Датчик температуры. 2

Министерство образования и науки РФ

ФГОАУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Уральски энергетический институт

Кафедра «Техники высоких напряжений»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Датчик температуры

Реферат

по дисциплине: «Теория автоматического управления»

 

 

 

 

 

 

Преподаватель:                                                                                     Черных И.В.                

      

Выполнил:                                                                    студент группы ЭН-310202

Сытов Е.П.

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2014

Содержание:

Введение………………………………………………………….......3

Основные области применения…………………………………….4

Основные характеристики датчиков температуры…………….....4

Термометры сопротивления (ТС)……………………………...…..6

Полупроводниковые термосопротивления (термисторы)……….6

Термопары……………………………………………………….….8

Инфракрасные датчики температуры……………………….….…9

Заключение…………………………………………………………11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 Человек глазами воспринимает  форму, размеры и цвет окружающих     предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств.

      Однако, для получения  ощущения одних только органов  чувств недостаточно. Например, при  зрительном ощущении совсем не  значит, что человек видит только  благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения. Аналогичная система формируется и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные области применения

Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним из основных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложных технологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах – там, где другие параметры измерить невозможно. Так например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как давление, плотность, уровень теплоносителя и т.д.

В повседневной жизни, в быту также применяются датчики температуры, например для регулирования отопления на основании измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной температуры; регулирование температуры нагрева воды в автоматических стиральных машинах; регулирование температуры электроплит, электродуховок и т.п.

Основные характеристики датчиков температуры

Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчики между

собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующие конкретным задачам.

Перечислим основные из этих характеристик:

1. Функция преобразования (градуировочная  характеристика) представляет собой  функциональную зависимость ее  выходной величины от измеряемой  величины: y = f(x)

Зависимость представляется в именованных величинах: y – в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, x – в единицах измеряемой величины. Для датчиков температуры – Ом/(С или мВ/К.

2. Чувствительность – отношение  приращения выходной величины  датчика к приращению его входной  величины:

S = dy/dx

Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика постоянна. Чувствительност датчика характеризует степень совершенства процесса преобразования в нем измеряемой величины.

3. Порог чувствительности –  минимальное изменение значения  входной величины, которое можно  уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике.

4. Предел преобразования – максимальное  значение измеряемой величины, которое  может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результате рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела преобразования по крайней мере на 10%.

5. Метрологические характеристики  – определяются конструктивно- технологическими  особенностями датчика, стабильностью свойств применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряемым объектом.

Метрологические характеристики, в свою очередь, определяют характер и величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут быть случайными и они учитываются методами математической статистики. 
Систематические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены из результатов измерения.

Основными видами систематических погрешностей являются:

- погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования, что характерно для полупроводниковых датчиков температуры ;

- погрешности, обусловленные вариацией  функции преобразования вследствие  изменения направления действия  входной величины (для датчиков  температуры это нагрев-охлаждение);

- погрешности, обусловленные несоответствием  динамических возможностей датчика  скорости воздействия входной  величины. Может быть учтено введением  коэффициента термической инерции;

- дополнительные погрешности, обусловленные  отличием условий работы датчика от тех, в которых определялась его функция преобразования;

- погрешности, обусловленные нестабильностью  функции преобразования вследствие  процессов старения материала.

6. Надежность – рассматривается  в двух аспектах: механическая  надежность и метрологическая надежность.

7. Эксплуатационные характеристики  – к их числу могут быть  отнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочность  электрической изоляции, номиналы  используемых электрических напряжений, а также стойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность и т.д.

8. Стоимость и возможность серийного  производства.

 

 

 

 

 

 

Термометры сопротивления (ТС)

 

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.

Различают проволочные и полупроводниковые.

а) Проволочные ТС. Принцип действия основан  на изменении сопротивления проводников  при изменении температуры по зависимости:

Rt=R0(1+αt+βt2)

Rt - сопротивление проводника при t 0C

R0 - сопротивление проводника при t=0C

- зависит от материала датчика

В качестве материала примем Cu или Pt в виде проволоки = (0,01-0,1) мм, покрытый изоляцией и наматываемый на каркас из слюды, кварца и др. диэлектриков.

Медные ТС (ТСМ). Предел изменяемых t = (0 - 180) 0С

Платиновые t = (0 - 800) 0C

Основная характеристика данных датчиков при изменении t на 10С

= R / t *100

Рабочая длинна l = (70 - 1000)мм

Данные датчика присоединен к вторичным проборам, образуя вторичная цепь. Вторичные приборы: логометры, (измерители сопротивления), а также автоматически уравновешивающие мосты. Датчик включается в одну из плеч мостов системы.

 

Полупроводниковые термосопротивления (термисторы)

 

 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

Полупроводники занимают место между проводниками и диэлектриками. Имеет отрицательный температурный коэффициент. Сопротивления, т.е. с увеличением температуры сопротивление проводника уменьшается.

 

Rt = A*e^В/Т

Rt - сопротивление проводника при Т, К.

А – коэффициент (от материала проводника)

Основные характеристики:

1 - температурный коэфф

2 -

3 - мощность рассеивания – мощность  которая рассеивается от датчика  в ОС, не вызывая его нагрева.

Полупроводниковые датчики называются термисторами. Tв характеризует инерционные свойства термистора.

1 - Вольт – амперная характеристика

T1<T2<T3

Каждая характеристика соответствующее установившейся Т С. Имеет два выраженных участка: 1- линейная часть. По этому участку ток , протекает по термистеру, небольшой , не вызывает нагрев, т.е. вся Е выделяется в ОС. Сопротивление зависит от U. На (1) термистор используется в качестве датчика температуры.

При дальнейшем протекании тока, нагрев термистера увеличивается, т.е. уменьшается U.

На этом участке термистор применяется в качестве 2-х  позиционного регулятора.

Область применения термистора обширна: в схемах компенсации (ввиду маленьких растворов), в качестве 2-х позиционных регуляторов.

Выпускают: ММТ-1, 4, 5, 11

                     КМТ -1, 4, 5, 10

Покрыты эмалевой краской, применяют в сухих неагрессивных средах. Т = (0 - 120 ) 0С.

КМТ-1 помещается в защищенную металлическую капсулу – измерение t в жидкости, газообразных, агрессивных средах, находящихся под давлением.

Достоинство: малые габариты.

Недостатки: значительная погрешность измерения t.

 

 

 

Термопары

 

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте: при соединении 2-х разнородных проводников в замкнутую цепь (места соединения называются спаями). При нагревании одного из спаев по данной цепи протекает ток, вызванный термоЭДС.

Разные проводники содержат различное число электронов. При нагревании спая электродов электронов перетекают из того проводника, где их больше, туда, где их меньше.

Схема термопары:

1,2 – проводники (электроды)

1’, 2’ – соединения электродов (спаи)

1’ – горячий, помещается в  контролируемую среду 

2’ – холодный, подключен к  прибору

е1, е2 – ЭДС горячая и холодная спаи

е = е1 - е2 – ЭДС термопары

ЭДС ТП зависит не только от разных t спаев, но и от их абсолютного значения.

Оснавная характеристика – коэффицент α  *100%

Применяется t градуировки холодная спая 20 0С. Основная погрешность показаний ТП связанная с отклонением температуры холодных спаев, которая присоединится ко 2-ому прибору, от данной температуры.

Для устранения погрешности применяют специальные схемы ЭДС данных холодных спаев.

Применяется мостовая схема, имеется 4 плеча, в каждом из которых включены соответствующие сопротивления R1,R2 – постоянного сопротивления, величины которых не зависят от t. Rt - термосопротивление, не зависящее от t. R3 – потенциометр.

Данный мост имеет 2 диагонали: 5-6 – питающая диагональ, включающая источник постоянного тока, 3-4 – измерительную диагональ

Когда мост уравновешен, U измерительная диагональ U=0. Условие равновесия моста определяется следующим соотношением: равенство произведений сопротивлений противоположных плеч

При увеличении температуры холодных спаев увеличение Rt приводит к разбалансированию моста. В измерительной диагонали возникает U.

Параметры данного моста так, чтобы U, возникающее в измерении  диагонали было равно изменению ЭДС холодных спаев и направлено навстречу ему, т.е.

U34=

е2

е2 - отклонение ЭДС холодных спаев от ЭДС его градуировки

В качестве материалов электродов ТП применяют Pt , ее сплавы, сплавы др. металлов.

Конструкция

ТП изготавливают в виде проволоки, изолированную друг от друга кварцевыми или фосфорными трубочками и помещенную в защитно-металлический кожух.

Инфракрасные датчики температуры

Инфракрасные датчики температуры или пирометры измеряют температуру поверхности на расстоянии. Принцип из работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию. При низких температурах это  излучение в инфракрасном диапазоне, при высоких температурах часть энергии излучается уже в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур бесконтактными датчиками от -45 С до +3000 С. Причем в диапазоне высоких температур инфракрасным датчикам нет конкуренции. Для измерения в различных диапазонах температур используются различные участки инфракрасного спектра. Так при низких температурах это обычно диапазон длин волн электромагнитного излучения 7 – 14 микрон. В диапазоне средних температур это может быть 3 – 5 микрон. При высоких температурах используется участок о районе 1 микрон. Однако и здесь есть свои особенности, связанные с решением конкретной задачи. Так для измерения температуры тонких полимерных пленок используются датчики, работающих на длинах волн 3,43 или 7,9 микрометров, а для измерения температуры стекла используют датчики, работающие в диапазоне 5 микрон. Для правильного измерения температуры необходимо еще ряд факторов. Прежде всего это излучательная способность. Она связана с коэффициентом отражения простой формулой: E = 1 – R, где Е – излучательная способность, R – коэффициент отражения. У абсолютно черного теля излучательная способность равна 1. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95. Металлы, особенно полированные напротив имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае будет 0,1 – 0,2. Для правильного измерения температуры необходимо определить и установить излучательую способность измеряемого объекта. Если значения будут выбраны неправильно, то температура будет измеряться неверно. Обычно показания занижаются. Так, если металл имеет излучательную способность 0,2, а на датчике установлен коэффициент 0,95 (он обычно используется по умолчанию), то при наведении на нагретый до 100 С металлический объект датчик будет показывать температуру около 25 С. Корректировать излучательную способность можно определив ее для различных материалов по справочнику, либо измеряя температуру поверхности альтернативным способом, например термопарой, вносить необходимые поправки. Хорошие результаты при не очень высоких температурах дает окраска специальной термостойкой, черной краской измеряемой поверхности. Второй важной характеристикой инфракрасного датчика является оптическое отношение – это отношение расстояния до объекта измерений к размеру области с которой эти измерения ведутся. Например оптическое отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 метров размер площади, с которой ведется измерение температуры составляет 1 метр. Современные инфракрасные датчики температуры имеют оптическое отношение достигающие 300:1. Основные достоинства инфракрасных датчиков температуры: малое время отклика. Это самые быстродействующие датчики температуры. Возможность измерения температуры движущихся объектов. Измерения температуры в труднодоступных и опасных местах. Измерение высоких температур, там, где другие датчики уже не работают. К достоинствам можно отнести то, что отсутствует непосредственный контакт с объектом и соответственно не происходит его загрязнения. Это может быть важно в полупроводниковой промышленности или фармацевтике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

   Температура является наиболее распространенным измеряемым параметром и существует огромное число применений для датчиков температуры. Датчики температуры обеспечивают надежное и точное измерение в различных системах:

• в двигателях и судовом оборудовании в морском секторе;
• в системах воздушного и водяного охлаждения;
• в системах смазки;
• в системах вывода выхлопных газов
• в мобильных и стационарных гидравлических системах;
• в рефрижераторных системах;
• в системах питания;
• в редукторах;
• в опорных (подшипниковых) системах.