Электрическая контактная термометрия

Электрическая контактная термометрия основана на использовании термометров сопротивления, термопар, полупроводниковых приборов в качестве темопреобразователей, это и кварцевая термометрия.

16.2.1 Термопары

Термопары сами вырабатывают напряжение при изменении разности температуры между «холодными» и «горячими» спаями разнородных проводников. Поэтому, при измерении температуры такими устройствами необходимо использовать дополнительный датчик абсолютной температуры или термостабилизировать один из спаев термопары.

В настоящее время широкое применение получили проволочные и тонкопленочные термопары. При этом диаметр проволоки может составлять несколько миллиметров, а толщина пленки достигать нескольких микрометров. В первом случае термопары предназначаются для тяжелых условий эксплуатации, а во втором – для контроля быстропротекающих малоэнергоемких тепловых процессов.

Для присоединения пленочных термопар к объекту разработано несколько способов. Это применение различных цементирующих материалов, плазменное нанесение керамических покрытий, механический контакт и т.п.

Рис. 16.4 Конструкция термопары: 1 - спаи проводников, 2 - корпус; 3 – изолятор.

Для подключения термопар используют компенсационные провода, причем для каждого типа термопар используются и определенные типы компенсационных проводов, отличающиеся расцветкой внутренней изоляции жил.

Например: для термопар типа ТПП, ТПР, ТВР используют провода с красной (+) и зеленой (-) расцветкой жил компенсационного провода; для термопар типа ТХА, соответственно, красного (+) и коричневого (-) цвета; для термопар типа ТХК – фиолетового (+) и желтого (-) цвета.

В качестве вторичных приборов используют щитовые милливольтметры типа Щ 4500, автоматические потенциометры типа КСП и др.

При эксплуатации термопар в установках с повышенным давлением необходимо учитывать то, что у некоторых типов термопар зависимость показаний от давления положительная, а у других отрицательная. Платиновые термопары хорошо стоят в нейтральной среде, а в вакууме при высокой температуре происходит возгонка материала, что существенно ограничивает срок их службы, например, в вакуумных печах. В этих случаях рекомендуется использовать вольфрамовые, молибденовые, рениевые термопары. Но они, в свою очередь, плохо стоят в окислительной среде.

Основная причина нестабильности метрологических характеристик термопар – рекристаллизация, испарение некоторых компонентов сплава.

Термопары представляют собой две проволоки из различных металлов, сваренных между собой на одном из концов. Термоэлектрический эффект открыл немецкий физик Зеебек в первой половине 19-го века. Он открыл, что если соединить два проводника из разнородных металлов таким образом, что бы они образовывали замкнутую цепь и поддерживать места контактов проводников при разной температуре, то в цепи потечет постоянный ток. Экспериментальным путем были подобраны пары металлов, которые в наибольшей степени подходят для измерения температуры, обладая высокой чувствительностью, временной стабильностью, устойчивостью к воздействию внешней среды. Это, например, пары металлов хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений-вольфрам. Каждый тип подходит для решения своих задач.

Термопары хромель-алюмель (тип К) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают до температур вплоть до 1300 °С в окислительной или нейтральной атмосфере. Это один из самых распространенных типов термопар.

Термопара железо-константан (тип J) работает в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере при температурах до 500 °С.

При высоких температурах до 1500 °С используют термопары платина- платина/родий (тип S или R) в керамических защитных кожухах. Они прекрасно измеряют температуру в окислительной, нейтральной среде и вакууме.

Будь то платиновый термометр сопротивления, термопара, инфракрасный датчик, кремниевый датчик или термистор, каждый из них обладает рядом уникальных свойств, позволяющих наилучшим образом решить задачу по измерению температуры. Высокая точность и стабильность отличают платиновые термометры сопротивления. Достоинством кремниевых датчиков так же является высокая точность, пусть и в узком температурном диапазоне.

Термисторы обладают высокой чувствительностью и невысокой ценой, что позволяет встраивать их в различные электронные приборы.

Инфракрасные датчики температуры позволяют измерить быстропротекающие температурные процессы и объекты с очень высокой температурой.

К достоинствам термопар можно отнести точность и стабильность показаний в широком диапазоне температур, их устойчивость в неблагоприятным воздействиям внешней среды.

16.2.2 Терморезистивные датчики температуры

Достоинством терморезистивных датчиков являются высокая чувствительность, простота конструкции, долговременная стабильность.

В настоящее время нашли широкое применение различные типы резистивных термодатчиков: проводниковые и полупроводниковые термисторы (с отрицательным или положительным температурным коэффициентом сопротивления), полупроводниковые приборы.

Рис. 16.5 Конструкция платинового термометра сопротивления: 1 - корпус, 2 - каркас из изолятора: 3 - платиновая проволока

Рис. 16.6 Схемы подключения термометров сопротивления:

а – двухпроводная, б – трехпроводная, в - четырехпроводная, г - двухпроводная с параллельной петлей.

Термометры сопротивления это резисторы, изготовленные из платины, меди или никеля. Это могут быть проволочные резисторы, либо металлический слой может быть напыленным на изолирующую подложку, обычно керамическую или стеклянную. Платина чаще всего применяется в термометрах сопротивления из-за ее высокой стабильности и линейности изменения сопротивления с температурой. Медь используется в основном для измерения низких температур, а никель в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур.

Для защиты от внешней среды платиновые термометры сопротивления помещают в защитные металлические чехлы и изолируют керамическими материалами, такими как оксид алюминия или оксид магния. Такая изоляция снижает так же воздействие вибрации и ударов на датчик. Однако вместе с дополнительной изоляцией растет и время отклика датчика на резкие температурные изменения.

Термометры сопротивления одни из самых точных датчиков температуры. Кроме того, они стандартизированы, что значительно упрощает их использование. Стандартно производятся датчики сопротивлением 50, 100 и 1000 Ом. Изменение сопротивления таких датчиков с температурой дается в любых тематических справочниках в виде таблиц или формул. Диапазон измерений платиновых термометров сопротивления составляет -180 °С +600 °С. Несмотря на изоляцию, стоит оберегать термометры сопротивления от сильных ударов и вибрации.

Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур для таких датчиков составляет от -50 °С до +150 °С. Внутри этого диапазона кремниевые датчики температуры показывают хорошую линейность и точность. Возможность производства в одном корпусе такого датчика не только самого чувствительного элемента, но так же и схем усиления и обработки сигнала, обеспечивает датчику хорошую точность и линейность внутри температурного диапазона. Встроенная в такой датчик энергонезависимая память позволяет индивидуально откалибровать каждый прибор.

Для подключения к вторичной измерительной аппаратуре используется большое разнообразие типов выходного интерфейса: это может быть напряжение, ток, сопротивление, либо цифровой выход, позволяющий подключить такой датчик к сети передачи данных.

К недостаткам кремниевых датчиков температуры можно отнести узкий температурный диапазон и относительно большие размеры по сравнению с аналогичными датчиками других типов, особенно термопарами.

Кремниевые датчики температуры применяются в основном для измерения температуры поверхности, температуры воздуха, особенно внутри разливных электронных приборов. Например, можно назвать температурные регистраторы компании Dallas semiconductor выпускаемые под маркой THERMOCHRON. Регистраторы имеют кремниевый датчик температуры, микросхему обработки сигнала и память для сохранения результатов.

Термисторы. В этом классе датчиков используется эффект изменения электрического сопротивления материала под воздействием температуры.

Обычно в качестве термисторов используют полупроводниковые материалы, как правило, оксиды различных металлов. В результате получаются датчики с высокой чувствительностью. Однако большая нелинейность позволяет использовать термисторы лишь в узком диапазоне температур. Термисторы имеют невысокую стоимость и могут изготавливаться в миниатюрных корпусах, позволяя увеличить тем самым быстродействие.

Существует два типа термисторов, использующих положительный температурный коэффициент – когда электрическое сопротивление растет с повышением температуры и использующих отрицательный температурный коэффициент – здесь электрическое сопротивление падает при повышении температуры.

Термисторы не имеют определенной температурной характеристики. Она зависит от конкретной модели прибора и области его применения.

Основными достоинствами термисторов является их высокая чувствительность, малые размеры и вес, позволяющие создавать датчики с малым временем отклика, что важно, например, для измерения температуры воздуха. Безусловно, невысокая стоимость так же является их достоинством, позволяя встраивать датчики температуры в различные приборы.

К недостаткам можно отнести высокую нелинейность термисторов, позволяющую их использовать в узком температурном диапазоне. Использование термисторов так же ограничено в диапазоне низких температур. Большое количество моделей с различными характеристиками и отсутствие единого стандарта, заставляет производителей оборудования использовать термисторы только одной конкретной модели без возможности замены.

Полупроводниковые датчики температуры на основе p-n перехода. Характеристики полупроводникового диода и транзистора сильно зависят от температуры. Выходное напряжение, снимаемое с p-n перехода, практически линейно зависит от температуры.

Рис. 16.7 Датчики температуры на основе p-n перехода: А – диод, Б – транзистор, включенный по схеме диода.

Достоинством таких датчиков является линейность выходной характеристики.