Датчики температуры. 
Автоматика

Температура — один из важнейших параметров контроля многих технологических процессов переработки и хранения различной продукции в промышленности и АПК. Принципы действия датчиков температуры основаны на различных явлениях:

• • изменение линейных размеров твердых и объема жидких и газообразных тел под действием температуры;
• • изменение электрического сопротивления проводников и полупроводников;
• • возникновение термоЭДС в разнородных проводниках.

Рассмотрим принципы действия основных датчиков температуры.

Контактные термометры расширения. К ним относятся термоконтакторы, которые используются в системах управления температурным режимом воздуха в различных климатических камерах. Термокоптактор — это стеклянный ртутный термометр расширения, в толстостенный капилляр которого впаяны платиновые или вольфрамовые контакты. Проводником электрического тока в них является ртуть, расширяющаяся при повышении температуры контролируемой среды. По достижении столбиком ртути контактов замыкается соответствующая электрическая цепь. Диапазон контролируемых температур лежит в пределах от -35 до 750 °C.

Биметаллический преобразователь основан на изменении линейных размеров тел при их нагревании. Конструктивно он представляет собой сваренные по всей длине две пластины из материалов с различными коэффициентами линейного расширения (инвар — латунь, инвар — медь). Полученная биметаллическая пластинка может быть свернута в спираль.

Биметаллические измерительные преобразователи температуры широко применяют в системах защиты электродвигателей от перегрузок в виде тепловых реле, встраиваемых в магнитные пускатели. При перегрузке двигателя ток подогревает биметаллическую пластинку настолько, что она, изгибаясь, размыкает электрическую цепь. Диапазон измерения температур биметаллических преобразователей составляет от -30 до 100 °C.

Термоэлектрические датчики температуры используют в производстве при автоматизации различных технологических процессов и экспериментальных научных исследованиях. Различают терморезисторы (рис. 7.13, а) и термоэлектрические преобразователи — термопары (рис. 7.13, б). Внешний вид термопреобразователей с кабельными выводами и коммутационными головками показан на рис. 7.13, в.

Рис. 7.13. Термоэлектрические преобразователи:

а — терморезистор; б — термопара; в — внешний вид.

Терморезисторы, или термочувствительные резисторы, — это преобразователи, в которых под действием температуры изменяется электрическое сопротивление резистора. По материалу, из которого изготовлены первичные измерительные преобразователи этой группы датчиков, они делятся на металлические и полупроводниковые.

Свойство проводниковых материалов изменять величину своего удельного сопротивления р, а следовательно, и величину сопротивления R при изменении температуры широко используется на практике для определения температуры. Например, температуру металлического проводника можно определить по возрастанию его сопротивления при постоянном токе относительно сопротивления, измеренного при практически холодном состоянии проводника. Этот метод называют методом сопротивления. Согласно последнему температура Т_г проводника в нагретом состоянии может быть определена по формуле.

где R_r и R_x — сопротивления проводника при постоянном токе в горячем и холодном состоянии, Ом; a_R — температурный коэффициент сопротивления (ТКС) проводника, К^-1; Т_х — температура проводника в холодном состоянии, К.

Термометры сопротивления. Для определения температуры по методу сопротивления используют специальные термометры сопротивления (ТС) или, как их еще называют, термопреобразователи сопротивления. Принцип работы термопреобразователей сопротивления также основан на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. В качестве примера в табл. 7.1 приведена зависимость сопротивления медной проволоки от температуры нагрева. Как следует из табл. 7.1, сопротивление медной проволоки с ростом температуры возрастает примерно пропорционально росту температуры. Поэтому, зная величину сопротивления медной проволоки, можно однозначно определить и ее температуру.

Таблица 7.1

Зависимость сопротивления медной проволоки от температуры нагрева.

Для измерения температуры используются материалы, имеющие высокостабильный ТКС и близкую к линейной зависимость сопротивления от температуры. Кроме того, они должны быть инертны к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Наряду с платиной широкое распространение получили и медные терморезисторы: цена последних как минимум в 2 раза ниже, чем цена платиновых. Реже применяются вольфрамовые и никелевые терморезисторы. Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от О до 650 °C выражается соотношением.

где R₀ — сопротивление при 0 °C; Т — температура, °С; А = 3,96 847 • 10^-3 К^-1, В = -5,847 • 10 ⁷ К^² — постоянные коэффициенты.

В диапазоне температур от 0 до -200°С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид.

где С = -4,22 • 10-¹²К-³.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне от -50 до 180 °C можно пользоваться формулой.

где а_А> = 4,26 • 10~³ К^-1 — температурный коэффициент сопротивления меди.

Если для медного терморезистора известно сопротивление R_T{ при температуре Т_{ и требуется определить сопротивление Rj^ при температуре Т₂, то можно воспользоваться соотношением.

откуда Поделив числитель и знаменатель выражения (7.22) на a_Rl получим более удобное выражение.

Здесь Т₀ = /a_R =234,7 К — постоянная величина.

По физическому смыслу Т₀ — это такое значение температуры, при котором сопротивление меди должно бы стать равным нулю, если бы ее сопротивление уменьшалось все время по линейному закону, чего на самом деле, разумеется, нет. 11а практике при расчетах сопротивлений медных проводов в зависимости от температуры принимают Т₀ = 235 К, для алюминиевых проводов принимают Г₀ = 245 К, для платиновых — Г₀ = 255 К.

Термометры сопротивления выполняют в виде катушки из тонкой медной (ТСМ) или платиновой (ТСП) проволоки, намотанной бифилярно (см. замечание 7.3) на каркасе из изоляционного материала, заключенной в защитную гильзу из коррозийно-стойкой стали. Провода прокладывают в керамических изоляторах и подсоединяют к зажимам головки термопреобразователя сопротивления (рис. 7.13, в). Конструкция платинового термометра сопротивления приведена на рис. 7.14.

Замечание 7.3.

Бифилярным способом намотки называют такой способ, когда намотка ведется виток к витку одновременно двумя сложенными вместе изолированными проводами, сматываемыми с двух катушек. По окончании намотки концы обоих проводов зачищают и спаивают. Место спая покрывают изоляционным лаком. При таком способе намотки по одному проводу ток идет в одном направлении, а по другому — в противоположном. Поэтому магнитные поля, создаваемые этими токами, будут направлены навстречу друг другу и взаимно компенсироваться. Намотанные таким образом резисторы не создают магнитного поля, а следовательно, и не обладают индуктивностью. Они представляют собой чисто активное сопротивление, которое называют безындукционным проволочным сопротивлением. Таким образом, цель бифилярной намотки в проволочных резисторах — уменьшить их индуктивность.

Рис. 7.14. Конструкция платинового термометра сопротивления (а) и его чувствительный элемент (б):

• 1 — стальной чехол; 2 — чувствительный элемент; 3 — штуцер для установки термометра при измерении; 4 — головка для присоединения термометра к электроизмерительному прибору; 5 — серебряные выводы; 6 — слюдяная накладка; 7 — серебряная лента; 8 — бифилярная обмотка из платиновой проволоки;
• 9 — слюдяной каркас

Термопреобразователи встраиваются в тех местах, температуру в которых нужно контролировать. Часто такие встроенные термопреобразователи называют термодетекторами.

Термонреобразователи характеризуются двумя параметрами: R₀ — сопротивлением датчика при температуре 0 °C и 1Т₁₀₀ — отношением сопротивления датчика при температуре 100 °C к его сопротивлению при температуре 0 °C.

В табл. 7.2 приведены значения 1Т₁₀₀ для термометров сопротивления из медной и платиновой проволоки.

Термометры сопротивления подключаются или к измерительным приборам, или к преобразователям сопротивления в электрический сигнал. В качестве измерительного прибора может быть использован специальный магнитоэлектрический прибор — логометр. Чаще термопреобразователи сопротивления подключаются к измерительной цени, которой являются равновесный или неравновесный мосты. Схемы включения термопреобразователя в мостовые схемы приведены на рис. 7.15.

Таблица 7.2

Характеристики измерительных датчиков.

В измерительную диагональ уравновешенного моста включают измерительный прибор, называемый нуль-индикатором, и изменяют сопротивление одного плеча моста так, чтобы мост находился в равновесии. В неуравновешенных мостах вместо нуль-индикатора используют миллиамперметр. Сопротивления трех плеч моста постоянные. Четвертое плечо, образованное измеряемым сопротивлением, изменяет свою величину. Точность измерения температуры неуравновешенным мостом ниже, чем точность измерения температуры уравновешенным мостом.

Для измерения температуры применяют и автоматические электронные уравновешенные мосты. В этих мостах вместо нуль-индикатора включают электронный усилитель. К выходу усилителя подключают реверсивный серводвигатель. В случае нарушения равновесия моста на вход усилителя поступает сигнал, и серводвигатель начинает вращаться и перемещать движок реохорда до тех пор, пока не наступит равновесие моста.

Мостовые схемы могут не только измерять температуру, но и регулировать ее. В этих мостах вместо нуль-индикатора также включают электронный усилитель, сигнал с выхода которого подается на орган, регулирующий температуру. Как только температура станет равной заданной, сигнал на входе усилителя становится равным нулю.

При работе с термопреобразователями, расположенными вдали от измерительного прибора, приходится считаться с сопротивлением соединительных проводов, вносящих погрешность в измеряемую температуру.

Чаще всего термопреобразователи подключают к измерительной цепи по трехпроводной схеме (рис. 7.15, а), которая позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую за счет изменения сопротивления проводов при изменении их температуры. В трехпроводной схеме два соединительных провода включены в соседние плечи моста, а третий — в диагональ питания. При работе этой цепи в равновесном режиме при условии, что R_{ = R₃, и при равенстве сопротивлений всех трех проводов R_JU = /?_Л2 = Rji3 погрешность от изменения сопротивления соединительных проводов отсутствует. При работе же в неравновесном режиме погрешность значительно меньше, чем в двухпроводной схеме включения.

Рис. 7.15. Мостовые трехпроводная (а) и двухпроводная (б) схемы включения преобразователей термометра сопротивления Допускается подключение термопреобразователей сопротивления к прибору и с использованием двухпроводной линии (рис. 7.15, б), но в этом случае отсутствует компенсация сопротивления соединительных проводов и наблюдается некоторая зависимость показаний прибора от колебаний температуры проводов. Значение тепловой инерции у термосопротивлений, как правило, не более 30 с, а рабочий ток в измерительной цепи — не более 5 мА. На рис. 7.15 символ t° показывает, что нелинейность сопротивления, обозначенная «хоккейной клюшкой», вызвана изменением температуры.

Полупроводниковые датчики температуры регистрируют изменение характеристик р—"-перехода под влиянием температуры. К полупроводниковым датчикам температуры относятся термисторы и позисторы.

Термисторы — это полупроводниковые термосопротивления, у которых при повышении температуры сопротивление уменьшается. Их изготовляют из оксидов металлов: медно-марганцевых (ММТ) и кобальто-марганцевых (КМТ) с добавлением связующих компонентов из полупроводниковых материалов. В отличие от металлов сопротивление полупроводников уменьшается при увеличении температуры, т. е. термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (NTC — negative temperature coefficient). Зависимость между сопротивлением и температурой для широкого класса полупроводников выражается формулой.

где А и В — постоянные; Т — температура.

Чувствительность полупроводниковых термосопротивлений к изменению температуры гораздо выше, чем чувствительность металлических термосопротивлений. Если для металлов температурный коэффициент сопротивления составляет а = (4—6) • 10~³, то для полупроводников он достигает значений, а = -40 • 10 ³ и выше, т. е. в 6—10 раз больше. Стабильность полупроводниковых терморезисторов ниже, чем металлических.

Позисторы — эго полупроводниковые терморезисторы, у которых с увеличением температуры сопротивление увеличивается. Для изготовления позисторов используют титанат бария со специально подобранными примесями. К недостаткам позисторов относятся нелинейность температурной характеристики, низкая стабильность параметров, зависимость температурного коэффициента от параметров окружающей среды.

Термопары. Для измерения температуры кроме терморезисторов и термисторов используют и преобразователи температуры генераторного типа — термопары, которые преобразуют тепловую энергию в ЭДС (рис. 7.16). Их применяют для измерения температур в диапазоне от 650 до 1800 °C.

Известно, что при соприкосновении двух различных металлических проводников (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов, которая обусловлена разностью значений работы выхода электронов из различных металлов. Кроме того, концентрации электронов у разных металлов и сплавов также могут быть неодинаковыми. Если два проводника образуют замкнутую цепь и температуры обоих контактов одинаковы, то результирующая ЭДС в замкнутом контуре будет равна нулю. Если же один из контактов, или, как их называют, «спаев», двух металлов, имеет температуру Ту, а другой — температуру Г₂, то в этом случае между спаями возникает термоЭДС:

где с_Т — постоянный для данной пары проводников коэффициент термоЭДС, зависящий от природы контактируемых материалов и от абсолютного значения температур спаев.

Зависимость термоЭДС от разности температур спаев может быть не всегда строго линейной. Поэтому коэффициент с_т необходимо корректировать в соответствии со значениями температур Г, и Т₂.

Систему из двух изолированных между собой проволок из разных металлов или сплавов, спаянных на одном конце («горячий спай») и свободными концами (холодными) подключенных к измерительному прибору или в систему регулирования, называют термопарой (см. рис. 7.16). Ее применяют для измерения температур. Проводники, из которых составляется термопара, называют термоэлектродами. Температура холодных концов обычно бывает известна, а горячий спай помещают в то место, температуру которого хотят измерить. При нагревании горячего спая возникает термоЭДС Е, пропорциональная температуре нагрева. Таким образом, термопара преобразует изменение температуры в изменение ЭДС.

В некоторых случаях к концам термопары подключают катушку реле или управляющего соленоида (см. замечание 7.4). По достижении определенной разности температур под действием термоЭДС по катушке реле начинает протекать ток, вызывающий срабатывание реле или открытие клапана с помощью соленоида.

Замечание 7.4.

Соленоид (от др.-греч. solen — трубка и eidos — вид) — индуктивная катушка, намотанная на цилиндрический каркас, причем длина цилиндра превышает его диаметр. Если через обмотку пропустить электрический ток, то внутри соленоида образуется магнитное поле, которое может втянуть в цилиндр ферромагнитный сердечник. Соленоиды на постоянном токе со втягиваемым ферромагнитным сердечником используют как электромеханический исполнительный механизм или как поступательный силовой электропривод. В отличие от обычных электромагнитов соленоиды обеспечивают достаточно большой ход сердечника. Соленоиды приводят в движение язычки замков, клапаны в двигателях, гидравлических и газовых системах. Один из самых известных примеров — «тяговое реле» автомобильного стартера.

Входной величиной термопары является температура ее рабочего спая, а выходной величиной — термоЭДС, которую термопара вырабатывает при строго постоянной температуре нерабочего спая.

Термопара, как уже указывалось выше, состоит из двух спаянных на одном конце проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый рабочим, или горячим, спаем погружается в измеряемую среду, а свободные концы — холодный спай — подключаются к входу измерителя-регулятора. Если температуры рабочего и холодного спаев различны, то термопара вырабатывает термоЭДС, которая и подается на прибор. Схема включения термопары в измерительную цепь приведена на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Схемы включения термопары в измерительную цепь:

а — измерительный прибор 1 подключен соединительными проводами 2 к концам термоэлектродов 3 и 4 б — измерительный прибор включен в разрыв термоэлектрода 4; Т_{ и Т₂ — температуры соответственно горячего и холодного контактов термопары.

а б

В схеме на рис. 716, а для соединения термопары с измерительным прибором кроме двух проводников-термоэлектродов 3 и 4 для соединения термопары с измерительным прибором 1 служат соединительные проводники 2. Оба конца этого проводника должны иметь одинаковую заданную температуру 7'₂, чтобы присоединение измерительного прибора не изменило величину ЭДС термопары.

Термопары в автоматике часто применяют для сравнения температур в двух точках. Такую термопару иногда называют дифференциальной термопарой (рис. 7.16, 6). Оба ее конца, находящиеся при температурах 1 и Т₂, являются рабочими. ТермоЭДС отличается от нуля в том случае, когда температуры концов неодинаковы. Полярность термоЭДС зависит от того, какая температура выше: Т_х или Т₂. Измерительное устройство включается в разрыв одного из термоэлектродов, причем температуры обоих точек присоединения должны быть одинаковы, тогда как сама величина этой температуры значения нс имеет.

Поскольку термоЭДС зависит от разности температур двух спаев термопары, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру холодного спая, чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях. У преобразователей, предназначенных для работы с термопарами, предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. Датчиком температуры холодного спая служит полупроводниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником (рис. 7.17). Подключение термопар к прибору должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопара. Допускается использовать провода из металлов с термоэлектрическими характеристиками, аналогичным характеристикам материалов электродов термопары в диапазоне температур от 0 до 100 °C. При соединении компенсационных проводов с термопарой и прибором необходимо соблюдать полярность. Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора линию связи прибора с датчиком рекомендуется экранировать (см. рис. 7.17). В качестве экрана может быть использована заземленная стальная труба. При нарушении указанных условий могут возникнуть значительные погрешности при измерении.

Для изготовления термопар наиболее часто применяются следующие сплавы:

• • копелъ (56% Си и 43% Ni, 0,5% Мп), р = 0,465 мкОм • м;
• • алюмель (95% Ni, остальное А1 (1,8—2,5%), Si (0,85—2%), Мп (1,8— 2,2%)), р = 0,305 мкОм • м;
• • хромель (90% Ni и 10% Сг), р = 0,66 мкОм • м;
• • платинородий (90% Pt и 10% Rli), р = 0,19 мкОм • м.

Термопары могут измерять следующие величины температур:

• • платинородий — платина — до 1600 °C;
• • медь — Константин и медь — копелъ — до 350 °C;
• • железо — Константин, железо — копелъ и хромель — копелъ — до 600 °C;
• • хромель — алюмель — до 900—1000°С.

Наибольшую термоЭДС на единицу разности температур развивает термопара хромель — копелъ (80 мкВ/К), а наименьшую — платинородий — платина (8 мкВ/К). Ток в холодном спае термопары идет от первого материала ко второму (т.е. от хромеля к копелю, от меди к константану и т. д.), а в горячем спае — в обратном направлении. Высокими значениями термоЭДС на единицу разности температур обладают некоторые полупроводниковые материалы.

Рис. 7.17. Схема экранирования при подключении термопары к измерительному прибору:

• 1 — рабочий спай термопары; 2 — головка датчика; 3 — экран;
• 4 — датчик температуры холодного спая; 5 — термоэлектродный кабель

При использовании термопары в качестве датчика ее предварительно градуируют, т. е. определяют зависимость ЭДС от температуры горячего спая (рабочего конца) при определенной температуре холодного спая, обычно равной 0 или 20 °C. Если при эксплуатации термопары температура холодного конца не соответствует градуировочной температуре, то возникает погрешность в показаниях. Чтобы ее исключить, необходимо вводить поправки на изменение температуры холодного спая.

Пример 7.1.

Термопара была отградуирована при температуре холодного спая Т₀ = ()°С. Данные градуировки (узлы интерполяции) приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Данные градуировки термопары.

С помощью этой термопары измерялась температура в печи. Температура холодного спая термопары при измерении равнялась 100 °C. Вольтметр при измерении показал напряжение 8,39 мВ. Пользуясь градуировочной таблицей (табл. 7.3), определите температуру в печи.

Решение

Если температура холодного спая при измерении не соответствует условиям градуировки, то нужно применить закон промежуточных температур, который записывается так:

В скобках указаны температуры спаев. Найденной термоЭДС соответствует по закону интерполяции температура в печи Т = 950 °C.

Пирометры, или инфракрасные датчики температуры, — бесконтактные датчики, регистрирующие излучение, исходящее от нагретых тел. Основным достоинством пирометров (в отличие от упомянутых выше температурных датчиков) является отсутствие необходимости помещать датчик непосредственно в контролируемую среду. В результате такого погружения часто происходит искажение исследуемого температурного поля, не говоря уже о снижении стабильности характеристик самого датчика.

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 уже в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур бесконтактными датчиками — от -45 до 3000 °C.