СибирскийГосударственный Аэрокосмический Университет
Факультетинформатики и систем управления
КафедраИУСРеферат
курса«Технические средства АСОИУ»
«Температурныедатчики»
Выполнил:
ст-т.гр. ИУ-92 Чугайнов Н.Г.
Проверил:
ст.препод. Бочаров А.Н.
Красноярск2003
ПЛАН
Введение…………………………………………………….….3
Температурные датчики, ихвиды…………………………….4
Термопреобразователи сопротивления………………………….4
Термоэлектрические преобразователи…………………………..6
Пирометры..………………………………………………………8
Кварцевые термопреобразователи….…………………………..10
Шумовые датчики………………………………………………..10
ЯКР – датчики…………………………………………………….10
Дилатометрические преобразователи…………………………..11
Акустические датчики……………………………………………11
Список литературы……………………………………………13
Введение.
Автоматизация различных технологическихпроцессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмамитребуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. В настоящеевремя существует приблизительно следующее распределение доли измеренийразличных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход(массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса,объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%. Изэтого распределения наглядно видно, что в современном промышленном производственаиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомнойэлектростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производитсятакое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобныхточек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур,разнообразие условий использования средств измерений и требований к нимопределяют, с одной стороны, многообразие применяемых средств измерениятемпературы, а с другой стороны, необходимость разработки новых типов первичныхпреобразователей и датчиков, удовлетворяющих возрастающим требованиям кточности, быстродействию, помехоустойчивости. Впрочем, число видовтемпературных датчиков, существующих в наши дни, также достаточно велико; обовсех этих разновидностях и пойдет речь в данном реферате.
Температурные датчики, их виды.
В основе работы любых температурных датчиков, использующихсяв системах автоматического управления, лежит принцип преобразования измеряемойтемпературы в электрическую величину. Это обусловлено следующими достоинствамиэлектрических измерений: электрические величины удобно передавать нарасстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; электрическиевеличины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут бытьпреобразованы в электрические и наоборот; они точно преобразуются в цифровойкод и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействиясредств измерений.
Термопреобразователисопротивления.
Принципдействия термопреобразователей сопротивления (термо- резисторов) основан наизменении электрического сопротивления проводников и полупроводников взависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик,должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, повозможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошейвоспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. Внаибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чутьменьшей – медь.
Платиновыетерморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от –260 до1100 0С. В диапазоне температур от 0 до 650 0С ихиспользуют в качестве образцовых и эталонных средств измерений, причемнестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей непревышает 0,001 0С.
Зависимостьсопротивления платиновых терморезисторов от температуры определяется следующимиформулами:
Rt = R0(1 + At + Bt2) при0
Rt = R0[1 + At + Bt2 + Ct3(t– 100)] при–200
где Rt– сопротивлениетерморезистора при температуре t, 0C; R0– сопротивлениепри 0 0C; A= 3,96847*10 –3 (C)–1; B = -5,847*10 -7(C) –2; С = -4.22*10 -12(C) –4.
Платиновыетерморезисторы обладают высокой стабильностью и воспроизводимостьюхаракетристик. Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейностьфункции преобразования. Поэтому они используются для точных измеренийтемператур в соответствующем диапазоне.
Широкоераспространение на практике получили более дешевые медныетерморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры:
Rt = R0(1+ αt) при -50 tC,
где α = 4.26*10–3(0C) –1.
Недостатком меди является небольшое ее удельноесопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничиваетсятемпературой 180 0C. По стабильности ивоспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым.
Тепловая инерционность стандартных термометровсопротивления характеризуется показателем тепловой инерции (постояннойвремени), значения которого лежат в пределах от десятков секунд до единицминут. Постоянная времени специально изготавливаемых малоинерционныхтермометров сопротивления может быть уменьшена до 0,1 с.
Находят применение также никелевые термометрысопротивления. Никель имеет относительно высокое удельное сопротивление, нозависимость его сопротивления от температуры линейна только до температур невыше 100 0C, температурный коэффициентсопротивления никеля в этом диапазоне равен 6,9*10–3(0C) –1.
Медные и никелевые терморезисторы выпускают также излитого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторыгерметизированы, высокостабильны, малоинерционны и при малых габаритныхразмерах могут иметь сопротивления до десятков килоом.
По сравнению с металлическими терморезисторами болеевысокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы(термисторы). Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления,значение которого при 20 0C составляет (2– 8)*10 –2 (0C) –1,т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторыпри весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). Дляизмерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторытипов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди имарганца).
Термисторы имеют линейную функцию преобразования,которая описывается следующей формулой:
Rt = AeB/T,
где T – абсолютнаятемпература, A – коэффициент, имеющий размерностьсопротивления, B – коэффициент, имеющий размерностьтемпературы.
Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим сдостаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве,является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличиехарактеристик одного экземпляра от другого).
Полупроводниковые датчики температуры обладаютвысокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменениятемператур в диапазоне от –100 до 200 0С.
Измерительная схема с участием термопреобразователейсопротивления чаще всего является мостовой; уравновешивание мостаосуществляется с помощью потенциометра. При изменении сопротивлениятерморезистора соответственно изменяется положение движка потенциометра,положение которого относительно шкалы формирует показание прибора; шкалаградуируется непосредственно в единицах температуры. Недостатком такой схемы включенияявляется вносимая проводами подключения терморезистора погрешность; посколькуиз-за изменения сопротивления проводов при изменении температуры окружающейсреды компенсация указанной погрешности невозможна, применяют трехпроводнуюсхему включения проводов, при использовании которой сопротивления подводящихпроводов оказываются в различных ветвях, и их влияние значительно уменьшается.
Термоэлектрическиепреобразователи (термопары).
Принцип действия термопароснован на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутомконтуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течетток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взятьзамкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то наих спаях возникнут термоЭДС E(t) и E(t0), зависящие оттемператур этих спаев t и t0. Так как этитермоЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термоЭДС,действующая в контуре, равна E(t) – E(t0).
При равенстве температур обоихспаев результирующая термоЭДС равна нулю. Спай, погружаемый в контролируемуюсреду, называется рабочим концом термопары, а второй спай – свободным.
У любой пары однородных проводников значениерезультирующей термоЭДС зависит только от природы проводников и от температурыспаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников.Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в негоодин или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом местасоединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термоЭДС,действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термоЭДСтермопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает8 мВ на каждые 100 0С и обычно не превышает по абсолютной величине70 мВ.
Термопары позволяют измерятьтемпературу в диапазоне от –200 до 2200 0С. Для измерения температурдо 1100 0С используют в основном термопары из неблагородныхметаллов, для измерения температур от 1100 до 1600 0С – тер-мопарыиз благородных металлов и сплавов платиновой группы, а дляизмерения более высоких температур – термопары из жаростойких сплавов (наоснове вольфрама).
Наибольшее распространение дляизготовления термоэлектрических преобразователей получили платина,платинородий, хромель, алюмель.
При измерениях температуры вшироком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразованиятермоэлектрическогго преобразователя. Так, например, функция преобразованиямедь-константановых термопар в диапазоне температур от –200 до 300 0Сс погрешностью ± 2 мкВ описывается эмпирической формулой
E = At2+ Bt + C,
где A, BиC– постоянные,определяемые путем измерения термоЭДС при трех известных температурах, t– температурарабочего спая при 0С.
Постоянная времени термоэлектрическихпреобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контактарабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется вминутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которыхпостоянная времени лежит в пределах 5 – 20 секунд и ниже.
Электроизмерительныйприбор (милливольтметр) или измерительный усилитель термоЭДС могут подключатьсяк контуру термопары двумя способами: в свободный конец термопары или в один изтермоэлектродов; выходная термоЭДС от способа подключения измерительныхустройств не зависит.
Как указано выше, приизмерении температуры свободные концы термопары должны находиться припостоянной температуре, но как правило, свободные концы термопары конструктивновыведены на зажимы на ее головке, а следовательно, расположены внепосредственной близости от объектов, температура которых измеряется. Чтобыотнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющиепровода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющиходинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра.
Для термопар из неблагородныхметаллов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов,что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металов вцелях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паремежду собой в диапазоне температур 0 – 150 0С ту же термоЭДС, что иэлектроды термопары. Так, для термопары платина – платинородий применяютсяудлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава, образующиетермопару, идентичную по термоЭДС термопаре платина-платинородий в диапазоне 0– 150 0С. Для термопары хромель – алюмель удлинительныетермоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель –копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в видегибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродоввозникает существенная погрешность.
В лабораторныхусловиях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0 0Спутем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. Впроизводственных условиях температура свободных концов термопары обычноотличается от 0 0С. Так как градуировка термопар осуществляется притемпературе свободных концов 0 0С, то это отличие может явитьсяисточником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, какправило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправкиучитываются как температура свободных концов термопары, так и значениеизмеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопарынелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.
На практике дляустранения погрешности широкое применение находит автоматическое введение поправкина температуру свободных концов термопары. Для этого в цепь термопары имилливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медныйтерморезистор, а остальные бразованы манганиновыми терморезисторами. Притемпературе свободных концов термопары, равной 0 0С, мост находитсяв равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 0Снапряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термоЭДС термопары,внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется специальнымрезистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полнойкомпенсации погрешности не происходит, но указанная погрешность существенноуменьшается.
В лабораторныхусловиях для точного измерения термоЭДС применяются лабораторные и образцовыекомпенсаторы постоянного тока с ручным уравновешиванием.
Пирометры.
Серьезнымнедостатком рассмотренных выше термопреобразователей сопротивления итермоэлектрических преобразователей является необходимость введения датчика вконтролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемоготемпературного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчикухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысокихтемпературах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры– бесконтактные датчики, основанные на использовании излучения нагретых тел.
Тепловое излучение любого теламожно характеризовать количеством энергии, излучаемой телом с единицыповерхности в единицу времени и приходящейся на единицу диапазона длин волн.Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называетсяспектральной светимостью (интенсивностью монохроматического излучения).
Законы температурногоизлучения определены совершенно точно лишь для абсолютно черного тела.Зависимость спектральной светимости абсолютно черного тела от температуры идлины волны выражается формулой:
Rα= Aα–5(eB/(αT)– 1) –1,
где α– длина волны, T– абсолютнаятемпература, Aи B – постоянные.
Интенсивность излучения любого реального телавсегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре.Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютночерным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значениеразлично для разных физических тел и зависит от состава вещества, состоянияповерхности тела и других факторов.
Использующие энергию излучениянагретых тел пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.
Радиационные пирометрыиспользуются для измерения температуры от 20 до 2500 0С, причемприбор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связис этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значениекоэффициента неполноты излучения.
В типичный радиационный пирометр входиттелескоп, состоящий из объектива и окуляра, внутри которого расположена батареяиз последовательно соединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся наплатиновом лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объектизмерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта и всяэнергия излучения воспринималась термобатареей. ТермоЭДС термобатареи являетсяфункцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела.
Радиационные пирометры градуируются по излучениюабсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполнотыизлучения вызывает погрешность измерения температуры.
Яркостные (оптические) пирометрыиспользуются для измерения температур от 500 до 4000 0С. Ониоснованы на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта сяркостью образцового излучателя (фотометрической лампы). Фотометрическая лампавстроена в телескоп, имеющий объектив и окуляр. При измерении температурытелескоп направляют на исследуемое тело и добиваются четкого изображения тела инити фотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити путемизменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощьюперемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображения нитии исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нить видна ввиде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно свечение нити наболее бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такиепирометры называют также пирометрами с исчезающей нитью.
Напряжение накала лампы (или положениеоптического клина) характеризует температуру нагретого тела; для сравненияинтенсивностей излучения лишь в узком диапазоне спектра используетсяспециальный светофильтр.
Яркостные пирометры обеспечивают более высокуюточность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешностьобусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощениемизлучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение.
Цветовые пирометры основаны на измеренииотношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно вкрасной или синей части спектра; они используются для измерения температуры вдиапазоне от 800 до 0С. Обычно цветовой пирометр содержит один канализмерения интенсивности монохроматического излучения со сменнымисветофильтрами.
Главным преимуществом цветовых пирометровявляется то, что неполнота излучения исследуемого объекта не вызываетпогрешности изменения температуры. Кроме того, показания цветовых пирометровпринципиально не зависят от расстояния до объекта измерения, а также откоэффициента излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощенияодинаковы для обеих длин волн.
Кварцевыетермопреобразователи
Для измерениятемператур от –80 до 250 0С часто используются так называемые кварцевыетермопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевогоэлемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, чтозависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функциипреобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осейкристалла кварца.
Кварцевыетермопреобразователи имеют высокую чувствительность (до 103 Гц/К).высокую временную стабильность (2*10–2 К/год) и разрешающую способность10–4 – 10–7 К, что и определяет перспективность. Данныедатчики широко используются в цифровых термометрах.
Шумовыедатчики.
Действие шумовых термометров основано назависимости шумового напряжения на резисторе от температуры. Данная зависимостьопределяется формулой:
/>,
где /> - среднийквадрат напряжения шума, K – постоянная Больцмана, T – абсолютнаятемпература, R – сопротивление резистора, /> — полоса воспринимаемых частот.
Практическая реализация методаизмерения температуры на основе шумовых резисторов заключается в сравнениишумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известнойтемпературе, а другой – при измеряемой. Шумовые датчики используются, как правило,для измерения температур в диапазоне –270 – 1100 0С.
Достоинством шумовых датчиковявляется принципиальная возможность измерения термодинамической температуры наоснове указанной выше закономерности. Однако это значительно осложняется тем,что среднее квадратическое значение напряжения шумов очень трудно измеритьточно вследствие его малости и сопоставимости с уровнем шума усилителя.
ЯКР — датчики.
ЯКР-термометры (термометрыядерного квадрупольного резонанса) основаны на взаимодействии градиентаэлектрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрическогомомента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферическойсимметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которойзависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеетзначения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического полярешетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКРснижается.
Датчик ЯКР-термометрапредставляет собой ампулу с веществом, заключенную внутрь катушкииндуктивности, включенной в контур генератора. При совпадении частотыгенератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии от генератора.Погрешность измерения температуры -263 0С составляет ± 0.02 0С,а температуры 27 0С — ± 0.002 0С.
Достоинством ЯКР-термометровявляется его неограниченная во времени стабильность, а недостатком –существенная нелинейность функции преобразования.
Дилатометрическиепреобразователи.
Дилатометрические (объемные) датчики измерениятемпературы основаны на явлении расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей илигазов при увеличении (уменьшении) температуры.
Температурныйдиапазон работы преобразователей, основанных на расширении твердых тел,определяется стабильностью свойств материалов при изменении температуры. Обычнос помощью таких преобразователей измеряют температуры в диапазоне –60 – 400 0С.Погрешность преобразования составляет 1 – 5 %.
Температурныйдиапазон работы преобразователя с расширяющейся жидкостью зависит от температурзамерзания и кипения последней (для ртути — -39 – 357 0С, дляамилового спирта — -117 – 132 0С, для ацетона — -94 – 57 0С.Погрешности жидкостных преобразователей составляют 1 – 3 % и в значительнойстепени зависят от температуры окружающей среды, изменяющей размеры капилляра.
Нижний пределизмерения преобразователей, использующих в качестве рабочей среды газ,ограничивается температурой сжижения газа ( — 195 0С для азота, — 269 0С для гелия), верхний же – лишь теплостойкостью баллона.
Акустическиедатчики.
Акустические термометры основаны на зависимостискорости распространения звука в газах от их температуры и используются восновном диапазоне средних и высоких температур. Акустический термометрсодержит пространственно разнесенные излучатель акустических волн и ихприемник, обычно включаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которогоменяется с изменением температуры; обычно такой датчик использует и различноготипа резонаторы.
Списоклитературы.
1. К.Л.Куликовский, В.Я. Купер. Методы и средства измерений: Учеб. пособие для вузов.М.: Энергоатомиздат, 1986. – 448 с.: илл.
2. М.А.Бабиков, А.В. Косинский. Элементы и устройства автоматики: Учеб. пособие длявузов. М.: Высшая школа, 1975. – 464 с.: илл.