Датчики температури

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти ти науки України

Кіровоградський національний технічний університет

кафедра Екології і ОНС та ЗПК

РЕФЕРАТ ЗА ТЕМОЮ:

Датчики температури

Виконав

студент групи ЕО-11:

Бора Андрій

Викладач:

Татаров А.В.

ЗМІСТ

1. Манометричні термометри

2. Терморезистори

3. Термопари

4. Термометри опору

1. МАНОМЕТРИЧНІ ТЕРМОМЕТРИ

Манометричні термометри -- прилади для вимірювання температури, що включають в себе чутливий елемент (термобалон) і показуючий пристрій, які з'єднані капілярною трубкою і заповнені робочою речовиною. Принцип дії полягає на зміні тиску робочої речовини в замкненій системі термометра в залежності від температури.

У залежності від агрегатного стану робочої речовини розрізнюють манометричні термометри:

- рідинні (ртуть, ксилол, спирти);

- газові (азот, гелій);

- парові або конденсаційні (насичена пара низькокиплячої рідини: фреон, пропілен, ацетон).

Тиск робочої речовини фіксується вимірювальним перетворювачем (манометричним елементом) -- трубчастою пружиною, що розкручується при підвищенні тиску в замкненій системі.

У залежності від виду робочої речовини термометра межі вимірювання температури складають від -50 до +1300°C. Прилади можуть оснащуватися сигнальними контактами, записуючим пристроєм.

Манометричні термометри відрізняються простотою конструкції, можливістю дистанційної передачі показів і автоматичного запису. Однією з важливих переваг є можливість їх використання в пожежо- та вибухонебезпечних приміщеннях. До недоліків необхідно віднести складність ремонту при розгерметизації системи, обмежену відстань дистанційної передачі і у багатьох випадках великі розміри термобалона. Газові і рідинні манометричні термометри мають клас точності 1; 1,5 і 2,5, а парові - 1,5; 2,5 і 4.

2. ТЕРМОРЕЗИСТОРИ

Терморезистор, термістор -- напівпровідниковий резистор, активний електричний опір якого залежить від температури; терморезистори випускаються у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб і бусинок; розміри варіюються від декількох мкм до декількох см.

Термісторами також називають термометри, в яких температура визначається за зміною електричного опору.

Історія

Перший термістор з негативним температурним коефіцієнтом був створений у 1833 році Майклом Фарадеєм, який виявив напівпровідникову поведінку сульфіду срібла. Фарадей помітив, що опір сульфіду срібла різко зменшується при підвищенні температури (цей дослід був також першим документованим спостереженням напівпровідникового матеріалу).[1]

Оскільки перші термістори були складними у виготовленні і застосування технології було обмеженим, промислове виробництво терморезисторів почалося лише після 1930 року.[2] Перший життездатний комерційний зразок термістора був винайдений Самуелем Рубеном у 1930 році (патент США U.S. Patent 2 021 491).[3]

Загальний опис

Для термістора характерні великий температурний коефіцієнт опору (ТКО) (у десятки раз перевищує цей коефіцієнт для металів), простота використання, здатність працювати в різних кліматичних умовах при значних механічних навантаженнях, стабільність характеристик у часі.

Терморезистори виготовляють у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб, бусинок і тонких пластинок переважно методами порошкової металургії. Їхні розміри можуть варіюватися в межах від 1--10 мкм до 1--2 см.

Основними параметрами терморезистора є: номінальний опір, температурний коефіцієнт опору, інтервал робочих температур, максимально припустима потужність розсіювання.

Розрізняють терморезистори з негативним (термістори) і позитивним (позистори) ТКО. Терморезистори з негативним ТКО виготовляють із суміші полікристалічних оксидів перехідних металів (наприклад, MnO, CoO, NiO, CuO), легованих Ge і Si, напівпровідників типу AIII BV, скловидних напівпровідників і інших матеріалів.

Розрізняють терморезистори низькотемпературні (розраховані на роботу при температурах нижче 170 К), середньотемпературні (170-510 К) і високотемпературні (вище 570 К). Крім того, існують терморезистори, призначені для роботи при 4,2 К и нижче й при 900-1300 К. Найбільш широко використовуються середньотемпературні терморезистори із ТКС від -- 2,4 до --8,4%/ К і номінальним опором 1--106 Ом.

Режим роботи терморезисторів залежить від того, на якій ділянці статичної вольт-амперної характеристики (ВАХ) обрана робоча точка. У свою чергу ВАХ залежить як від конструкції, розмірів і основних параметрів терморезистора, так і від температури теплопровідності навколишнього середовища, тепловому зв'язку між терморезистором і середовищем. Терморезистори з робочою точкою на початковій (лінійній) ділянці ВАХ використовуються для виміру й контролю температури й компенсації температурних змін параметрів електричних кіл і електронних приладів. Терморезистори з робочою точкою на спадній ділянці ВАХ (з негативним опором) застосовуються в якості пускових реле, реле часу, вимірників потужності електрогмагнітного випромінювання на НВЧ, стабілізаторів температури й напруги. Режим роботи терморезистора, при якому робоча точка перебуває також на спадаючій ділянці ВАХ (при цьому використовується залежність опору терморезистора від температури й теплопровідності навколишнього середовища), характерний для терморезисторів, застосовуваних у системах теплового контролю й пожежної сигналізації, регулювання рівня рідких і сипучих середовищ; дія таких терморезисторів заснована на виникненні релейного ефекту в ланцюзі з терморезистором при зміні температури навколишнього середовища або умов теплообміну терморезистора з середовищем.

Виготовляються також терморезистори спеціальної конструкції -- з непрямим підігрівом. У таких терморезисторах є обмотка підігріву, ізольована від напівпровідникового резистивного елемента (якщо при цьому потужність, що виділяється в резистивному елементі, мала, то тепловий режим терморезистора визначається температурою підігрівника, тобто струмом у ньому). Таким чином, з'являється можливість змінювати стан терморезистора, не міняючи струм через нього. Такий терморезистор використовується як змінний резистор, керований електрично на відстані.

З терморезисторів з позитивним температурним коефіцієнтом найбільший інтерес являють терморезистори, виготовлені із твердих розчинів на основі batio3. Такі терморезистори звичайно називають позисторами. Відомі терморезистори з невеликим позитивним температурним коефіцієнтом (0,5--0,7%/ К), виконані на основі кремнію з електронною провідністю; їхній опір змінюється з температурою приблизно за лінійним законом. Такі терморезистори використовуються, наприклад, для температурної стабілізації електронного обладнання на транзисторах.

Варто відзначити, що графік зображений на малюнку «Вольт-амперна характеристика (ВАХ) для позистора» незручний, тому що неправильно розташовані осі -- потрібно поміняти їх місцями. Для одержання ВАХ термістора графік необхідно повернути вліво на 90 градусів й інвертувати по вертикалі.

Застосування

На основі термісторів розроблені системи і пристрої дистанційного та централізованого вимірювання і регулювання температури, пожежної сигналізації та теплового контролю, температурної компенсації різних елементів електричного кола, вимірювання вакууму та швидкості руху рідин і газів та ін., також термістори часто використовуються для обмеження пускових струмів імпульсних блоків живлення

3. ТЕРМОПАРИ

термометр терморезистор термопара опір

Термопара -- чутливий елемент термоелектричного перетворювача у вигляді двох ізольованих провідників з різнорідних матеріалів, з'єднаних на одному кінці, принцип дії якого ґрунтується на використанні термоелектричного ефекту для вимірюваннятемператури^[1]. Використовується у устаткуванні для вимірювання температури, а також для прямого перетворення енергії тепла велектричну енергію у тих випадках, коли доцільно уникнути рухомих деталей (наприклад, у космосі). Поглинання тепла при проходженні електричного струму через контакт використовується в холодильниках тощо.

Термопару використовують як чутливий елемент (первинний вимірювальний перетворювач) у засобах контролю температури в печах. Термопара являє собою металічний провід з особливих сплавів, дві жили якого спаяні між собою, і спай розміщений в контрольовану зону печі.^[2] Вільні кінці проводу виведені за межі нагрівальної зони та з'єднані з приладом, що показує перетворений сигнал одержаний від спаю термопари. Термопара, що перебуває в печі, захована у вогнестійкий чохол, що захищає її від агресивного середовища печі.^[2]

Принцип дії

Принцип дії термопари базується на термоелектричних явищах. Термопара складається з двох провідників, сполучених кінцями так, що вони утворюють два контакти. Контакти поміщають в середовища з різною температурою. Технічні вимоги до термопар визначаються ДСТУ 2857-94^[3] та ДСТУ IEC 60584^[4][5][6]

Термометр[ред. * ред. код]

Принцип дії термопари заснований на ефекті Зеєбека, інакше термо-ЕРС. Коли кінці провідника піддати різним температурам, між ними виникає різниця потенціалів, пропорційна різниці температур, коефіцієнт пропорційності називають коефіцієнт термо-ЕРС. У різних металів коефіцієнт термо-ЕРС різний, і відповідно різниця потенціалів, що виникає між кінцями різних провідників, буде різна. Помістивши спай з металів з відмінними коефіцієнтами термо-ЕРС в середовище з температурою , ми отримаємо напругу між протилежними контактами, що піддані іншій температурі , яка буде пропорційна різниці температур і .

Джерело живлення

Електрорушійна сила, що виникає в термопарі, між нагрітим і холодним кінцем, може використовуватися як джерело живлення. Ефективність такого джерела невисока, але в певних умовах, наприклад, в космосі, далеко від Сонця, таке джерело незамінне, зважаючи на відсутність рухомих частин. Для нагрівання гарячого кінця термопари в космічних апаратах використовують тепло від радіоактивного розпаду.

Нагрівач або холодильник

Термопари застосовують також у нагрівачах та холодильниках, використовуючи ефект Пельтьє. При проходженні електричного струму через контакти термопари один із них нагрівається, а другий охолоджується.

4. ТЕРМОМЕТРИ ОПОРУ

Термометр опору -- прилад для вимірювання температури, електричний опір чутливого елемента (первинного вимірювального перетворювача) якого залежить від температури. Як чутливий елемент використовуються терморезистори з металевого чинапівпровідникового матеріалу. В останньому випадку їх називають термісторами.

Принцип роботи

Принцип дії термометрів опору базується на властивості провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при змінітемператури.

Залежність опору провідника від його температури у найпростішому випадку виражається лінійною залежністю:

де:

R_T -- електричний опір при температурі T [Ом];

R₀ -- електричний опір при початковій температурі T₀ [Ом];

б -- температурний коефіцієнт електричного опору [K^?1];

ДT -- зміна температури, що становить T-T₀ [K].

Матеріали, які використовуються для виготовлення термометрів опору, повинні мати максимальний і постійний температурний коефіцієнт електричного опору, лінійну залежність опору від температури, мати відтворюваність властивостей і інертність до впливів навколишнього середовища.

Для виготовлення сенсорів термометрів опору використовують мідь, нікель, платину, вольфрам, що мають позитивний температурний коефіцієнт.

Термометри опору відносяться до одних із найточніших перетворювачів температури. Похибка вимірювання температури за допомогою термометра опору може складати 0,001°С.

Для виготовлення напівпровідникових термоопорів (термісторів) застосовують окисли металів (Mn₂O₃, Cu₂O₃, Fe₂O₃ і ін.), що пресуються і спікаються при високій температурі. Вони мають малі розміри і великі значення температурного коефіцієнту опору.

Схеми підключення тензорезисторів у термометрах опору

Двопровідна схема

Трипровідна схема

Чотирипровідна схема

Випадок нелінійної залежності опору від температури

Звідки, опір при T, опір при 0 °C, константи (для платинового опору) -- :

Оскільки коефіцієнти B та C відносно незначні, опір зростає майже за лінійним законом.

Размещено на Allbest.ru