Датчики температуры. Лекция

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ. ЛЕКЦИЯ
Возможно самым простым и самым распространенным способом определения температуры является измерение теплового расширения различных веществ. На этом принципе реализованы все жидкостные стеклянные термометры. В электрических преобразователях применяются несколько другие принципы детектирования. В настоящее время широко распространенны следующие датчики температуры: резистивные, термоэлектрические, полупроводниковые, оптические и пьезоэлектрические детекторы.
Измерение температуры всегда заключается в передаче небольшой порции тепловой энергии от объекта к датчику, который должен преобразовать эту энергию в электрический сигнал. Когда контактный детектор (зонд) помещается внутрь объекта или на него, между объектом и зондом происходит передача тепла за счет теплопроводности. При этом чувствительный элемент, входящий в состав зонда, либо разогревается, либо охлаждается. То же самое происходит и при передаче тепла при помощи излучения: тепловая энергия в виде ИК излучения либо поглощается датчиком, либо выделяется им в зависимости от температуры объекта и типа оптической связи. Любой датчик, независимо от его размеров, вносит возмущение в зону измерения, что приводит к возникновению ошибок при определении температуры. Это касается любых способов детектирования: и радиационных, и конвективных и теплопроводных. Таким образом, разработчик должен всегда стремиться минимизировать погрешность измерений, применяя соответствующие конструкции датчиков и методы компенсации погрешностей.
Существует два основных метода измерения температуры: равновесный и прогнозируемый. В равновесном методе измерение температуры проводится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом, находящимся в зонде, наступает тепловое равновесие, т.е. между датчиком и объектом измерения нет существенной разности температур. В методе прогнозирования в процессе проведения измерений тепловое равновесие не наступает, а значение текущей температуры определяется по скорости изменения температуры датчика. С момента размещения чувствительного элемента на объекте до наступления теплового равновесия между объектом и датчиком может пройти довольно много времени, особенно, если контактные площадки сухие. Например, медицинский электронный термометр определяет температуру в ванне с водой за 10 секунд, в то время как для измерения подмышечной температуры требуется, по крайней мере, 3...5 минут.
Рассмотрим источники возможных ошибок при измерении температуры контактным способом. Одна из причин возникновения ошибок заключается в том, что датчик, как правило, соединяется не только с объектом, температуру которого он измеряет, но и с другими предметами. Другая причина кроется в использовании соединительных кабелей (рис.1А). Чувствительный элемент, подсоединяемый к объекту с температурой Тв, обладает своей собственной температурой Тs Для проведения точных измерений необходимо достичь состояния теплового равновесия, при котором эти две температуры станут практически равными. Один конец кабеля соединяется с зондом, а другой конец подвергается действию температуры окружающей среды То, которая может значительно отличаться от температуры объекта. Таким образом, соединительный кабель не только передает электрический сигнал датчика, но и часть тепла от элемента или к нему. На рис. 1.Б показана тепловая схема, включающая в себя объект, датчик, окружающую среду и тепловые сопротивления r1, и r2, которые отображают способность вещества проводить тепловую энергию и определяются как величины, обратные коэффициентам теплопроводности, т.е. r=1/
·. Если объект теплее окружающей среды, тепловой поток будет направлен туда, куда указывает стрелка.

Рис. 1. Датчик температуры имеет тепловые контакты как с объектом, так и с соединительным кабелем (А), эквивалентная тепловая схема (Б)
Схема на рис. 16.1Б напоминает электрическую схему, и для расчета ее параметров также применяются законы электрических цепей, такие как законы Кирхгофа и Ома (Интересно отметить, что закон Кирхгофа был первоначально выведен не для электрической цепи, а для водопровода). Теплоемкость вещества, по аналогии с электрическими цепями, отображается в виде конденсатора. Считая, что все температуры уже вышли на определенный стационарный уровень, к этой системе можно применить закон сохранения энергии, из которого следует, что тепловая энергия, переданная объектом датчику, должна быть равна энергии, отданной датчиком в окружающую среду. Исходя из этого, можно записать следующее уравнение:

13 EMBED Equation.3 1415 (16.1)

Из которого можно вывести выражение для температуры датчика:
(16.2)
где разность температур между объектом и окружающей средой. Подробнее рассмотрим уравнение (16.2). Анализируя его, можно сделать несколько заключений. Во-первых, температура датчика всегда отличается от температуры объекта. Исключение составляет случай, когда температуры окружающей среды и объекта равны (т.е.Во-вторых, при любом
·T температура датчика будет приближаться к температуре объекта только в том случае, когда отношениестремится к нулю. Это означает, что для снижения погрешности измерения необходимо улучшать тепловую связь между объектом и датчиком и, по возможности, отделять датчик от окружающей среды, что часто очень нелегко выполнить.
Все вышесказанное справедливо для стационарных условий. Теперь рассмотрим динамический процесс, когда температура меняется во времени. Такая ситуация происходит при изменении температуры окружающей среды или объекта, а также в момент присоединения датчика к объекту, когда его температура еще не успела стабилизироваться. При контакте чувствительного элемента с объектом между ними происходит теплообмен. Количество переданного при этом тепла определяется разностью температур элемента (TS) и объекта

(16.3)

где теплопроводность в зоне контакта датчика и объекта. Если удельная теплоемкость датчика равна с, а масса т, количество поглощенного им тепла можно найти из выражения:
(16.4)
Без учета тепловых потерь датчика в окружающую среду через соединительный кабель и вспомогательные структуры, т.е. предполагая, что r2=
·, на основе уравнений (16.3) и (16.4) можно получить следующее дифференциальное уравнение первого порядка:
(16.5)
Определим тепловую постоянную времени как::
(16.6)


тогда дифференциальное уравнение (16.5) примет вид:
(16.7)
Решение этого уравнения можно записать как:
(16.8)
где предполагается, что первоначально датчик находится при температуре TВ. На рис. 16.2А показан переходный процесс установления температуры датчика, соответствующий уравнению (16.8). Постоянная времениопределяется временем, за которое температура Т достигает уровня, равного 63.2% от первоначальной разности температурЧем меньше постоянная времени, тем быстрее датчик набирает требуемую температуру.

Рис. 16.2. Переходные характеристики чувствительного элемента: А идеальная связь датчика с объектом (нет тепловых потерь), Б чувствительный элемент отдает часть своего тепла в окружающую среду
Из уравнения (16.8) следует, что притемпература датчика становиться равной температуре объекта: Т=Т1 . Теоретически, для достижения полного теплового равновесия между объектом и датчиком требуется бесконечно большое время. Но поскольку обычно требуется проводить измерения с заданной точностью, в большинстве случаев считают, что через интервал времени, равный 5... 10 постоянным времени, наступает квазиравновесное состояние. Например, в момент времени t=5
·, температура датчика будет составлять 0.7% от а при разница между температурами уже равна 0.005%.
Теперь рассмотрим ситуацию, при которой датчик теряет часть тепла в окружающую среду, т.е.В этом случае тепловая постоянная времени определяется как:

13 EMBED Equation.3 1415 (16.9)
Переходный процесс выхода температуры на режим показан на рис. 16.8Б. Отметим, что в данном случае температура датчика никогда не станет равной температуре объекта, сколько бы времени не прошло.
Типовой контактный датчик температуры состоит из следующих компонентов (рис. 16.3А):
Чувствительного элемента: материала, реагирующего на изменение его собственной температуры. Хороший элемент обладает низкой удельной теплоемкостью, малой массой, большой теплопроводимостью, высокой и прогнозируемой чувствительностью
Контактов: проводящих пластинок или проводов, связывающих чувстви- тельный элемент с внешней электронной схемой. Контакты должны об- ладать минимально возможными теплопроводностью и электрическим со- противлением. Также они часто выполняют роль опорной конструкции.
Защитного корпуса: специальной оболочки или покрытия, физически раз- деляющего чувствительный элемент от окружающей среды. Хороший кор- пус имеет низкое тепловое сопротивление (высокую теплопроводность) и хорошие диэлектрические свойства. Он должен быть влагонепроницае- мым, чтобы вода и другие факторы окружающей среды не могли сказаться на работе чувствительного элемента.





Рис. 16.3. Основные структуры датчиков температуры: А контактный датчик, Б бесконтактный датчик (детектор теплового излучения)
На рис. 16.ЗБ показан бесконтактный датчик температуры, представляющий собой оптический детектор теплового излучения, подробно описанный в главе 14. В его состав также входит чувствительный элемент, реагирующий на изменение собственной температуры. Основное отличие контактных и бесконтактных датчиков заключается в способе передачи тепла от объекта к элементу: в контактных датчиках задействован механизм теплопроводности через физический контакт, в бесконтактных тепло передается через излучение или оптическим методом.
Для улучшения быстродействия датчиков тепловых излучений толщину чувствительного элемента делают минимальной, в то время как для повышения чувствительности увеличивают его площадь поверхности. В дополнение к чувствительному элементу в состав бесконтактного теплового датчика может входить оптическое окошко и встроенная интерфейсная схема. Внутренняя часть корпуса датчика обычно заполняется сухим воздухом или азотом.
Все датчики температуры можно разделить на два класса: абсолютные и относительные детекторы. Абсолютные датчики измеряют температуру относительно либо абсолютного нуля, либо любой другой точки на температурной шкале, например, относительно 0°С (273.15°К), 25°С и т.д. Примерами абсолютных датчиков являются термисторы и резистивные детекторы температуры (РДТ). Относительные датчики измеряют разность температур двух объектов, один из которых называется эталонным. Типичным представителем относительных датчиков является термопара.
Терморезистивные датчики

Хамфри Дэви еще в 1821 году заметил, что электрическое сопротивление различных металлов зависит от температуры. Вильям Сименс в 1871 году разработал первый платиновый резистивный термометр. А в 1887 году Хью Каллендар опубликовал статью, в которой он описал способы практического применения платиновых термометров. Достоинствами терморезистивных датчиков являются высокая чувствительность, простота создания интерфейсных схем и долговременная стабильность. Такие датчики можно разделить на три группы: РДТ, детекторы на р-n переходах и термисторы.

16.1.1. Резистивные детекторы температуры
Этот термин обычно относится к металлическим детекторам, которые бывают проволочными и тонкопленочными. Поскольку удельное сопротивление всех металлов и большинства сплавов зависит от температуры, на их основе можно разрабатывать чувствительные элементы для измерения температуры. Хотя для изготовления температурных детекторов подходят практически все металлы, но все же, в основном, для этих целей используется только платина. Это объясняется воспроизводимостью ее характеристик, долговременной стабильностью и прочностью. Для измерения температур выше 600°С применяются вольфрамовые РДТ. Все РДТ обладают положительными температурными коэффициентами. Выпускаются несколько типов РДТ:
Тонкопленочные РДТ, изготовленные из тонких слоев платины или ее сплавов, нанесенных на подходящую подложку, например, на кремниевую микромембрану. РДТ часто формируются в виде серпантинной структуры для получения высокого отношения длины к ширине
Проволочные РДТ, в которых платиновая проволока намотана внутри керамической трубочки и прикреплена к ней при помощи высокотемпературного клея. Такая конструкция позволяет изготавливать датчики, обладающие очень высокой стабильностью.
В соответствии с Международной практической температурной шкалой (IPTS-68) прецизионные датчики температуры должны калиброваться при температурах, определяемых воспроизводимыми равновесными состояниями некоторых материалов. В этой шкале температуры в Кельвинах обозначаются символом Т68, а в градусах Цельсия t68. Международный Комитет по Весам и Мерам в сентябре 1989 года принял новую Международную температурную шкалу (ITS-90). В ней температура в градусах Цельсия обозначается как t90. В таблице 16.2 приведены различия между этими двумя шкалами, которые важны при проведении прецизионных измерений.

Таблица 16.1. Эталонные температурные точки
Описание точки
°С

Тройная точка водорода
-259,34

Точка кипения нормального водорода
-252,753

Тройная точка кислорода
-218,789

Точка кипения азота
-195,806

Тройная точка аргона
-189,352

Точка кипения кислорода
-182,962

Точка сублимации углекислого газа
-78,476

Точка замерзания ртути
-38,836

Тройная точка воды
0,01

Точка замерзания воды (смеси воды и льда)
0,00

Точка кипения воды
100,0

Тройная точка бензольной кислоты
122,37

Точка замерзания индия
156,634

Точка замерзания олова
231,968

Точка замерзания висмута
271,442

Точка замерзания кадмия
321,108

Точка замерзания свинца
327,502

Точка замерзания цинка
419,58

Точка замерзания сурьмы
630,755

Точка замерзания алюминия
660,46

Точка замерзания серебра
961,93

Точка замерзания золота
1064,43

Точка замерзания меди
1084,88

Точка замерзания никеля
1455

Точка замерзания палладия
1554

Точка замерзания платины
1769

* Тройная точка определяется равновесным состоянием трех фаз: твердой, жидкой и газовой.

Таблица 16.2. Разница температур между шкалами IPTS-68 и ITS-90

Каллендар-ван Дасен предложил следующее аппроксимационное выражение для передаточной функции платинового детектора:
В диапазоне -200...0°С:
(16.10)
А в диапазоне О...63О°С это выражение становится идентичным уравнению (3.58) главы 3:
(16.11)
Константы А, В и С определяются свойствами платины. Ту же самую аппроксимацию можно представить в следующем виде:
(16.12)
где t температура в °С, а коэффициенты А, В и С определяются как:
(16.13)
Значениеполучается при калибровке детектора при высоких температурах (например, в точке замерзания цинка(419.58°С)), а коэффициент при калибровке при отрицательной температуре.
Для согласования со шкалой ITS-90 аппроксимацию Каллендар-ван Дасена необходимо уточнить. Это довольно сложная процедура, подробности которой читатель может найти в описании этой шкалы. В других странах приняты другие документы по РТД. Например, в Европе это: BS 1904:1984, DIN 43760-1980, 1ЕС751:1983, а в Японии JISC1604-1981. В США разные компании разработали свои собственные стандарты на коэффициенты а. Например, в стандарте SAMA StandardRC21-4-1966 величинав то время как в европейскомстандарте DINа в Британском стандарте
·=0.003900°C-1.
Обычно РТД калибруются при стандартных температурах, которые можно воспроизвести в лабораторных условиях с высокой степенью точности (см. таблицу 16.1). Калибровка в таких точках позволяет очень точно определить коэффициенты аппроксимации
· и
·.
Типичные допуски для проволочных РДТ равны ±10 МОм, что соответствует ±0.025°С. Для обеспечения высокой точности измерений необходимо тщательно проектировать корпус РДТ, уделяя особое внимание его теплоизоляции. Это особенно важно при проведении измерений на высоких температурах, когда сопротивление изоляции резко падает. Например, резистор 10-МОм при температуре 550°С обладает погрешностью порядка 3 МОм, что соответствует температурной ошибке:
0.0075°С .
Кремниевые резистивные датчики
Кремний широко используется для изготовления датчиков температуры, обладающих положительным температурным коэффициентом (ПТК) сопротивления. В настоящее время кремниевые резистивные датчики часто встраиваются в микроструктуры для осуществления температурной компенсации или проведения прямых измерений температуры. Также существуют дискретные кремниевые датчики, например, детекторы температуры KTY фирмы Philips. Такие датчики обладают довольно хорошей линейностью (которая может быть улучшена при помощи простых термокомпенсационных цепей) и высокой долговременной стабильностью (обычно ±0.05К в год). ПТК кремниевых резисторов позволяет их использовать в системах, обеспечивающих безопасность нагревательных устройств: среднее превышение температуры (до 200°С) приводит к увеличению их сопротивления, за счет чего осуществляется функция самозащиты.
Чистый кремний, как монокристаллический, так и поликремний, сам по себе обладает отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) сопротивления (рис. 18.1 Б




Рис. 16.4. Удельное сопротивление и количество свободных носителей зарядов в кремнии, легированном
примесями n-типа

Однако после легирования примесями n-типа, в определенном температурном диапазоне его температурный коэффициент становится положительным (рис. 16.4). Этот эффект объясняется снижением подвижности носителей зарядов при понижении температуры. При высоких температурах количество свободных носителей зарядов увеличивается за счет спонтанно образуемых носителей, поэтому в этом температурном диапазоне преобладают собственные полупроводниковые свойства кремния. Таким образом, при температурах ниже 200°С, удельное




















Рис. 16.5. Передаточная функция кремниевого датчика температуры
сопротивление кремния имеет ПТК, а при температурах выше 200°С он становится трицательным.KTY датчик состоит из кристалла кремния n-типа размером 500x500x240 мкм, металлизированного с одной стороны и с контактной площадкой с другой стороны. При такой конструкции датчика создается эффект «растягивания» сопротивления, в результате которого внутри кристалла устанавливается коническое распределение тока, значительно снижающее зависимость характеристик от производственных допусков. При больших токах и высоких температурах KTY датчик становится чувствительным к направлению тока. Для решения этой проблемы применяется сдвоенный датчик, в котором два чувствительных элемента включаются последовательно навстречу друг другу. Такие датчики часто используются в автомобилях.
Типичная чувствительность кремниевого датчика с ПТК составляет порядка 0.7%/°С, т.е. его сопротивление меняется на 0.7% при изменении температуры на 1°С. Передаточную функцию KTY датчика можно аппроксимировать полиномом второго порядка:
(16.14)
где Ro и Т0 сопротивление в Омах и температура в Кельвинах, измеренные в эталонной точке. Например, рабочий диапазон датчиков KTY-81 составляет 55...+150°С, А = 0.007874К-1,
В =1.874х10-5К-2. На рис. 16.5 показана типовая передаточная функция кремниевого резистивного датчика.

Термисторы
Термин термистор образовался в результате соединения двух слов: тепловой и резистор. Это название дано металл-оксидным детекторам, имеющим форму капель, стержней, цилиндров, прямоугольных пластин и толстых пленок. Термисторы относятся к классу датчиков абсолютной температуры, показания которых соответствуют абсолютной температурной шкале. Все термисторы делятся на две категории: с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) и положительным температурным коэффициентом (ПТК) сопротивления. Для проведения прецизионных измерений используются термисторы только с ОТК.
Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления
Обычные металоксидные термисторы обладают ОТК. Это значит, что при увеличении температуры их сопротивление падает. Сопротивление термисторов с ОТК, также как и любых других резисторов, определяется их физическими размерами и удельным сопротивлением материала. Зависимость между величиной сопротивления и температурой является сильно нелинейной.
При проведении прецизионных измерений или при работе в широком температурном диапазоне нельзя напрямую использовать характеристики термисторов, приведенные в документации на них, поскольку типовые допуски на номинальные значения серийно выпускаемых изделий при температуре 25°С составляют порядка ±20%. Поэтому для достижения высокой точности измерений термисторы необходимо индивидуально калибровать в широком температурном диапазоне. Правда, существуют и прецизионные термисторы, характеристики которых в заводских условиях подгоняются методом шлифовки до требуемых размеров. Этот процесс проводится под непрерывным контролем за номинальными значениями сопротивлений при заданной температуре. Однако такая процедура настройки термисторов приводит к значительному повышению их стоимости. Поэтому на практике чаще применяется метод индивидуальной калибровки термисторов. В процессе калибровки измеряется сопротивление термистора при помещении его в среду точно известной температурой (для этих целей часто применяется камера с мешалкой, в которую может быть залита вода, но чаще минеральное масло или специальный состав, например, Flourent®). Если требуется многоточечная калибровка, эта процедура выполняется при разных температурах. Естественно, что качество проведенной калибровки сильно зависит от точности эталонного термометра. Для определения сопротивления термистор включается в измерительную цепь, по изменению тока в которой и судят о величине сопротивления. В зависимости от заданного уровня точности и стоимости калибровка термистора может проводиться на основе одной из известных аппроксимационных моделей.
При использовании термистора в качестве датчика абсолютной температуры предполагается, что при прохождении через него электрического тока, его собственная температура не изменится, что означает, что он не внесет в систему значительных тепловых возмущений, способных повлиять на точность измерений.
В этом случае говорят, что термистор обладает «нулевой мощностью». Увеличение температуры термистора в установившемся режиме вследствие явления саморазогрева описывается уравнением:
(16.15)
где r тепловое сопротивление между термистором и окружающей средой, V- приложенное постоянное напряжение, S сопротивление термистора при измеряемой температуре, а N - рабочий цикл измерений (например, N= 0.1 означает, что постоянное напряжение подается на термистор только на время, равное 10% от полного времени измерений). При проведении измерений по постоянному току N=1. Из уравнения (16.15) видно, что для выполнения условий «нулевой мощности» необходимо, чтобы:
термистор обладал высоким удельным сопротивлением,
термистор и объект измерения имели хорошую тепловую связь друг с другом (что должно снизить значение r),
измерения проводились при небольшом постоянном напряжении, подаваемом в течение короткого интервала времени.
Далее будет показано, как эффект саморазогрева сказывается на величине сопротивления терморезистора, но пока будем считать, что он приводит к появлению лишь незначительных погрешностей.
При использовании термисторов в каких-либо измерительных системах необходимо знать их передаточные функции, которые являются аналитическими выражениями, связывающими величину сопротивления и температуру. Для описания передаточной функции термисторов были предложены несколько математических моделей. Следует отметить, что все математические модели являются только аппроксимациями, и, как правило, чем проще модель, тем ниже ее точность. С другой стороны, при использовании более сложных моделей значительно усложняется калибровка термисторов. Все существующие модели термисторов построены на экспериментально доказанном факте, что логарифм сопротивления термистора связан с его абсолютной температурой следующей полиноминальной зависимостью:
(16.16)
На этом выражении построены три модели, описываемые далее.
Простая модель
В относительно узком температурном диапазоне и при некоторой потере точности можно отбросить два последних члена уравнения (16.16):

(16.17)

где А константа, а- характеристическая температура материала (в Кельвинах). Если известна величина сопротивления термистора при калибровочной температуре То, можно записать зависимость сопротивления от температуры в следующем виде:
(16.18)
Очевидное достоинство этой модели необходимость проведения калибровки термистора только в одной точке. Однако здесь предполагается знание коэффициента
·т. Если он неизвестен, приходится проводить вторую калибровку для нахождения его значения:
(16.19)
где То и So и Т1 и S1 две пары температур и сопротивлений, полученных в двух калибровочных точках, находящихся на кривой, соответствующей уравнению (16.18). Считается, что значениене зависит от температуры, но оно может меняться от изделия к изделию в пределах производственных допусков, которые обычно составляют ± 1 %. Температура термистора определяется по измеренному сопротивлению S при помощи следующего выражения:
(16.20)
Погрешность аппроксимации, представленной выражением (16.20), мала в окрестности температуры калибровки, но значительно увеличивается при расширении рабочего диапазона (рис. 16.7).
Коэффициент
· отвечает за кривизну характеристики термистора, но не является параметром, напрямую соответствующим его чувствительности, которая определяется температурным коэффициентом а. Коэффициент а может быть найден при дифференцировании уравнения (16.18):
(16.21)
Из уравнения (16.21) следует, что чувствительность термистора зависит как от так и от температуры. Термистор обладает лучшей чувствительностью на низких температурах, тогда как при увеличении температуры его чувствительность резко падает. Уравнение (16.21) также показывает, насколько меняется сопротивление S при изменении температуры на один градус. В термисторах с ОТК чувствительность а во всем температурном диапазоне меняется от -2% (в зоне высоких температур шкалы) до 8%/°С (в зоне низких температур шкалы), поэтому можно утверждать, что такие детекторы являются очень чувствительными устройствами, почти на порядок более чувствительными по сравнению с РДТ. Это особенно важно для применений, требующих высоких значений выходного сигнала в относительно узком температурном диапазоне. Примером может служить медицинский электронный термометр.
Модель Фрайдена
В 1998 году автор этой книги предложил следующее усовершенствование простой модели. Оно основывается на экспериментальном факте, что характеристическая температура не является постоянной, а зависит от измеряемой температуры (рис. 16.6). В зависимости от фирмы-изготовителя и типа термистора эта функция может иметь как положительный наклон (как показано на рисунке), так и отрицательный. Идеальный случай, когдасовсем не зависит от температуры, на практике, фактически, не встречается.















Рис. 16.6. Зависимость коэффициента
· от температуры

Из уравнений (16.16) и (16.17) следует, что характеристическая температура материала термистора может быть аппроксимирована следующим выражением:
(16.22)
где А и В являются константами. Оценка этого выражения показала, что во многих практических случаях третий и четвертый члены намного меньше первых двух, поэтому ими часто можно пренебречь. Тогда уравнение (16.22) принимает вид линейной функции:
(16.23)
Это предположение позволяет значительно улучшить универсальность простой модели. Для определения линейной зависимости в любой точке необходимо знать значение хотя бы при одной температуреа также наклон прямойТогда уравнение (16.23) может быть записано в виде:
(16.24)
Для нахождения наклона
· можно воспользоваться выражением:

(16.25)
гдеи два значения характеристической температуры материала, соответствующие двум температурам(Отметим, что и T определяются в Кельвинах. Если температура обозначается как t, используется шкала в Цельсиях). Для определения коэффициента у требуется проводить измерения в трех характерных точках, однако, нет необходимости определять его для каждого отдельного тер-мистора, поскольку он зависит только от материала резистора и технологического процесса изготовления, поэтому его можно считать более или менее постоянным для больших серий термисторов определенного типа. Таким образом, обычно достаточно найти один коэффициент
· для целой серии термисторов, и по нему определять характеристики каждого конкретного детектора.
Подставляя уравнение (16.23) в выражение (16.16), получим аппроксимационную формулу для термистора:
(16.26)
Решая уравнение (16.26) относительно сопротивления S, получим зависимость сопротивления термистора от температуры:
(16.27)
где So сопротивление при калибровочной температуре То, а- характеристическая температура, определенная по двум калибровочным температурам То и Т1 (см. уравнение (16.19)). Это уравнение подобно уравнению (16.18) простой модели, за исключением нового коэффициентаДаже несмотря на то, что коэффициент находится по трем точкам (для серии детекторов), для каждого отдельного термистора необходимо проводить по два калибровочных измерения. Модель Фрайдена подходит для случаев, когда требуется проводить большое количество точных измерений. Достоинством этого метода также является его низкая стоимость. Отметим, что калибровочные температуры То и Т1 следует выбирать ближе к концам рабочего диапазона, а темпе- ратуру для определения- в середине. В таблице 16.3 приведены уравнения для этой модели.

















Рис. 16.7. Погрешности простой модели и модели Фрайдена для четырех термисторов, откалиброванных при двух температурах t0 и t1, для определенияПогрешности модели Стейнхарта-Харта слишком малы и поэтому не по казаны на этом рисунке

Модель Стейнхарта-Харта
Стейнхарт и Харт в 1968 году предложили модель термистора для океанографических исследований, работающего в диапазоне температур З...ЗО°С, которая на самом деле справедлива и для гораздо более широкого температурного интервала. Их модель основана на уравнении (16.16), решенного относительно температуры:
(16.28)
Стейнхарт и Харт показали, что без ощутимой потери точности это выражение может быть записано в виде:
(16.29)
При корректном использовании уравнения (16.29) в диапазоне температур О...7О°С можно добиться точности порядка 0.001°. Для нахождения коэффициентов b необходимо провести калибровку термистора при трех температурах и решить систему из полученных трех уравнений (см. таблицу 16.3). Поскольку модель Стейнхарта-Харта обеспечивает очень высокую точность определения температуры, она положена в основу промышленного стандарта для калибровки прецизионных термисторов. Проведенные исследования показали, что погрешность этой модели даже в более широком температурном диапазоне не превышает 0.002°. Тем не менее, широкого практического применения эта модель не нашла, поскольку для ее использования необходимо проводить калибровку каждого термистора при трех и более температурах.
Выбор той или иной аппроксимационной модели диктуется уровнем требуемой точности и стоимостью. Величина стоимости напрямую зависит от количества необходимых точек калибровки. Процесс калибровки требует довольно больших временных затрат, этим и объясняется его высокая стоимость. Благодаря мощности современных микропроцессоров, сложность математических вычислений не играет решающей роли. Когда не требуется высокая точность измерений, а главным является их низкая стоимость, или когда измерения ведутся в узком температурном диапазоне (±5...10°С от калибровочной температуры), хорошо работает простая модель. Модель Фрайдена предпочтительнее в случаях, когда нужна высокая точность при относительно низкой стоимости. Соответственно модель Стейнхарта-Харта применяется для проведения прецизионных измерений, где стоимость не является решающим фактором (рис. 16.7).
При использовании простой модели необходимо знать значение 1т и сопротивление термистора при одной калибровочной температуре То. При работе с моделью Фрайдена плюс к вышеперечисленному требуется знать коэффициент
·, который определяется не для каждого конкретного термистора, а для целой серии таких элементов. В модели Стейнхарта-Харта для каждого термистора проводят три калибровки при трех разных температурах. В таблице 16.3 приведены уравнения для вычисления калибровочных коэффициентов и измеряемой температуры на основе полученных значений сопротивлений. Конечно, можно каждый раз решать все эти уравнения напрямую. Однако для большинства случаев разработаны специальные справочные таблицы. Для снижения размеров этих таблиц часто применяется кусочно-линейная аппроксимация.

Таблица 16.3. Термисторы с ОТК. Руководство по применению трех моделей.

Изготовление термисторов с отрицательным температурным коэффициентом






Рис. 16.8. Две разновидности бусинкового термистора со стеклянным покрытием
В зависимости от способа изготовления все термисторы с ОТК делятся на три основных группы. Первая группа это термисторы бусинкового типа. Бусинки могут быть ничем непокрытыми, с защитным слоем из эпоксидной смолы (рис. 16.8) или размещены в металлическом корпусе. Выводы всех термисторов данного типа изготавливаются из платинового сплава, запеченного в керамику. В процессе изготовления маленькие порции смеси оксида металла и подходящего связующего наносятся на параллельные слегка натянутые проводники. После высыхания или частичного спекания вся лента бусинок снимается с опорной конструкции и помещается в печь для окончательного спекания. Во время такой температурной обработки оксид металла прочно скрепляется с платиновыми проводниками. После чего вся лента разрезается на отдельные бусинки, на которые наносится соответствующее покрытие.
Другой тип термисторов это чип-термисторы с поверхностными контактами для крепления проводников. Обычно чипы изготавливаются методом пленочного литья, с последующей трафаретной печатью, напылением, покраской или вакуумной металлизацией поверхностных электродов. После чего чипы разрезаются для получения требуемых геометрических размеров. Если это необходимо, чипы могут быть заземлены.
Термисторы третьего типа состоят из слоя полупроводникового материала, нанесенного на соответствующую подложку из стекла, алюминия, кремния и т.д. Такие термисторы, в основном, используются в интегрированных датчиках и ИК тепловых детекторах.
Среди всех термисторов с металлизированными поверхностными контактами наихудшей стабильностью обладают чипы без покрытия. Термисторы с эпоксидным покрытием демонстрируют среднюю стабильность. Термисторы бусинкового типа могут работать при высоких температурах (до 550°С). Детекторы с металлизированным поверхностным контактом используются до 150°С. Бусин-ковые термисторы являются самыми быстродействующими из перечисленных детекторов, однако их стоимость намного выше, чем у чип-термисторов, и в дополнение к этому их номинальное значение трудно поддается регулировке. Подгонка номинального значения выполняется механической шлифовкой термистора при заданной температуре (обычно при 25°С) с целью изменения геометрических размеров для получения требуемого значения сопротивления.
При работе с термисторами, обладающими ОТК, необходимо учитывать все возможные источники ошибок. Одна из них старение, которое для низкокачественных датчиков может составлять порядка 1%. На рис. 16.9 показано изменение величины сопротивления (в %) от срока службы для чип термисторов с эпоксидным покрытием и термисторов бусинкового типа в стеклянных корпусах.











Рис. 16.9. Долговременная стабильность термисторов.
Обеспечение защиты от окружающей среды и температурная подготовка термисторов являются надежными методами стабилизации характеристик детекторов. Для проведения температурной тренировки датчики помещаются в камеру с температурой +300°С, по крайней мере, на 700 часов. Для осуществления лучшей защиты термисторы могут быть размещены в корпусах из нержавеющей стали и залиты эпоксидной смолой.
Явление саморазогрева в термисторах с отрицательным температурным коэффициентом
Как упоминалось ранее, явление саморазогрева термистора может сказываться на его рабочих характеристиках. Термисторы относятся к датчикам активного типа, для работы которых требуется сигнал возбуждения. Этим сигналом, как правило, служит либо постоянный, либо переменный ток, протекающий через термистор, который приводит к выделению тепла, а, значит, и к разогреву детектора. Это повышение температуры датчика часто приводит к появлению погрешностей при измерении температуры объекта. Правда, в некоторых случаях явление саморазогрева используется для построения датчиков, реагирующих на изменения тепловых потоков, ИК излучений и других внешних воздействий. Рассмотрим процессы, проходящие в термисторах, при подаче на них электрического напряжения. На рис. 16.10А показана схема, состоящая из источника напряжения Е, термистора RT внутреннего сопротивления источника R. При включении источника питания (момент вкл на рис. 16.10Б) в соответствии с законом сохранения энергии вся тепловая энергия схемы (Н) должна равняться электрической мощности, вырабатываемой источником питания:
(16.30)
где VT падение напряжения на термисторе.
Тепловая энергия состоит из двух составляющих: тепловых потерь (HL) в окружающую среду и тепловой энергии (Hs), поглощенной термистором. Поглощенная часть энергии накапливается в тепловой емкости С датчика. Тогда уравнение баланса мощности можно записать в следующем виде:
(16.31)













Рис.16.10. А Ток, протекающий через термистор, вызывает его саморазогрев, Б Температура термистора увеличивается в соответствии с тепловой постоянной времени тепловые потери в
окружающую среду.
Тепловые потери термистора в окружающую среду пропорциональны разности температуртермистора Ts и окружающей среды
(16.32)
где
· - коэффициент рассеяния, равный отношению рассеиваемой мощности к градиенту температур (при известном значении температуры окружающей среды). Этот коэффициент зависит от конструкции датчика, длины и толщины проводов, материала термистора, опорных элементов, величины теплового излучения с поверхности термистора и относительного движения среды, в которую помещен термистор.
Скорость поглощения тепла термистором пропорциональна тепловой емкости детектора:
(16.33)
Именно это тепло приводит к повышению температуры термистора. Подставляя выражения (16.32) и (16.33) в уравнение (16.30), получим:
(16.34)
Это дифференциальное уравнение описывает тепловое поведение термистора. Найдем решение этого уравнения для двух условий. Первое условие заключается в том, что электрическая мощность, приложенная к датчику, является постоянной величиной (P=const ). Тогда решение уравнения (16.34) имеет следующий вид:
(16.35)
где е основание натурального логарифма. Из этого выражения видно, что температура датчика будет расти по экспоненциальному закону (рис. 16.10Б), характеризуемому тепловой постоянной времени, где величина 1/
· =ггтепловое сопротивление между датчиком и окружающей средой. На рис. 16.10Б показана экспоненциальная переходная характеристика.
Через достаточно большой интервал времени температура выйдет на стационарный режим, т.е. станет равнойаПри этом тепловые потери и приложенная электрическая мощность сравняются друг с другом:
(16.36)
Если на термистор, обладающий большим сопротивлением, подать низкое напряжение, ток, протекающий через него, будет также мал. Таким образом можно получить очень небольшой градиент температуры
·T, что приведет к значительному уменьшению эффекта саморазогрева. Если саморазогревом термистора пренебречь, уравнение (16.34) можно переписать в виде:
(16.37)
Решение этого дифференциального уравнения описывается экспоненциальной функцией (уравнение (16.8)). Это значит, что выходной сигнал датчика отслеживает изменения окружающей температуры с некоторой постоянной времени Поскольку эта постоянная времени зависит от связи термистора с окружающей средой, она, как правило, определяется для конкретных условий. Например,= 1 с при температуре 25 °С в невозмущенном воздухе или= 0.1 с при Т=25°С в хорошо перемешанной воде. Следует всегда помнить, что все вышеприведенные уравнения соответствуют упрощенной модели тепловых потоков. На самом деле, выходной сигнал термистора никогда не бывает строго экспоненциальным.
При разработке датчиков на основе термисторов всегда используется одна из его трех основных характеристик:
Зависимость сопротивления от температуры. На рис. 16.12 показан вид такой зависимости для термисторов с ОТК. В датчиках, реализованных на основе этой характеристики, эффект саморазогрева, практически, отсутствует. При этом необходимо выбирать термисторы с высоким номинальным сопротивлением, а конструкция детектора должна обеспечивать максимальную связь чувствительного элемента с объектом измерения. Данная характеристика используется, в основном, для построения детекторов температуры. Термометры, термостаты и тепловые прерыватели являются примерами применения этой зависимости.
Зависимость тока от времени (или сопротивления от времени). На рис. 16.10Б показан пример этой характеристики.
Зависимость напряжения от тока. Эта характеристика важна либо для детекторов, реализованных на основе явления саморазогрева, либо для датчиков, где этим эффектом пренебречь нельзя. Выражение (16.36) является уравнением баланса между приложенной электрической энергией и тепловыми потерями. При известной зависимости сопротивления от температуры и при незначительных изменениях
· (что справедливо для многих практических случаев), из уравнения (16.36) можно получить зависимость статического напряжения от тока. Эта характеристика обычно строится в логарифмических координатах по обоим осям. В таком графике линии, соответствующие постоянным сопротивлениям, имеют наклон +1, а линии постоянной мощности наклон1 (рис. 16.11).

Рис. 16.11. Зависимость напряжения от тока для термисторов с ОТК, работающих в спокойной воздушной среде при температуре 25 °С. Нелинейность характеристики объясняется эффектом саморазогрева.
При очень низких токах (левая сторона рис. 16.11) мощность рассеяния термистора мала, и характеристика для каждого значения температуры является касательной к линии постоянного сопротивления, т.е. в этой области термистор ведет себя как обычный резистор, и напряжение VТ пропорционально току i.
При увеличении тока эффект саморазогрева термистора усиливается, что ведет к уменьшению его сопротивления. Поскольку величина сопротивления перестает быть постоянной, характеристика VT(i) начинает отклоняться т прямой линии. Наклон этой зависимости (dVT/di), соответствующий величине сопротивления, снижается при увеличении тока. Возрастание тока ведет к падению сопротивления, которое, в свою очередь, вызывает увеличение тока. В некоторой точке сопротивление термистора становится равным нулю. Эта точка характеризуется максимальным значением напряженияи токомДальнейшее увеличение тока приводит к продолжению уменьшения наклона характеристики. Это означает, что величина сопротивления становится отрицательной (правая сторона рис. 16.11). Если ток продолжить увеличивать ток дальше, начинают играть роль сопротивления соединительных проводов, поэтому никогда нельзя допускать работу термистора в таких режимах. В документации на серийно выпускаемые термисторы обычно указывается максимальное значение допустимой мощности.
Из уравнения (16.36) видно, что термисторы с сильным саморазогревом могут использоваться для детектирования изменений(в составе вакуумных манометров (датчиках Пирани), анемометрах, расходомерах),(в измерителях мощности СВЧ излучений) или VT (в электрических схемах автоматического управления коэффициентом усиления, регуляторах и ограничителях напряжения) и т.д.
Термисторы с положительным температурным коэффициентом
Все металлы относятся к материалам с положительным температурным коэффициентом (ПТК). Из соответствующей таблицы Приложения видно, что все они обладают низкими значениями температурных коэффициентов сопротивления (ТКС). РДТ, описанные ранее, также имеют небольшой ПТК. В отличие от них многие керамические материалы в определенном температурном диапазоне обладают довольно значительными ПТК. Термисторы с ПТК обычно изготавливаются на базе поликристаллических керамических материалов, основные компоненты которых (титанат бария или твердые растворы титаната бария и стронция), обладающие высоким удельным сопротивлением, легируются дополнительными примесями для придания им свойств полупроводников. При температурах, превышающих точку Кюри композиционных материалов, их ферроэлектрические свойства меняются очень быстро, что приводит к значительному увеличению сопротивления, иногда на несколько порядков. На рис. 16.12 показаны передаточные характеристики для трех типов температурных детекторов: с ОТК, ПТК и РДТ. Как видно из рисунка, для термисторов с ПТК очень сложно подобрать математическую аппроксимацию, поэтому для них в документации обычно приводятся следующие характеристики:
Сопротивление при нулевой приложенной мощности, R25. При этом значении влияние эффекта саморазогрева незначительно.
Минимальное сопротивление Rm, при котором термистор меняет знак своего температурного коэффициента (точка т)
Температура перехода Тt, начиная с которой начинается быстрое изменение сопротивления. Она приблизительно совпадает с точкой Кюри материала. Значения температуры перехода обычно лежат в интервале ЗО...+16О°С (Keystone Carbon Co.)
ТКС, определяемый как:
(16.38)
Этот коэффициент сильно зависит от температуры и часто определяется в точке х (т.е. там, где он обладает максимальным значением). Он может достигать значений 2/°С, что означает 200% изменение сопротивления на °С.
Максимальное напряжение Ет, соответствующее предельно допустимому значению, выдерживаемому термистором.
Тепловые характеристики: теплоемкость, коэффициент рассеяния
· (определенный для заданных условий связи детектора с окружающей средой) и тепловая постоянная времени (характеризующая быстродействие термистора приопределенных условиях)

















Рис. 16.12. Передаточные функции для термисторов с ОТК, ПТК и РДТ.
Следует отметить, что для термисторов с ПТК важными факторами являются: температура окружающей среды и эффект саморазогрева. Любой из них влияет на положение рабочей точки термистора.
На рис. 16.13 показаны вольтамперные характеристики термистора с ПТК при разных температурах окружающей среды, по которым можно оценить его температурную чувствительность. В соответствии с законом Ома обычный резистор с близким к нулю ТКС обладает линейной вольтамперной характеристикой. При ОТК коэффициент кривизны положительный, а при ПТК отрицательный. При подключении термисторов с ОТК к идеальному источнику напряжения (обладающему практически нулевым выходным сопротивлением и способностью вырабатывать любой ток без изменения величины напряжения) явление саморазогрева, возникающее из-за рассеяния Джоулева тепла, приводит к уменьшению сопротивления, что, в свою очередь, вызывает увеличение тока и большему нагреву детектора. Если термистор с ОТК имеет плохой теплоотвод, может произойти его перегрев и даже разрушение.
В отличие от термисторов с ОТК, детекторы с ПТК при подключении к идеальным источникам напряжения ведут себя как саморегулирующиеся устройства. Например, нить накаливания раскаленной лампы не перегорает из-за того, что увеличение ее температуры ведет к росту сопротивления, ограничивающего ток. Эффект саморегулирования значителен в термисторах с ПТК. Из рис. 16.13 видно, что в относительно узком температурном диапазоне, термистор с ПТК обладает отрицательным сопротивлением, т.е.
(16.39)

В этой зоне устройства обладают внутренней отрицательной обратной связью, т.е. работают саморегулирующимися термостатами. При этом любой рост напряжения на термисторе приводит к выделению тепла, которое, в свою очередь, вызывает увеличение сопротивления и уменьшению тепловых потерь, в результате чего возникает динамическое равновесие, позволяющее удерживать температуру устройства на постоянном уровне То (рис. 16.12). Эта температура соответствует точке х, в которой касательная к кривой имеет максимальный наклон.

















Рис 16.13. Вольтамперная характеристика детектора с ПТК

Следует отметить, что термисторы с ПТК обладают максимальной эффективностью при больших значениях Т0 (около 100°С), а при меньших температурах их эффективность (наклон характеристики R(T) в точке х) резко падает. По своей физической природе термисторы с ПТК предпочтительнее использовать при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды.
Приведем четыре примера применения термисторов с ПТК:
1. В устройствах защиты электронных схем термисторы с ПТК могут играть роль неразрушаемых предохранителей, реагирующих на токи, значения которых превышают допустимые уровни. На рис. 16.14А показан термистор с ПТК, включенный последовательно с источником напряжения Е, подающего на нагрузку ток i. При комнатной температуре термистор обладает очень низким сопротивлением (порядка 10... 140 Ом). При токе i падение напряжения на нагрузке составляета на термисторе - Vx . Считаем, что Мощность, рассеиваемая на термисторе: P=Vx i, отдается в окружающую среду. При этом температура термистора возрастает, но очень на небольшую величину. Однако при значительном увеличении окружающей температуры или сильном изменении тока нагрузки происходит резкий рост температуры термистора до величины Т
·, по достижении которой его сопротивление начинает расти, что предотвращает дальнейшее увеличение тока. При коротком замыкании в нагрузке
V =Е, а ток i падает до минимального значения. Это значение будет сохраняться до тех пор, пока сопротивление нагрузки не придет в норму, после чего, термистор восстановит свои исходные характеристики. Однако при этом необходимо выполнение условия Е<0.9Етах, иначе может произойти разрушение термистора.
2. В миниатюрных термостатах с саморазогревом (рис. 16.14Б), используемых в микроэлектронике, биомедицине, химических исследованиях и т.д, также используются термисторы с ПТК с соответственно подобранной температурой перехода. Термостат состоит из кюветы, теплоизолированной от окружающей среды и связанной с термистором. Для устранения сухого контакта между термистором и кюветой делают слой из специальной смазки. Выводы термистора подключаются к источнику напряжения, напряжение которого можно оценить при помощи выражения:
(16.40)

где
· - коэффициент рассеяния, зависящий от теплоизоляции термистора от окружающей среды, аTa- температура окружающей среды. Рабочая точка термостата определяется физическими свойствами керамического материала (точкой Кюри). Благодаря внутренней тепловой обратной связи, устройство может работать в сравнительно широком диапазоне напряжений и окружающих температур. Естественно, что окружающая температура должна быть всегда меньше
термисторы с ПТК из-за большой длительности переходных процессов, определяемых временем между подачей напряжения и переходом устройства в рабочее состояние, часто требует подключения схем задержки.
Расходомеры и детекторы уровня жидких сред, работающие на принципе детектирования теплового рассеяния, также часто реализуются на основе термисторов с ПТК.

Рис. 16.14. Применение термисторов с ПТК: А в схемах ограничения тока, Б в микротермостатах
Термоэлектрические контактные датчики
Поскольку термоэлектрические контактные датчики состоят, по крайней мере, из двух разных проводников и двух соединений (пар) этих проводников, их часто называют термопарами. Они являются пассивными датчиками, т.к. сами вырабатывают напряжение в ответ на изменение температуры и не требуют для этого внешнего источника питания. Термопары относятся к классу относительных датчиков, поскольку их выходное напряжение определяется разностью температур между двумя спаями и практически не зависит от абсолютной температуры каждого соединения. При измерении температуры при помощи термопары один ее спай служит эталоном, и его температуру необходимо определять при помощи отдельного детектора абсолютной температуры, например, термистора, РДТ и т.д. или его надо поместить в материал, находящийся в физическом состоянии, температура которого точно известна (см. в соответствующей таблице Приложения). В подробно описан термоэлектрический эффект, лежащий в основе физического принципа действия термопар, а в соответствующей таблице Приложения перечислены наиболее популярные термопары. Более подробное описание различных термопар и их применений можно найти во многих книгах. Приведем некоторые важные рекомендации по использованию наиболее распространенных типов термопар:
Тип Т. Си (+) и константан (-). Такие термопары устойчивы к коррозии (поэтому могут применяться для работы во влажной атмосфере) и пригодны для измерения отрицательных температур. При работе на воздухе в агрессивной среде их верхний предел рабочего диапазона ограничен 370°С (700°F), что связано с окислением медного элемента. В других окружающих условиях термопары типа Т могут использоваться при более высоких температурах.
Тип J: Fe (+) и константан (-). Термопары этого типа подходят для работы в вакууме, а также в различных средах: и инертных, и окислительных, и восстановительных. Их рабочий температурный диапазон лежит в интервале О...76О°С. При температуре около 540°С начинается быстрый процесс окисления железных термоэлементов. Если требуется, чтобы термопары работали длительное время в условиях высоких температур, для их изготовления необходимо применять провода с большим поперечным сечением. Термопары типа J не рекомендуется использовать для измерения температур ниже точки замерзания воды из-за их хрупкости и подверженности ржавлению. В этом температурном диапазоне лучше работают термоэлементы типа Т.
Тип Е: 10% Ni/Cr (+) и константан (). Эти термопары рекомендуется использовать в температурном диапазоне 200...900°С в окислительных или инертных атмосферах. В восстановительной атмосфере и в вакууме они имеют те же ограничения, что и термопары типа К. Термопары типа Е могут применяться для измерения отрицательных температур, благодаря тому, что они не подвержены коррозии при работе в атмосфере с повышенным содержанием влаги. Они способны вырабатывать наибольшую среди всех известных типов термопар э.д.с, поэтому термоэлементы типа Е являются самыми популярными (см. рис. 3.36 главы 3)
Тип К: 10% Ni/Cr (+) и 5% Ni/Al/Si (). Такие термопары применяются для работы в окислительной и полностью инертных средах для измерения температур в диапазоне 200...1260°С. Благодаря своей устойчивости к окислению их часто используют при температурах выше 540°С. Однако термопары типа К нельзя применять в восстановительных и сернистых атмосферах, а также в вакууме.
Тип R и S: Pt/Rh (+) и Pt (-). Эти термопары предназначены для непрерывной работы в окислительной и инертной среде в температурном диапазоне О...148О°С
Тип В: Pt/Rh (+) и 6% Pt/Rh (-). Термопары типа В подходят для непрерывной работы в окислительной и инертной атмосфере в температурном диапазоне 87О...17ОО°С. Их также можно использовать для проведения кратковременных измерений в вакууме. Такие термопары не рекомендуется применять в восстановительной среде, содержащей пары металлов и неметаллов. Их нельзя вставлять в металлические защитные корпуса или чехлы.
16.2.1. Законы термоэлектричества
Для практического использования термопар необходимо знать три основных закона, устанавливающих правила их подключения. Следует подчеркнуть, что интерфейсные электронные схемы всегда должны подсоединяться к двум идентичным проводникам. Эти проводники, как правило, формируют одно из плечей термопарного контура, используемого для подключения измерительного устройства. На рис. 16.15А это разомкнутое плечо обозначено как А.

Рис. 16.15. Иллюстрации правил соединения термопар

Закон 1. Явление термоэлектричества характерно только для неоднородных электрических цепей.
Из этого закона следует, что для получения разности потенциалов Зеебека необходимо использовать неоднородный материал. В случае однородного проводника при любом распределении температуры вдоль его длины результирующее напряжение будет всегда нулевым. Соединение двух разных проводников обеспечивает возникновение термо э.д.с.
Закон 2. Алгебраическая сумма всех термо э.д.с. цепи, состоящей из любого количества термопар (соединений разных материалов), будет всегда равна нулю, если все соединения находятся при одинаковой температуре.
Это значит, что в любое плечо термоэлектрического контура можно внести дополнительный материал С, не боясь изменить результирующее напряжение К, при условии, что оба новых соединения будут иметь одинаковую температуру (Т3 на рис. 16.15А). Здесь нет никаких ограничений на количество внесенных проводников, необходимо только поддерживать одинаковую температуру в местах их подключения. Из этого закона также следует, что термоэлектрические соединения могут выполняться любым способом, даже с использованием промежуточных материалов (например, припоев): сваркой, пайкой, скруткой, сплавлением и т.д.. При этом метод соединения не будет влиять на точность термопар. Из закона 2 вытекает правило введения дополнительных материалов (рис. 16.15Б): Если известны термо э.д.с (V1, и V2) двух проводников (В и С) при их подсоединении к эталонному проводнику А, результирующее напряжение при непосредственном контакте проводников В и С будет равно алгебраической сумме термо э.д.с V1, и V2.
Закон 3. Если два соединения разных материалов, находящихся при температурах Т1 и Т2, вырабатывают термо э.д.с V2, а при температурах Т2 и Т3 результирующая термо э.д.с. равна V1, то при температурах Т1, и Т2 выходное напряжение V3 определяется суммой двух термо э.д.с V1 и V2 (рис. 16.15В).
Этот закон иногда называется законом промежуточных температур. Он позволяет калибровать термопары в одном температурном диапазоне, а использовать в другом. Из этого закона также следует, что в термоэлектрическую цепь могут быть внесены дополнительные провода без изменения ее точностных характеристик.
На основе этих трех законов может быть построено множество практических схем, применяемых для измерения, например, средней температуры объекта, разности температур между двумя объектами, а также для включения в измерительную цепь детекторов температуры других типов для определения температуры эталонных спаев.
Следует отметить, что термоэлектрические напряжения всегда очень малы, поэтому такие детекторы, особенно при использовании длинных соединительных проводов, подвержены влиянию различных помех. В разделе даны рекомендации по повышению помехоустойчивости термопарных цепей. Для усиления выходного сигнала иногда используют последовательное соединение нескольких термопар, но при этом необходимо обеспечивать, чтобы все эталонные и все чувствительные соединения находились при соответствующих температурах. Такие структуры получили название: термоэлементы. Исторически повелось, что эталонные соединения называются холодными спаями, а чувствительные горячими.
На рис. 16.16А показана эквивалентная схема термопары и термоэлемента, состоящая из источников напряжений eh и ес, соответствующих разности потенциалов Зеебека горячего и холодных спаев, и последовательного резистора. Результирующее напряжение схемы Vр является функцией измеряемой разности температур. Предполагается, что выводы схемы изготавливаются из того же самого материала, например, железа.

Рис. 16.16. Применение термопар: А эквивалентная схема термопары, Б термопарный термометр, в котором для измерения температуры эталонного соединения используется полупроводниковый детектор LM35DZ
Схемы подключения термопар
В прошлом холодные спаи термопар опускались в сосуды с тающим льдом для поддержания их температуры, равной 0°С (отсюда появилось название «холодные» спаи). Но это очень неудобно, а для многих практических схем и вовсе невозможно. Простое решение этой проблемы вытекает из второго и третьего законов термоэлетричества. Холодный спай может находится при любой температуре, даже при температуре окружающей среды, единственное условие: значение этой температуры должно быть известно. Поэтому часто для измерения температуры холодного спая используется дополнительный детектор (например, терморезистивный или полупроводниковый) без компенсационных цепей. Рис. 16.17. Суммирование сигналов термитстора








Рис.16.17. Суммирование сигналов термистора и термопары

На рис. 16.16Б показана схема подключения термопары к электронному интерфейсу. Как видно из схемы, холодный спай термопары и дополнительный детектор находятся практически при одинаковой температуре, для этого они часто располагаются на одной медной подложке. Для устранения сухих контактов и обеспечения лучшей теплопроводности используется специальная смазка или эпоксидная смола. В рассматриваемом примере в качестве детектора для измерения эталонной температуры применяется полупроводниковый датчик LM35DZ (National Semiconductor, Inc). Схема имеет два выходных сигнала: напряжение Зеебека Vр и эталонное напряжение Vr. Из рисунка видно, что все соединения внутри схемы выполняются одинаковыми медными проводами. На обоих выводах схемы необходимо поддерживать одинаковую температуру Тс, необязательно равную температуре холодного спая. Это обстоятельство очень важно при проведении дистанционных измерений, когда температура интерфейсной схемы может значительно отличаться от температуры холодного спая термопары.
Для определения температуры со схемы снимаются два сигнала: напряжение на термопаре Vp и напряжение с выхода эталонного детектора Vr. Эти два сигнала поступают от датчиков разного типа, имеющих различные передаточные характеристики. Термопары для большинства практических случаев можно считать линейными преобразователями с нормализованной чувствительностью
·p (В/К), в то время как выражение чувствительности эталонного детектора определяется его типом. Например, чувствительность термистора аr при рабочей температуре Т задается уравнением (16.21) и имеет размерность Ом/К. Существует несколько способов обработки выходных сигналов. Самый точный метод заключается в раздельном измерении сигналов, последующем определении эталонной температуры Tr по характеристической зависимости эталонного датчика и нахождении разности температур
· по напряжению на термопаре Vp:
(16.41)
Откуда и находится абсолютная температура измеряемого объекта Tx. Значение чувствительности термопары может быть найдено из соответствующей таблицы Приложения.
При работе в сравнительно узком температурном диапазоне сигналы термопары и эталонного детектора температуры могут быть подключены ко входам одного ОУ (рис. 16.17). Поскольку чувствительности этих устройств
· и
·r достаточно сильно различаются, необходимо применять масштабирующее устройство. Коэффициент усиления ОУ а должен выбираться, исходя из соотношения:
(16.42)
Желательно, чтобы Ro = So (So это сопротивление термистора при калибровочной температуре То в Кельвинах; например, при То= 298.15 К (25°С) или в середине рабочего диапазона). После дифференцирования выражения для напряжения К и подстановки уравнения (16.21) получим следующее соотношение для нахождения коэффициента усиления:
(16.43)
где V0 постоянное напряжение, а
· - характеристическая температура термистора. Измеряемая температура может быть найдена по одному из уравнений, приведенных в таблице 16.3, соответствующих типу используемого термистора. Температура вычисляется по сопротивлению термистора Sc, определяемого по выходному напряжению Vc:
(16.44)
16.2.3. Термопарные сборки
Термопарная сборка обычно состоит из следующих компонентов: чувствительного элемента (спая), защитной трубки (керамической или металлической оболочки), теплосборника (необходимого элемента прецизионных датчиков, изготавливаемого в виде просверленного стержня, хорошо отполированного с целью снижения коррозии) и выводов (контактов, имеющих разную форму соединения: скрученного типа, разомкнутого типа, в виде разъемов и т.д.). На рис. 16.18 показаны несколько примеров термопарных сборок. Проводники остаются либо оголенными, либо покрываются изоляционным материалом. Для работы в условиях высоких температур используются керамические изоляторы, обладающие достаточной гибкостью. Проводники термопар без электрической изоляции могут быть источниками измерительных погрешностей. Назначение изоляторов также заключается в защите от воздействия влаги, абразивных веществ, сильных перепадов температур, химических реагентов, механических напряжений и ядерного излучения. Для проведения прецизионных измерений необходимо учитывать свойства и ограничения используемых изоляционных материалов. Некоторые изоляторы обладают естественной влагонепроницаемостью. Тефлон, поливинил хлорид и некоторые типы полиимидов являются представителями этой группы.



















-Рис. 16.18. Некоторые типы термопарных сборок.

При использовании изоляционных материалов волоконного типа для защиты от влаги применяют пропитки специальными составами на основе резины и силикона. Однако следует заметить, что даже при однократном воздействии очень высоких температур на такие материалы происходит испарение этой пропитки, и материал теряет свои защитные свойства.
К сожалению, изоляционные материалы не всегда могут предотвратить попадание влаги внутрь сборки. Например, если термопара проходит через зоны высокой и низкой температуры, может произойти конденсация водяных паров, что может привести к возникновению погрешностей измерения. В этих случаях требуется герметизация термопарной сборки.
Самыми распространенными изоляторами для термопар, работающих при высоких температурах, являются стекловолокно, волокнистое кварцевое стекло и асбест (который надо использовать с соответствующими мерами предосторожности, чтобы не нанести вред человеческому здоровью). В дополнение к этому термопары должны быть защищены от влияния агрессивных атмосфер. Защитные трубки выполняют две функции: предохраняют термопары от механического разрушения и экранируют проводники от окружающей среды. Защитные трубки выполняются из углеродистой стали (для работы в окислительной среде в температурном диапазоне до 540°С), нержавеющей стали (для температур до 870°С), нержавеющей стали на основе трехвалентного железа (AISI400) и никелевых сплавов типа Nichrome (Driver-Harris Company), Inconel (International Nickel Company) и т.д. (для работы в окислительных средах при температурах до 1150 °С).
Практически все термопары на основе металлических проводников либо подвергаются высокотемпературной обработке, либо проходят специальную температурную подготовку, целью которой является стабилизация характеристик термопар. Обычно такой подготовки бывает достаточно, но иногда перед проведением прецизионных измерений рекомендуется провести отжиг термопары. Хотя термопары новых типов на основе Pt и Pt/Rh отжигаются при изготовлении, во многих лабораториях перед проведением калибровки проводят дополнительный отжиг всех термопар R,S и В типов, который обычно заключается в электрическом нагреве термопары в воздухе. При этом термопары обычно закрепляются между двумя зажимными устройствами, расположенными довольно близко друг к другу, таким образом, чтобы при нагреве их натяжение было минимальным. Температура нагрева проводников определяется при помощи оптического пирометра. Большинство механических напряжений в проводниках значительно снижается в течение первых нескольких минут прогрева при температуре 1400... 1500°С.
Тонкопленочные термопары формируются на основе соединения двух пленок разных металлов. Такие термопары бывают двух типов: в пленок на съемном носителе и в виде матрицы с датчиком, встроенным в тонкий многослойный материал. Толщина металлической фольги, применяемой для изготовления термопар, составляет порядка 5 мкм, поэтому она обладает очень маленькой массой и теплоемкостью. Тонкая плоская термопара формирует плотный тепловой контакт с поверхностью измеряемого объекта. Термопары из фольги обладают хорошим быстродействием (типовое значение постоянной времени равно 10 мс) и могут использоваться с любым стандартным электронным интерфейсом. При измерении температуры датчиком, обладающим небольшой массой, всегда надо учитывать тепловые потери через соединительные провода. Поскольку пленочные термопары имеют большую величину отношения длины к толщине (порядка 1000), тепловые потери на проводах обычно очень малы.
Для присоединения пленочных термопар к объекту разработано несколько способов. Это и применение различных цементирующих материалов, и плазменное нанесение керамических покрытий. Для упрощения эксплуатации плоские термопары часто формируют на промежуточном носителе из полиимидной пленки, обладающем прочностью, гибкостью и постоянными геометрическими размерами, а также устойчивостью к нагреванию и инертностью. В процессе крепления термопары к объекту этот промежуточный слой просто удаляется при помощи небольшого нагрева. Освобожденная плоская термопара наносится на тонкую пленку; формируя при этом изолированное соединение. При выборе цементов для крепления термопар необходимо внимательно изучать их состав, чтобы там не было никаких коррозионных компонентов. Например, не рекомендуется использовать цементы на основе ортофосфорной кислоты в термопарах, в которых одним из проводников является медь.
16.3. Полупроводниковые датчики температуры на основе р-n перехода








Рис. 16.19. Датчики температуры на основе прямосмещенного р-n перехода: А - диод,
Б - транзистор, включенный по схеме диода
Характеристики полупроводникового р-n перехода в диодах и биполярных транзисторах довольно сильно зависят от температуры. Если прямосмещенный переход соединить с генератором постоянного тока (рис. 16.19А), выходное напряжение, снимаемое с него, будет прямо пропорционально изменению его температуры (рис. 16.20). Достоинством такого датчика является его линейность, что дает возможность проводить его калировку только по двум точкам определения наклона прямой и ее пересечения с координатной осью (наклон прямой характеризует чувствительность детектора).













Рис. 16.20. Зависимость напряжения от температуры для прямосмещенного полупроводникового
перехода, снятая в условиях постоянного тока
Зависимость тока от напряжения для р-n перехода в диоде можно выразить в следующем виде:
(16.45)
где I0 ток насыщения, величина которого сильно зависит от температуры. Можно показать, что зависимость напряжения на переходе от температуры имеет следующий вид:
(16.46)
где Еg ширина зоны запрещенных энергий для кремния при температуре абсолютного нуля (0 К),
q величина заряда электрона, К константа, независящая от температуры. Из уравнения (16.46) видно, что при работе р-n перехода в условиях постоянного тока, напряжение на нем пропорционально его температуре, а наклон этой зависимости определяется следующим выражением:
(16.47)
Например, для кремниевого перехода, работающего при токе 10 мкА, температурная чувствительность равна 2.3 мВ/°С, а при токе 1 мА, она падает до 2.0 мВ/°С. Любой диод или биполярный транзистор могут быть использованы в качестве датчиков температуры. На рис. 16.19Б показана схема детектора температуры на базе транзистора, в которой вместо источника тока используется источник напряжения и резистор R. Ток, протекающий через транзистор, можно найти из выражения:
(16.48)













Рис. 16.21. Зависимость погрешности измерений от температуры, построенная для датчика
температуры, реализованного на основе кремниевого транзи стора PN100
Рекомендуется работать при токе 100 мкА. Тогда при Е = 5 В и V
·0.6 В, сопротивление
R = (E-V)/I=44 кОм. При увеличении температуры напряжение V падает, что приводит к незначительному увеличению тока I. В соответствии с уравнением (16.47) это вызывает некоторое снижение чувствительности, которая выражается в появлении нелинейности. Этой нелинейностью в ряде случаев можно пренебречь, однако иногда при обработке сигналов ее приходится учитывать. Благодаря простоте и очень низкой стоимости, транзисторные (диодные) датчики температуры получили довольно широкое распространение. На рис. 16.21 показана зависимость погрешности измерений датчика температуры, реализованного на основе транзистора PN100, от температуры при рабочем токе 100 мкА. Как видно из рисунка, погрешность измерений довольно мала, и во многих случаях можно даже обойтись без коррекции нелинейности.
Детекторы температуры на основе диодов часто встраиваются в кремниевую подложку монолитных датчиков для осуществления температурной компенсации. Например, такие детекторы методом диффузии формируются на мембранах кремниевых микродатчиков давления для компенсации температурной зависимости пьезорезистивных элементов.
Напряжение на транзисторах всегда пропорционально абсолютной температуре в Кельвинах. На основе этого свойства можно реализовать недорогой, но достаточно точный датчик температуры. В этом датчике можно либо непосредственно измерять напряжение, либо предварительно преобразовать напряжение в ток, по величине которого определять температуру. Такой полупроводниковый датчик температуры построен на основе зависимости между напряжением база-эмиттер (VBE) и коллекторным током биполярного транзистора. На рис. 16.22А показана упрощенная схема детектора температуры. В этом датчике транзисторы Q3 и Q4 формируют, так называемое, токовое зеркало, вырабатывающее два одинаковых тока IС1=Iи IC2=I, которые поступают на транзисторы Q1 и Q2. Величина коллекторных токов определяется сопротивлением R. В монолитной схеме транзистор Q2, как правило, состоит из нескольких идентичных транзисторов (например, 8), включенных параллельно. Поэтому плотность тока в Q1, будет в восемь раз больше, чем на каждом из транзисторов, входящих в состав Q2 Разность напряжений база-эмиттер двух транзисторов Q1 и Q2 равна:
(16.49)

где гмножитель тока (8 в нашем примере), к постоянная Больцмана, q заряд электрона, Т температура в Кельвинах. Ток 1сео одинаков для обоих транзисторов. Ток, протекающий через резистор R, создает на нем напряжение VT= 179 мкВ/К, величина которого не зависит от токов на коллекторах. Исходя из этого, можно найти выражение для суммарного тока, протекающего через датчик:
(16.50)
При r=8 и R=358 Ом, данный датчик обладает линейной передаточной функцией:
IT/T=1мкА/К.








Рис. 16.22. Упрощенная схема полупроводникового датчика температуры (А) и
зависимости тока от напряжения (Б)






Рис. 16.23. Типовая передаточная функция полупроводникового датчика температуры LM35DZ (Напечатано с разрешения National Semiconductors, Inc).
На рис. 16.22Б показаны зависимости тока от напряжения, построенные для разных температур. Отметим, что значение выражения в круглых скобках в уравнении (16.50) в данном конкретном случае является постоянной величиной и может быть точно подстроено в процессе изготовления для получения требуемого наклона IT/T. Ток IT легко преобразуется в напряжение. Например, если последовательно с датчиком включить резистор номиналом 10 кОм, напряжение на нем будет прямо пропор- ционально абсолютной температуре.
Работа упрощенной схемы, показанной на рис. 16.22 , соответствует уравнениям (16.49) и (16.50) только в случае использования идеальных транзисторов, у которыхПоскольку таких транзисторов не бывает, в схемы, применяемые на практике, приходится вводить много дополнительных компонентов. Многие фирмы выпускают датчики температуры, реализованные на этом принципе. Среди них LM35 (National Semiconductors) с выходом по напряжению и AD590 (Analog Devices) с токовым выходом.
На рис. 16.23 показана передаточная функция датчика LM35Z, чувствительность которого настроена на уровень 10 мВ/°С. Погрешность нелинейности такого датчика невелика, обычно она не выходит за пределыПередаточную функцию такого датчика можно описать следующим выражением:
(16.51)
где Т температура в градусах Цельсия. В идеале Vo равно нулю, однако, на практике его значение колеблется в пределах +10 мВ, что соответствует погрешности ГС. Величина наклона а, как правило, находится в пределах 9.9...10.1 мВ/°С.
Оптические датчики температуры
Температуру можно измерять контактными и бесконтактными методами. Бесконтактные датчики температуры применяются в случаях, когда необходимо проводить измерения быстродействующих процессов. Без таких детекторов нельзя обойтись при работе в агрессивных средах, в условиях сильных электрических, магнитных и электромагнитных полей и при воздействии высокого напряжения, т.е там где либо велика вероятность возникновения серьезных помех при непосредственном контакте с исследуемым объектом, либо невозможно обеспечить безопасность оператора. Такие датчики также необходимы там, где до объекта измерений просто невозможно добраться. Помимо ИК детекторов существуют датчики, хотя и контактные по своей природе, но использующие фотоны в качестве носителей информации о температуре.
Флуоресцентные датчики
Эти датчики реализуются на основе свойства некоторых фосфорных компонентов излучать свет в ответ на возбуждение лучами видимого диапазона спектра. Такие компоненты наносятся на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить. После чего объект подвергается воздействию УФ импульсного излучения. Возникшее в результате этого облучения послесвечение детектируется и анализируется. Форма импульса послесвечения зависит от температуры. Время спада импульса послесвечения в широком температурном диапазоне является параметром, обладающим очень высокой воспроизводимостью. В качестве чувствительного материала в флуоресцентных датчиках применяется фтормагнетит магния, активированный четырехвалентным марганцем. Фосфор длительное время применялся только как корректор цвета ртутных ламп, используемых для освещения улиц. Порошок фосфора получается в ходе реакции в твердой фазе при температуре 1200 °С. Он является относительно инертным и термоустойчивым веществом, безопасным с биологической точки зрения. Он не разрушается от воздействия большинства химических реагентов и длительного УФ излучения. Он переходит в возбужденное состояние при облучении его светом УФ или синей области спектра. Флуоресцентное свечение фосфора находится в дальнем красном спектральном диапазоне, а его интенсивность спадает по экспоненциальному закону.
Для снижения возможности возникновения перекрестных помех между сигналами возбуждающего и флуоресцентного излучений, на их пути устанавливаются полосовые фильтры, пропускающие волны только заданных зон спектра (рис. 16.24А). В качестве источника возбуждения применяется ксеноновая импульсная лампа, которая может одновременно использоваться несколькими оптическими каналами в составе комплексных систем измерения. Процесс измерения температуры заключается в определении скорости ослабления флуоресцентного свечения (рис. 16.24Б). Это значит, что значение температуры находится по постоянной времени
·, величина которой в температурном диапазоне 200...+400°С уменьшается в пять раз. Измерение времени выполняется при помощи электронной схемы, как правило, с очень высокой точностью. Поэтому датчики флуоресцентного типа позволяют измерять температуру с хорошей разрешающей способностью и точностью порядка ± 2°С в широком температурном диапазоне без проведения калибровки.

Рис. 16.24. Флуоресцентный метод измерения температуры: А спектральные характеристики возбуждающего и флуоресцентного излучений, Б спад послесвечения по экспоненциальному закону для двух температур Т1, и Т2, е основание натурального логарифма, t - постоянная времени характеристики спада .
Поскольку постоянная времени не зависит от интенсивности возбуждающего излучения, возможна реализация датчиков самых разнообразных конструкций. Например, фосфорный состав может наносится непосредственно на поверхность объекта, при этом оптическая система проводит измерения бесконтактным способом (рис. 16.25А). Это дает возможность проведения непрерывного мониторинга температуры объекта без внесения возмущений в зону измерений. В другой конструкции фосфор наносится на конец упругого зонда, способного вступать в плотный контакт с объектом (рис. 16.25Б и 16.25В).



Рис. 16.25 Расположение фосфорных компонентов: А – на поверхности объекта.
Б и В – на конце зонда



Интерферометрические датчики
Другой метод оптического измерения температуры заключается в модуляции интенсивности света, возникающей вследствие интерференции двух лучей света. Один луч является эталонным, а другой пропускается через среду, параметры которой зависят от температуры, что вызывает появление фазового сдвига между сигналами. Величина этого фазового сдвига, а, значит, и параметры интерференционного сигнала, определяются температурой. В качестве чувствительного элемента интерферометрического датчика температуры часто используют тонкий слой кремния, поскольку его коэффициент преломления зависит от температуры, что приводит к изменению длины пути луча.
На рис. 16.26 показана схема тонкопленочного оптического датчика, состоящего из трех слоев пленок, нанесенных на концы многомодового оптоволоконного волновода со ступенчатым изменением показателя преломления с диаметром сердцевины 100 мкм, и диаметром покрытия 140 мкм. Первый слой формируется из кремния, второй их диоксида кремния. Пленка из FeCrAl наносится в самом конце для защиты нижележащих слоев от окисления. Такие оптоволокна могут использоваться при температурах до 350°С. Однако при использовании волноводов с золотым покрытием рабочий диапазон увеличивается до 650°С. В качестве источников излучения здесь применяются светоизлучающие диоды с длиной волны излучения порядка 860 нм, а анализ результирующего сигнала проводится при помощи спектрометра.














Рис. 16.26. Схема тонкопленочного оптичес-
кого датчика температуры

Датчики на основе растворов, изменяющих цвет от температуры
Такие датчики применяются в биомедицинских системах. В качестве хроматического раствора часто применяют СоС126Н2О (раствор хлорида кобальта). Принцип действия таких датчиков основан на характерной для определенных хроматических растворов температурной зависимости коэффициентов поглощения излучений видимого диапазона спектра (400...800 нм)(рис. 16.27А). Очевидно, что в состав таких датчиков должны входить: источник излучения, детектор и раствор хлорида кобальта, имеющий тепловую связь с объектом измерения. На рис. 16.27Б и 16.27В показаны два варианта хроматических датчиков температуры.

Рис. 16.27. Датчики на основе растворов, цвет которых зависит от температуры: А абсорбционный спектр раствора хлорида кобальта, Б датчик с отражающей поверхностью, В датчик проходного типа
16.5. Акустические датчики температуры
При работе в экстремальных условиях (в диапазоне криогенных температур, при высоких уровнях радиации в ядерных реакторах и т.д.), а также при проведении измерений в замкнутом герметичном объеме, где невозможно разместить контактные датчики или использовать ИК детекторы, бывает очень сложно определять температуру. В таких случаях обычно применяют акустические датчики температуры, принцип действия которых основан на зависимости скорости звука от температуры среды, через которую он распространяется. Например, для сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении эта зависимость имеет вид:
(16.52)
где v скорость света, a T абсолютная температура.
Акустический датчик температуры (рис. 16.28) состоит из трех компонентов: ультразвуковых передатчика и приемника, а также герметичной трубки, заполненной газом. Передатчик и приемник представляют собой керамические пьезоэлектрические пластины, акустически несвязанные с трубкой, что обеспечивает распространение звука преимущественно через газ внутри трубки. В качестве газа чаще всего используется сухой воздух. В альтернативной конструкции датчика передающий и принимающий кристаллы встраиваются внутрь замкнутой камеры с известным содержимым, температуру которого необходимо измерить. В случае, когда объем и масса внутренней среды поддерживаются постоянными, не требуется применения промежуточной трубки. В случаях когда без нее не обойтись, ее необходимо защищать от механических деформаций и потери герметичности при воздействии очень высоких температур. Подходящим материалом для трубки является инвар.

Рис. 16.28. Акустический термометр с ультразвуковым детектором
Тактовое устройство работает на низкой частоте (порядка 100 Гц). Его импульсы запускают передатчик и блокируют приемник. Передающий кристалл изгибается и тем самым запускает ультразвуковую волну, распространяющуюся вдоль трубки. На принимающий кристалл приходит сигнал разрешения, и он преобразует дошедшую до него акустическую волну в электрический сигнал, который усиливается и передается в схему управления. Блок управления по времени распространения волны вдоль трубки вычисляет скорость звука, по которой при помощи калибровочных коэффициентов, хранящихся в специальных таблицах, находится искомая температура. Альтернативный акустический детектор температуры реализован на основе одного пьезоэлектрического кристалла, попеременно работающего то приемником, то передатчиком. В этом случае пустой конец трубки заваривается. Ультразвуковые волны отражаются от заваренного конца трубки и возвращается обратно на кристалл, который к этому моменту времени переключается в режим приемника. Электронная интерфейсная схема преобразует полученные импульсы в сигнал, соответствующий температуре внутри трубки.
На основе поверхностных акустических волн (ПАВ) и плоскостных волн строятся миниатюрные датчики температуры. Их принцип действия базируется на температурной модуляции некоторых механических параметров времязадающих элементов электронных генераторов], что приводит к изменению их частоты. Фактически, такие интегральные акустические датчики являются прямыми преобразователями температуры в частоту. Типичная чувствительность таких датчиков лежит в пределах нескольких кГц на градус.

Пьезоэлектрические датчики температуры
При пьезоэлектрическом эффекте наблюдается зависимость частоты вибраций кварцевого кристалла от температуры. Именно на основе этого явления и реализуются пьезоэлектрические датчики температуры. Поскольку кварц является анизотропным материалом, резонансная частота пластины сильно зависит от угла среза кристалла (его кристаллографической ориентации). Поэтому выбирая срезы AT- и ВТ- , можно получить кристаллы, обладающие незначительной температурной чувствительностью. И наоборот, при использовании кристаллов других срезов можно реализовать датчики с ярко выраженной зависимостью частоты от температуры. Температурную зависимость резонансной частоты от температуры часто аппроксимируют полиноминальной зависимостью третьего порядка:
(16.53)
где и температура и частотный сдвиг, f0 частота калибровки, а
· коэффициенты аппроксимации. Первый пьезоэлектрический детектор температуры был реализован в 1962 году на основе кристалла с Y-срезом. После этого кампания Hewlett-Packard разработала очень удачный линейный датчик на основе кристалла с LC-среза. При использовании кристаллов Y-срезов третьим и четвертым членами выражения (16.53) можно пренебречь. Чувствительность такого датчика составляет 35 ррm/°С, а рабочий температурный диапазон от 80°С ... +230°С при точности калибровки 0.02°С. С применением микропроцессоров линейность становится не так важна, а главным фактором является чувствительность. Так в нелинейных датчиках температуры, реализованных на основе слегка повернутых кристаллов Y-среза с Q=4°C, была получена чувствительность 90ррт/°С. Перспективными также являются резонаторы, использующие изгибные и торсионные моды колебаний.
Следует отметить, что в пьезоэлектрических датчиках температуры всегда очень сложно организовать хорошую тепловую связь кристалла с объектом измерения, поэтому они обладают худшим быстродействием по сравнению с термисторами и термоэлектрическими детекторами.
Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 4225150
    Размер файла: 681 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий