Термометрические датчики

Терморезисторы или термисторы предназначены для измерения температуры путем преобразования измеряемого сигнала в изменение активного сопротивления. Термисторы бывают металлические и полупроводниковые.

Металлические термисторы изготовляются из чистых металлов с большим температурным коэффициентом сопротивления (медь, платина). Диапазон измеряемых температур платиновых термисторов – от до С, медных – от до С. Точность измерения платиновых термисторов , медных - до . При более высоких температурах термисторы не применяются, так как в диапазоне высоких температур они имеют недостаточную точность и сильно окисляются.

Зависимость сопротивления металлических термисторов почти линейная:

где - температурный коэффициент сопротивления;

R₀ – сопротивление при t₀;

t₀ - начальная температура;

t - измеряемая температура.

Линейность статической характеристики в других диапазонах температур нарушается.

В зависимости от назначения термисторы имеют различную конструкцию.

Они изготовляются в виде нити, спирали, катушки и т.д.

Металлический термистор представляет собой тонкую проволоку (медь, никель, платина), намотанную на каркас, который затем для защиты от механических повреждений помещают в металлический корпус.

Платиновые терморезисторы могут также применяться для измерения скорости протекания газа, состава газа и концентрации раствора (термоанемометры). Это возможно потому, что сопротивление проводника зависит не только от температуры окружающей среды, но и от скорости протекания газа, плотности и его состава. Такой термометр сопротивления представляет собой термосопротивление, изготовленное из платиновой нити, укрепленной между двумя токопроводящими электродами, к которым подводится постоянный ток.

Pt

V

I = const

Нагрев нити током будет зависеть от условий ее охлаждения, а охлаждение – от скорости движения газа, в котором находится нить.

Статическая характеристика R = f(V) криволинейна и снимается экспериментально.

R

V, м/с.

Полупроводниковые термисторы изготовляются из окиси различных металлов (марганца, меди, никеля).

Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. с увеличением температуры сопротивление полупроводника уменьшается.

где R₀ – начальное сопротивление при T₀;

B - постоянная материала (в Кельвин);

T - температура в момент измерения;

T₀ – начальная температура.

Термисторы являются очень чувствительными элементами, поэтому с их помощью можно измерять температуру с точностью до .

П/проводниковые термисторы применяют в диапазоне от до .

Недостатки мет.термисторов: обладают большой инерционностью. Постоянная времени изменяется от единиц до десятков секунд и зависит от диаметра провода.

Недостатки п/проводниковых термисторов: узкий диапазон температур, нелинейность статической характеристики.

Фоторезисторные датчики.

Фоторезисторные датчики, или фотосопротивления, нашли широкое применение в системах автоматики для контроля с любым видом передаваемой информации: сигнализации, измерения и регистрации.

Фотосопротивления – это полупроводники, у которых число свободных электронов и электропроводность увеличиваются при освещении. В настоящее время для фотосопротивлений применяется сернистый свинец, сернистый висмут и сернистый кадмий.

Конструкция: тонкий слой полупроводникового материала наносится на прозрачную пластинку, к которой прикрепляются электроды, осуществляющие контакт с полупроводниковым слоем. При подаче к электродам напряжения через полупроводник пойдет ток, сила которого зависит от освещенности светочувствительной поверхности. При этом электроны не покидают полупроводник, а остаются в нем, являясь носителями зарядов электричества. Это есть явление внутреннего фотоэффекта. Фоторезисторы изменяют свою характеристику (величину силы тока) при изменении температуры окружающей среды.

Фоторезисторам свойственна инерционность процесса нарастания фототока при его освещении (недостаток).

Достоинство: долговечность.

Ионные датчики.

Представляют собой разнообразную группу датчиков, у которых входная величина функционально связана с током ионной проводимости, а следовательно, с сопротивлением, которое обусловлено наличием ионов. С током ионной проводимости приходится преимущественно встречаться в жидких и газообразных средах.

Примером электролитического датчика является концентратомер, основанный на зависимости сопротивления между двумя электродами от концентрации раствора. С увеличением концентрации число ионов увеличивается, что и вызывает увеличение проводимости.

Параметрические датчики реактивного сопротивления питаются от источника переменного тока. К ним относятся индуктивные и емкостные датчики.

Индуктивные датчики.

Индуктивные датчики нашли широкое применение в системах автоматики для измерения линейного или углового перемещения. Принцип действия их основан на изменении индуктивности катушки с магнитопроводом при перемещении якоря. Бывает несколько конструкций индуктивных датчиков.

Индуктивный датчик с подвижным якорем (нереверсивный) представляет собой катушку 2 с ферромагнитным сердечником и с подвижным якорем 1. При перемещении якоря 1 воздушный зазор изменяется, а следовательно, изменяется и индуктивность катушки 2.

1 2

Z_Н

U

Ток в катушке:

I = U/Z = U/ ,

Где U – напряжение питания;

Z – полное сопротивление катушки ;

R – активное сопротивление катушки;

X_L = fL – индуктивное сопротивление катушки;

f – частота напряжения питания;

L – индуктивность катушки, зависящая от воздушного зазора.

При постоянных U, R, f ток катушки зависит только от ее индуктивности, а следовательно, от воздушного зазора. Таким образом, ток в катушке датчика пропорционален воздушному зазору:

I = KS,

Где К – коэффициент пропорциональности или чувствительности датчика.

Для индуктивного датчика входной величиной является , а выходной – сила тока I в нагрузке при заданном переменном напряжении питания U. На рисунке приведены идеальная статическая характеристика и реальная характеристика нереверсивного индуктивного датчика.

Реальная статическая характеристика индуктивного датчика отличается от идеальной тем, что имеет некоторую нелинейность. Это вызвано тем, что при нулевом зазоре индуктивность обмотки , поэтому падение напряжение на нагрузке 0, а имеет какое-то определенное значение (напряжение холостого хода U_х.х). При большом зазоре реальная статическая характеристика содержит участок насыщения, определяемый напряжением насыщения U_нас.

I

U_НАС

U_ХХ

К достоинствам нереверсивного индуктивного датчика можно отнести: высокую чувствительность, надежность и долговечность, отсутствие контактных устройств, значительную величину выходной мощности (до сотен вольт-ампер), простоту конструкции и эксплуатации.

Недостатки: наличие напряжения на выходе при нулевом воздушном зазоре U_ХХ, нелинейность реальной статической характеристики.

Реверсивный датчик: имеет чувствительность в 2 раза большую, чем нереверсивный. Состоит из двух симметрично расположенных катушек индуктивности с одним якорем.

U

Когда якорь находится посередине, т.е. , то индуктивности равны: L₁ = L₂. При перемещении якоря изменяется магнитное сопротивление левой и правой частей датчика.