Температурни сензори. Част втора термистори

Първата част на статията бе разказана накратко история на различни температурни скали и техните изобретатели Фаренхейт, Реймур, Целзий и Келвин. Сега си струва да се запознаете с температурни сензори, принципите на тяхната работа, устройства за приемане на данни от тези сензори.

Пропорцията на измерването на температурата в технологичните измервания

В съвременното промишлено производство се измерват много различни физични количества. От тях масовият и обемният дебит е 15%, нивото на течностите е 5%, времето е не повече от 4%, налягането е около 10% и т.н. Но измерването на температурата е почти 50% от общия брой технически измервания.

Такъв висок процент се постига от броя на точките за измерване. И така, при среден размер на атомна електроцентрала температурата може да бъде измерена на около 1500 точки, а в голям химически завод това число достига двадесет или повече хиляди.

Такова количество показва не само голямо разнообразие от измервателни уреди и, като следствие, множество първични датчици и температурни датчици, но също така и непрекъснато нарастващи изисквания към точността, скоростта, шумозащитата и надеждността на измервателните уреди за измерване на температурата.

Основните видове сензори за температура, принципът на работа

Почти всички сензори за температура, използвани в съвременното производство, използват принципа за преобразуване на измерената температура в електрически сигнали. Такова преобразуване се основава на факта, че е възможно да се предава електрически сигнал с висока скорост на дълги разстояния, докато всички физически величини могат да бъдат преобразувани в електрически сигнали. Преобразувани в цифров код, тези сигнали могат да бъдат предадени с висока точност и също така въведени за обработка в компютър.

Резистентни термодвойки

Те също се наричат термистори, Техният принцип на работа се основава на факта, че всички проводници и полупроводници имат Коефициент на устойчивост на температура съкращение TCS, Това е приблизително същото като коефициента на топлинно разширение, известен на всички: при нагряване телата се разширяват.

Трябва да се отбележи, че всички метали имат положителен TCS. С други думи, електрическото съпротивление на проводника се увеличава с увеличаване на температурата. Тук можем да си припомним факта, че крушките с нажежаема жичка изгарят най-често в момента на включване, докато намотката е студена и устойчивостта й е малка. Оттук и увеличеният ток при включване. Полупроводниците имат отрицателен TCS, с повишаване на температурата им съпротивлението намалява, но това ще бъде обсъдено малко по-високо.

Метални термистори

Изглежда, че е възможно да се използва всеки проводник като материал за термистори, обаче, редица изисквания към термисторите казват, че това не е така.

На първо място, материалът за производство на температурни сензори трябва да има достатъчно голям TCS, а зависимостта на съпротивлението от температура трябва да бъде сравнително линейна в широк температурен диапазон. В допълнение, металният проводник трябва да бъде инертен към влиянието на околната среда и да осигури добра възпроизводимост на свойствата, което ще позволи подмяната на сензорите, без да се прибягва до различни фини настройки на измервателното устройство като цяло.

За всички тези свойства платината е почти идеална (с изключение на високата цена), както и медта. Такива термистори в описанията се наричат ​​мед (TCM-Cu) и платина (TSP-Pt).

Термисторите TSP могат да се използват в температурния диапазон -260 - 1100 ° C.Ако измерената температура е в границите 0 - 650 ° С, тогава TSP сензорите могат да се използват като еталон и еталон, тъй като нестабилността на характеристиката за калибриране в този диапазон не надвишава 0,001 ° С. Недостатъците на терморезисторите TSP са високата цена и нелинейността на функцията за преобразуване в широк температурен диапазон. Следователно точно измерване на температурата е възможно само в обхвата, посочен в техническите данни.

По-евтините медни термистори от марката TSM, зависимостта на устойчивостта от температура, за които е доста линейна, придобиха по-широко разпространена практика. Като липса на медни резистори може да се разглежда ниското съпротивление и недостатъчната устойчивост на високи температури (лесно окисляване). Следователно медните термистори имат граница на измерване не повече от 180 ° C.

Използва се двужилна линия за свързване на сензори като TCM и TSP, ако разстоянието на сензора от устройството не надвишава 200m. Ако това разстояние е по-голямо, тогава се използва трижилна комуникационна линия, в която третият проводник се използва за компенсиране на съпротивлението на водещите проводници. Такива методи за свързване са показани подробно в техническите описания на устройства, които са оборудвани с TCM или TSP сензори.

Недостатъците на разглежданите сензори са тяхната ниска скорост: топлинната инерция (постоянна време) на такива сензори варира от десетки секунди до няколко минути. Вярно е, че се произвеждат и ниско инерционни термистори, чиято постоянна време не е повече от десети от секундата, което се постига поради малките им размери. Такива термистори са направени от формовани микровълни в стъклена обвивка. Те са силно стабилни, запечатани и с ниска инерция. В допълнение, с малки размери, те имат устойчивост до няколко десетки кило ома.

Полупроводникови термистори

Те също често се наричат термистори, В сравнение с медта и платината, те имат по-висока чувствителност и отрицателен TCS. Това предполага, че с повишаване на температурата тяхната устойчивост намалява. TCS термисторите са с порядък по-висок от техните медни и платинени колеги. При много малки размери съпротивлението на термисторите може да достигне до 1 MΩ, което елиминира влиянието върху резултата от измерването на съпротивлението на свързващите проводници.

За измерване на температурата най-широко се използват полупроводникови термистори от марката KMT (базирани на оксиди на манган и кобалт), както и MMT (оксиди на манган и мед). Преобразуващата функция на термисторите е доста линейна в температурния диапазон от -100 - 200 ° C, надеждността на полупроводниковите термистори е много висока, характеристиките са стабилни за дълго време.

Единственият недостатък е, че при масовото производство не е възможно да се възпроизведат необходимите характеристики с достатъчна точност. Единият екземпляр е значително различен от другия, по същия начин като транзисторите: изглежда, че е от един и същ пакет, но печалбата е различна за всички, няма да намерите два от същите. Такова разсейване на параметрите води до факта, че при подмяна на термистор е необходимо отново да се регулира оборудването.

Най-често се използва мостова верига за захранване на термичните преобразуватели за съпротивление, в които мостът се балансира с помощта на потенциометър. Когато съпротивлението на термистора се променя поради температура, мостът може да бъде балансиран само чрез завъртане на потенциометъра.

Подобна схема с ръчно регулиране се използва като демонстрация в образователни лаборатории. Двигателят с потенциометър има скала, калибрирана директно в единици температура. В реални измервателни вериги, разбира се, всичко се извършва автоматично.

Следващата част на статията ще говори за използването на термодвойки и механични разширителни термометри - Температурни сензори. термодвойки

Борис Аладишкин, i.electricianexp.com

Домашна автоматизация

Практическо електротехника и електроника