Измерители температуры

Температура является самым распространенным технологическим параметром, который необходимо измерять и регулировать.

1. Общие сведения

Датчики температуры делятся на две большие группы: контактные и бесконтактные. В последнем случае температура измеряется косвенным путем, на основе анализа теплового излучения. И бесконтактные методы применяют при измерении очень больших температур, когда контактные датчики любого типа сгорают. В настоящее время больше используются контактные методы.

Контактные датчики температуры имеют множество разновидностей: жидкостные, манометрические, термоэлектрические, термометр сопротивления, полупроводниковые термометры.

2. Термоэлектрические термометры, термопары

Термоэлектрический эффект был обнаружен давно. Заметили, что если соединить два проводника из разных металлов, то в вместе соединения возникает термо-ЭДС. И это термо-ЭДС пропорционально разности температур горячих и холодных концов.

Такой термометр получается очень простым. Но самый большое его недостаток - термо-ЭДС имеет малую величину. Например, в диапазоне от 0 до 1000 градусов, ЭДС десятки милливольт.

Термопары требуют усиления. Причем усилитель должен реагировать на постоянный ток, потому что температура изменяется медленно. И такие усилители должны быть прецизионными, иметь дрейф нуля значительно меньше милливольта.

Второй проблемой является необходимость учета температуры холодных концов - Т2. То есть по суть нужен второй термометр, не термопарный. И поэтому измеритель получается достаточно сложным. И его используют тогда, когда другие датчики не работают. А именно при очень высоких температурах - порядки 1000 градусах. Все остальные сгорают.

Прим.: можно применять термостатирование

3. Термометры сопротивления

Любой проводник имеет сопротивление, зависящее от температуры, то есть в качестве датчика температуры можно использовать любую катушку с проводом. Главное в таких термометрах сопротивление - практически линейная зависимость сопротивления от температуры.

Прим.: все полупроводниковые датчики температуры имеют большую нелинейность. И для термометров сопротивления пишут формулу:

R=R0+α*Δt

Под R0 понимают сопротивление при 0 градусов. Α - коэффициент пропорциональности ТКС. А Δt равно разности температур.

При 0 берется, потому что легко сделать термостат без внешних измерений.

Диапазон работы таких термометров зависит от металла, от температуры плавления. Медные работают например до 200. Более дорогие - платиновые - до 500.

Выпускаемые термометры сопротивления имеют стандартное R0 обычно это 50 и 100 Ом. Редко можно применить «самопальную» катушку, чтобы увеличить ΔR.

4. Преобразование сопротивления в напряжение, пропорциональное температуре.

Обычно для этого используется операция, при помощи которой как бы вычитается значение R0. Пусть имеем делитель:

Но есть постоянная составляющая, которую надо убрать и поэтому от простого делителя переходят к мостовой схеме:

Здесь выделяется напряжение в диагонали моста, пропорциональное только изменению напряжения. Выходной сигнал зависит вдобавок и от опорного напряжения, то есть опорное напряжение должно быть стабильным.

Прим.: резисторный делитель имеет нелинейную характеристику зависимости выходного напряжения от сопротивления. Для строгой линейной зависимости сопротивление R1 надо заменить источником тока. Эти источники тока вносят дополнительные погрешности, поэтому токостабилизаторы не применяют, а просто увеличивают сопротивление R1. И обычно параметры R1 и другие выбирают исходя из нелинейности, из заданной погрешности.

Прим.: при оцифровке выходного сигнала моста нужно использовать АЦП с дифференциальным входом и предварительно усилить U_вых дифференциальным усилителем. Самое главное при оцифровке - помнить, что результат у АЦП тоже зависит от U_оп. Поэтому чтобы убрать зависимость температуры от U_оп желательно и в АЦП и в мостовой схеме использовать один источник. Тогда погрешности моста и АЦП взаимно компенсируются, и результат не будет зависеть от напряжения. И можно использовать просто напряжения питания.

5. Кварцевые преобразователи температуры

Кварцевые резонаторы, как известно, используются в высокостабильных генераторах. Стабильность частоты кварца определяется стабильностью геометрических размеров кварцевой пластинки или пьезокерамической пластинкой. При искусственном изготовлении резонатора можно так подобрать свойства материала для спекания пластины, чтобы наоборот геометрические размеры зависели от температуры, и в этом случае частота кварца будет пропорциональна температуре. Измеряя частоту можно получить результат.

Недостатки: температурная зависимость частоты достаточно нелинейная, но стабильная. Поэтому при изготовлении кварцевых датчиков температуры изготовитель калибрует датчик, а в паспорте записывает полином третьей степени, который гарантируется для данного датчика.

Таким образом, получается, что такие датчики не взаимозаменяемы. То есть при смене датчика приходится менять программное обеспечение.

Кроме температуры частота кварца зависит и от влажности среды. Эту особенность используют в комбинированных датчиках, которые измеряют и температуру и влажность. Если зависимость и влажности не нужна, то датчик просто герметизируют

6. Термисторы - полупроводниковые резисторы

Сопротивление полупроводник очень сильно зависит от температуры. С увеличением температуры разрываются валентные связи, и увеличивается количество свободных носителей. Характеристика имеет спадающий вид. То есть при увеличении температуры сопротивление уменьшается.

Вторая особенность - большая нелинейность, для точных измерений термистор не пригоден.

Для пороговых измерений при предварительной калибровке нелинейность не имеет большого значения.

Кроме резисторов с отрицательным температурным коэффициентом, могут быть разработаны еще более нелинейные резисторы с положительным коэффициентом, в которых сопротивление может скачкообразно увеличиваться на несколько порядков при определенной температуре.

Такие резисторы хорошо использовать для тепловой защиты. При увеличении температуры сопротивление увеличивается на несколько порядком и как бы отключает нагрузку

7. Интегральные датчики с потенциальным и цифровым выходами

Кроме терморезистора в качестве датчика используется pn-переход. ТКН линеен и равен примерно -2-3 мВ/градус. Эта особенность используется в специализированных интегральных датчиках. Они представляют собой диод датчик. Этот диод запитан от стабильного источника тока и напряжение на диоде имеет составляющую, зависящую от температуры.

Плюс еще схема, которая удаляет неинформативное прямое напряжение на диоде. Подобные интегральные датчики имеют потенциальный выход с выходным сигналом, который можем примерно рассчитать. Такие датчики имеют милливольтовый уровень и требуют усиления. Основная проблема таких датчиков заключается в индивидуальных характеристиках каждого датчика. Некоторые производители на этапе калибровки несколько подстраивают выходной сигнал, гарантируя какую-то погрешность.

Более современным в настоящее время являются интегральные датчики с цифровым выходом. Они имеют полупроводниковый датчик, усилитель и АЦП, плюс интерфейс обычно синхронного типа (SPI трехпроводной, редко I2C, чаще всего microLAN). Общие недостатки - малая точность (0.2-0.5 градусов и узкий температурный диапазон - до 150)