Czujniki temperatury. Część druga Termistory

W pierwszej części artykułu krótko omówiono historia różnych skal temperatur oraz ich wynalazcy Fahrenheit, Reaumur, Celsjusz i Kelvin. Teraz warto zapoznać się z czujnikami temperatury, zasadami ich działania, urządzeniami do odbierania danych z tych czujników.

Udział pomiaru temperatury w pomiarach technologicznych

We współczesnej produkcji przemysłowej mierzy się wiele różnych wielkości fizycznych. Spośród nich masowe i objętościowe natężenie przepływu wynosi 15%, poziom cieczy wynosi 5%, czas nie przekracza 4%, ciśnienie wynosi około 10% i tak dalej. Ale pomiar temperatury stanowi prawie 50% całkowitej liczby pomiarów technicznych.

Tak wysoki odsetek jest osiągany przez liczbę punktów pomiarowych. Tak więc w średniej elektrowni jądrowej temperaturę można zmierzyć około 1500 punktów, a w dużej elektrowni liczba ta osiąga dwadzieścia lub więcej tysięcy.

Taka ilość wskazuje nie tylko na szeroką gamę przyrządów pomiarowych, aw konsekwencji na wiele pierwotnych przetworników i czujników temperatury, ale także na stale rosnące wymagania dotyczące dokładności, prędkości, odporności na zakłócenia i niezawodności przyrządów do pomiaru temperatury.

Główne typy czujników temperatury, zasada działania

Prawie wszystkie czujniki temperatury stosowane w nowoczesnej produkcji wykorzystują zasadę zamiany zmierzonej temperatury na sygnały elektryczne. Taka konwersja opiera się na fakcie, że możliwe jest przesyłanie sygnału elektrycznego z dużą prędkością na duże odległości, podczas gdy dowolne wielkości fizyczne można przekształcić w sygnały elektryczne. Konwertowane na kod cyfrowy, sygnały te mogą być przesyłane z dużą dokładnością, a także wprowadzane do przetwarzania w komputerze.

Termopary oporowe

Są również nazywane termistory. Ich zasada działania opiera się na fakcie, że wszystkie przewodniki i półprzewodniki mają Współczynnik odporności na temperaturę w skrócie Tks. Jest to mniej więcej taki sam, jak znany wszystkim współczynnik rozszerzalności cieplnej: po ogrzaniu ciała rozszerzają się.

Należy zauważyć, że wszystkie metale mają dodatni TCS. Innymi słowy, rezystancja elektryczna przewodnika rośnie wraz ze wzrostem temperatury. W tym miejscu możemy przypomnieć, że żarówki najczęściej wypalają się w momencie włączenia, podczas gdy cewka jest zimna, a jej rezystancja niewielka. Stąd wzrost prądu po włączeniu. Półprzewodniki mają ujemny TCS, wraz ze wzrostem temperatury ich rezystancja maleje, ale zostanie to omówione nieco wyżej.

Termistory metalowe

Wydaje się, że można zastosować dowolny przewodnik jako materiał na termistory, jednak szereg wymagań dotyczących termistorów mówi, że tak nie jest.

Przede wszystkim materiał do produkcji czujników temperatury powinien mieć wystarczająco duży TCS, a zależność rezystancji od temperatury powinna być dość liniowa w szerokim zakresie temperatur. Ponadto metalowy przewodnik musi być obojętny na wpływy środowiska i zapewniać dobrą powtarzalność właściwości, co pozwoli na wymianę czujników bez konieczności różnych dostosowań urządzenia pomiarowego jako całości.

W przypadku wszystkich tych właściwości platyna jest prawie idealna (oprócz wysokiej ceny), podobnie jak miedź. Takie termistory w opisach nazywane są miedzią (TCM-Cu) i platyną (TSP-Pt).

Termistory TSP mogą być stosowane w zakresie temperatur -260 - 1100 ° C.Jeżeli zmierzona temperatura mieści się w zakresie 0 - 650 ° C, wówczas czujniki TSP mogą być użyte jako odniesienie i odniesienie, ponieważ niestabilność charakterystyki kalibracji w tym zakresie nie przekracza 0,001 ° C. Wadą termistorów TSP są wysokie koszty i nieliniowość funkcji konwersji w szerokim zakresie temperatur. Dlatego dokładny pomiar temperatury jest możliwy tylko w zakresie wskazanym w danych technicznych.

Tańsze miedziane termistory marki TSM, których zależność rezystancji od temperatury jest dość liniowa, zyskały coraz większą popularność. Jako brak oporników miedzianych można rozważyć niską oporność i niewystarczającą odporność na wysokie temperatury (łatwe utlenianie). Dlatego miedziane termistory mają granicę pomiaru nie większą niż 180 ° C.

Dwuprzewodowa linia służy do podłączania czujników, takich jak TCM i TSP, jeśli odległość czujnika od urządzenia nie przekracza 200m. Jeżeli odległość ta jest większa, wówczas stosowana jest trzyprzewodowa linia komunikacyjna, w której trzeci drut służy do kompensacji rezystancji przewodów ołowianych. Takie metody połączeń są szczegółowo przedstawione w opisach technicznych urządzeń wyposażonych w czujniki TCM lub TSP.

Wady rozważanych czujników to ich niska prędkość: bezwładność cieplna (stała czasowa) takich czujników wynosi od kilkudziesięciu sekund do kilku minut. Wytwarzane są również prawdziwe termistory o niskiej bezwładności, których stała czasowa nie przekracza dziesiątych części sekundy, co osiąga się dzięki ich małym wymiarom. Takie termistory są wykonane z uformowanego mikrowiązki w szklanej obudowie. Są bardzo stabilne, szczelne i mają niską bezwładność. Ponadto, przy małych wymiarach, mają rezystancję do kilkudziesięciu kilo omów.

Termistory półprzewodnikowe

Są również często nazywane termistory. W porównaniu z miedzią i platyną mają wyższą czułość i ujemny TCS. Sugeruje to, że wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się ich odporność. Termistory TCS są o rząd wielkości wyższe niż ich odpowiedniki z miedzi i platyny. Przy bardzo małych wymiarach rezystancja termistorów może osiągnąć do 1 MΩ, co eliminuje wpływ na wynik pomiaru rezystancji przewodów łączących.

Do pomiaru temperatury najczęściej stosowane są termistory półprzewodnikowe KMT (na bazie tlenków manganu i kobaltu), a także MMT (tlenki manganu i miedzi). Funkcja konwersji termistorów jest dość liniowa w zakresie temperatur od -100 do 200 ° C, niezawodność termistorów półprzewodnikowych jest bardzo wysoka, właściwości są stabilne przez długi czas.

Jedyną wadą jest to, że w produkcji masowej nie jest możliwe odtworzenie niezbędnych cech z wystarczającą dokładnością. Jedna instancja różni się znacznie od drugiej, w bardzo podobny sposób jak tranzystory: wydaje się, że pochodzi z tego samego pakietu, ale zysk jest inny dla wszystkich, nie znajdziesz dwóch takich samych. Taki rozrzut parametrów prowadzi do tego, że przy wymianie termistora konieczna jest ponowna regulacja urządzenia.

Najczęściej do mostków konwerterów termicznych wykorzystywany jest obwód mostkowy, w którym mostek jest równoważony za pomocą potencjometru. Gdy rezystancja termistora zmienia się z powodu temperatury, mostek można zrównoważyć tylko przez obrócenie potencjometru.

Podobny schemat z ręczną regulacją jest wykorzystywany jako demonstracja w laboratoriach edukacyjnych. Silnik potencjometru ma skalę skalibrowaną bezpośrednio w jednostkach temperatury. Oczywiście w rzeczywistych obwodach pomiarowych wszystko odbywa się automatycznie.

W następnej części artykułu omówione zostanie zastosowanie termopar i termometrów rozszerzalności mechanicznych - Czujniki temperatury. Termopary

Boris Aladyshkin, e.imadeself.com

Automatyka domowa

Praktyczna elektrotechnika i elektronika