
T |
R |
1 |
|
|
R |
2 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
R |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
в |
|
|
T |
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
Тепловидение, тепловизоры.
Вопросы к лекции
1.Обобщенный принцип действия всех ИПТ. Основные используемые физические явления
2.Термопара, принцип работы. Термоэлектроды и спаи. Преимущества использования термопар
3.ИПТ, основанные на зависимости сопротивления материала от температуры (перечислить и объяснить принцип работы с обобщенными формулами зависимости сопротивления от температуры).
4.Температурные коэффициенты сопротивления и проводимости
5.П/п и резистивные ИПТ: преимущества и недостатки