Датчики температуры. 2

Содержание

1.Введение…………………………………………………………….3 стр.

2.История развития…………………………………………………...8 стр.

3.Заключение…………………………………………………………15 стр.

4.Библиографический список……………………………………….17 стр.

1. Введение.

Что такое температура 

Прежде, чем начать рассказ о датчиках температуры, следует разобраться, что же такое температура с точки зрения физики. Почему организм человека чувствует изменение температуры, почему мы говорим, что вот сегодня тепло или просто жарко, а на другой день прохладно, или даже холодно.

Термин температура  происходит от латинского слова temperatura, что в переводе означает нормальное состояние или надлежащее смещение. Как физическая величина температура  характеризует внутреннюю энергию  вещества, степень подвижности молекул, кинетическую энергию частиц, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

В качестве примера можно  рассмотреть воздух, молекулы и атомы  которого двигаются хаотично. Когда  скорость перемещения этих частиц возрастает, то говорят, что температура воздуха  высокая, воздух теплый или даже горячий. В холодный день, например, скорость движения частиц воздуха мала, что ощущается как приятная прохлада или даже «холод собачий». Следует обратить внимание на то, что скорость движения частиц воздуха никак не зависит от скорости ветра! Это совсем другая скорость.

Это то, что касается воздуха, в нем молекулы могут двигаться  свободно, а как же обстоит дело в жидких и твердых телах? В  них тепловое движение молекул также  существует, хотя и в меньшей степени, чем в воздухе. Но его изменение вполне заметно, что обусловливает температуру жидкостей и твердых тел.

Молекулы продолжают движение даже при температуре таяния льда, равно как и при отрицательной  температуре. Например, скорость движения молекулы водорода при нулевой температуре 1950 м/сек. Каждую секунду в 16 см^3 воздуха происходит тысяча миллиардов столкновений молекул. При увеличении температуры подвижность молекул возрастает, количество столкновений, соответственно, увеличивается.

Однако, следует заметить, что температура и тепло суть есть не одно и то же. Простой пример: обычная газовая плита на кухне имеет большие и маленькие горелки, в которых сжигается один и тот же газ. Температура сгорания газа одинакова, поэтому температура самих горелок также одна и та же. Но один и тот же объем воды, например чайник или ведро, быстрее вскипит на большой горелке, нежели на маленькой. Это происходит оттого, что большая горелка дает большее количество тепла, сжигая больше газа в единицу времени, или обладает большей мощностью.

Как же определить количество тепла, в каких единицах? В школьном курсе физики есть немало задач, посвященных нагреву и кипячению воды, которые весьма поучительны и интересны даже просто в процессе решения.

За единицу тепловой энергии принята калория. Это  количество тепла, которое обеспечивает нагрев 1 грамма (см^3) воды на 1 С° (1 градус Цельсия). Температура физического тела в градусах отражает уровень его тепловой энергии. Для измерения температуры используются термометры, которые часто именуют градусниками.

Если два физических тела имеют одинаковую температуру, то при их соединении передачи тепла  не происходит. Если одно из тел имеет  температуру более высокую, то при  соединении его с холодным телом, температура холодного увеличивается  и наоборот. Проще всего в этом убедиться при смешивании жидкостей: в житейских условиях всем приходилось, хотя бы в бане, смешивать горячую и холодную воду для получения необходимой температуры.

Шкалы измерения  температур

Как известно, существует несколько шкал измерения температур. Как это можно объяснить, ведь температура одна и та же, а по разным шкалам совсем разная?

Такие разногласия характерны не только для температуры. Ведь один и тот же вес в старину измеряли в пудах и фунтах, а теперь в  граммах и килограммах, то же и с линейными размерами: миллиметры, метры, дюймы, футы и уж совсем старые сажени и локти.

Краткая история развития температурных шкал

Самый первый градусник  был изобретен известным итальянским  ученым средневековья Галилео Галилеем (1564-1642). В основе действия прибора лежало явление изменения объема газа при нагреве и охлаждении. У этого термометра отсутствовала точная шкала, выражающая температуру в численном виде, поэтому результат измерения был весьма неточным.

Нижней опорной точкой этой шкалы (0°F) была использована температура замерзания солевого раствора. Именно эта температура в то далекое время была самой низкой, которую можно было воспроизвести с достаточной точностью. Верхней же точкой являлась температура тела человека (96°F), «измеренная под мышкой здорового англичанина».

В то время Фаренгейт  жил в Англии, и именно там совершал свои открытия. Поэтому в англоязычных странах долгое время применялась  шкала Фаренгейта, в современное  время страны английской культуры также  перешли на шкалу Цельсия. Медицинские же термометры в этих странах до сих пор используют шкалу Фаренгейта.

Еще одну температурную  шкалу в 1730 году предложил французский  ученый Рене Реомюр (1683-1757), который  в 1737 году был признан почетным членом Петербургской Академии Наук. Поэтому в России для измерения температуры стали пользоваться термометрами со шкалой Реомюра.

Так же, как и шкала  Цельсия, эта шкала имела две  опорных точки – температура  таяния льда и температура кипения  воды. Один градус такой шкалы получался  делением всей шкалы на 80 частей – градусов. Эта шкала использовалась всего несколько десятков лет, после чего вышла из употребления.

В 1742 году шведский физик  Андерс Цельсий (1701-1744) предложил знакомую всем десятичную шкалу температур. В ней использованы те же опорные точки, что и у Реомюра, только шкала разделена равномерно не на 80, а на 100 делений. Таким образом, один градус по шкале Цельсия это 1/100 разности температур кипения и замерзания воды.

Последняя температурная  шкала была предложена англичанином Уильямом Томсоном (1824-1907), который за научные заслуги в 1866 получил титул барона Кельвина. Шкала Кельвина до настоящего времени используется как основной стандарт современной термометрии. В этой шкале за начало отсчета принят абсолютный нуль (−273.15 °C).

Согласно теории Кельвина при этой температуре прекращается любое тепловое движение. При этой температуре все проводники имеют  нулевое сопротивление электрическому току, наступает явление сверхпроводимости. Такая температура еще никем  и нигде не достигалась, она существует лишь теоретически.

Датчик температуры — это прибор, замыкающий или размыкающий контакт или изменяющий электрическое сопротивление в соответствии с изменением температуры. Датчики температуры подразделяются на контактные датчики, которые измеряют температуру непосредственным прикосновением к веществу, температуру которого измеряют, и бесконтактные датчики, воспринимающие излучаемую тепловую энергию без непосредственного контакта с контролируемым веществом.

Существует множество типов контактных датчиков температуры, это термостаты, термисторы и термопары. К бесконтактным температурным датчикам относятся датчики инфракрасного излучения.

2. История развития.

Для количественной оценки тепла нужно  было выбрать параметр, изменяющийся равномерно с ростом температуры. Одним из таких процессов является расширение веществ при нагревании и сжатие при охлаждении.

Первым это явление на практике использовал Г. Галилей. В 1603 году он поместил стеклянную трубку, заполненную  горячим воздухом и запаянную с одного конца, в сосуд с водой. По мере охлаждения воздух в трубке сжимался и трубка заполнялась водой; так появился первый термометр (от греческого слова “измеряющий тепло”). С ростом комнатной температуры воздух в трубке расширялся, вытесняя воду и сдвигая ее уровень. Главная проблема заключалась в том, что трубка находилась в открытом водном бассейне, который подвергался переменному атмосферному давлению. Поэтому даже при постоянной температуре уровень воды в трубке колебался, что мешало точным измерениям. Тем не менее, этот термометр стал первым значительным научным прибором, выполненным из стекла.

В 1654 году герцог Тосканы Фердинанд II усовершенствовал термометр, добившись независимости от атмосферного давления.

Для этого он поместил жидкость в запаянную с двух сторон трубку с шариком на конце. А в качестве указателя температуры использовалась сама окрашенная жидкость, объем которой по мере нагрева или охлаждения изменялся; благодаря достаточному по размеру резервуару с жидкостью и соединенному с ним узкому каналу даже небольшие изменения объема теперь стали хорошо заметны.

В то же время этой проблемой много  занимался и английский физик  Р. Бойль, который первым обнаружил, что человеческое тело поддерживает постоянную температуру, которая заметно выше обычной комнатной температуры. Другие исследователи установили, что те или иные физические явления всегда происходят при определенной температуре. Например, в конце XVII столетия уже знали температуру замерзания и кипения воды.

Первыми жидкостями, которые использовали в термометрах, были вода и спирт. Но поскольку вода замерзала при относительно высокой температуре, а спирт, напротив, слишком быстро закипал, французский физик Г. Амонтон предложил использовать ртуть. В его приборе, аналогично термометру Галилея, расширение и сжатие воздуха вызывало подъем и спуск ртутного столбика.

В 1714 году немецкий физик Г. Фаренгейт, наконец, объединил конструкции тосканского герцога и французского физика, наполнив трубку ртутью и приняв ее уровень за указатель температуры. В качестве нуля он взял минимальную температуру, которой ему удалось добиться в лабораторных условиях, смешивая снсг с солью. Далее, температуре плавления чистого льда он присвоил значение 32, а температуре кипения воды 212. Такой выбор давал два важных преимущества. Во-первых, температурный интервал между точками замерзания и кипения воды составил ровно 180% что было удобно с точки зрения привычного геометрического представления об этой единице. (Ведь именно столько градусов в полукруге.) Кроме того, нормальная температура человеческого тела по шкале Фаренгейта равнялась почти 100° (точнее, 98,6°).

Если температура у  человека поднимается хотя бы на один градус по сравнению с нормальной, считается, что он не вполне здоров. В 1858 году немецкий врач К. Вундерлих ввел процедуру регулярного измерения температуры больных в медицинскую практику как показатель течения болезни. В следующем десятилетии его английский коллега Т. Оллбутт изобрел клинический термометр, в кшором точным и иди кагором температуры служил столбик ртути, фиксируя температуру в момент измерения. До сих пор шкала Фаренгейта используется в США и Великобритании.

Ранее, в 1742 году шведский астроном А. Цельсий предложил  другую температурную шкалу. За две главные точки отсчета в ней взяты температура замерзания воды 0° и температура кипения воды 100°. В 1948 году на одной из научных конференций шкале было присвоено имя автора- шкала Цельсия а, сами температурные значения стали называгь градусами Цельсия. Для этого также используется символ °С. В настоящее время именно эта шкала принят а в большинстве цивилизованных стран и в международной системе измерений.

Температура характеризует интенсивность нагрева, но не количество тепла. Тепло всегда переходи ! от тела с более высокой температурой к более холодному телу до тех пор, пока их температуры не сравняются, аналогично уровню жидкости в сообщающихся сосудах. Этот процесс протекает независимо от количества тегша в каждом из этих тел. И хотя в ванне, наполненной теплой водой, содержание тепла намного выше, чем в зажженной рядом с ней спичке, но тепло все равно будет перемещаться (я маленькой спички к воде, а не наоборот.

Дж. Блэк, проведший важные эксперименты с газами, был первым, кто четко разделил понятия температуры и тегша. В 1760 году он сообщил, что температура разных вещест в увеличивается в разной степени при получении одного и того же количества тепла. Для того чтобы поднять температуру одного грамма железа на один градус  Цельсия, требуется в 3 раза больше тепла, чем для такого же весового количества свинца. А для бериллия тепла требуется в 3 раза больше, чем для железа.

Больше того, Блэк показал, что тепло переходит к телу даже безо всякого повышения температуры. Так, лед постепенно тает под действием тепла, но при этом его температура остается постоянной (О °С). То же самое происходит при кипении воды, когда постоянно сохраняется температура 100 °С. Тепло в этом случае лишь вызывает образование пара, который улетучивается, но температура самой воды остается постоянной.

Создание парового двигателя, которое произошло примерно в то же время, что и опыты Блэка, увеличило интерес ученых к теплу и температуре. Они начали глубже размышлять над природой теплоты, точно так же, как раньше ломали голову над природой света.

Зависимость свойств  многих материалов от температуры не всегда является недостатком — из таких материалов изготавливаются  датчики температуры. Конструкция  выбирается таким образом, чтобы  усилить температурную зависимость какой-либо электрической характеристики. Эта зависимость, как правило, является нелинейной, что создает дополнительные трудности при ее воспроизведении. Обычно применяются три типа датчиков температуры:

• термоэлементы,
• резистивные детекторы температуры,

-термисторы.

Термоэлементы

Первый термоэлемент был создан в 1887 году французским  ученым Ле Шателье. В термоэлементе  две точки контакта А и В  соединены двумя параллельными  проводами, выполненными из разных металлов (например, алюминий и медь). Таким  образом создается замкнутая цепь (рис. 1).

Если температуры  точек А и В различаются, то по замкнутой цепи циркулирует ток. На правом рисунке показана реальная цепь для измерения этого тока. Точка А соответствует “горячему” спаю, а В и С - холодному. Точки В и С должны иметь одинаковую температуру.

До тех  пор, пока температуры в точках А  и В одинаковы, ток в цепи не протекает. Если температуры в точках А и В отличаются, то по цепи начинает протекать

Рис. 1.  Принцип работы термоэлемента.

электрический ток. Это явление называется термоэлектрическим эффектом или эффектом Сибека, по имени открывшего его в 1821 году исследователя. Эта так называемая термоэлектродвижущая сила увеличивается как функция разности температур. Возникающее напряжение лежит в пределах нескольких милливольт, что требует применения дополнительной очень чувствительной — и поэтому сравнительно дорогостоящей - электронной измерительной аппаратуры. Из-за низкого уровня сигнала следует тщательно выбирать процедуру передачи и соединительные провода. Необходимо иметь в виду, что термоэлемент измеряет разность температур, а не ее абсолютное значение, поэтому температура одного из контактов должна быть известна с высокой точностью. Для различных температурных диапазонов используются разные сочетания металлов. Термоэлементы весьма надежны и недороги, имеют малую теплоемкость и способны работать в широком диапазоне температур.

Металлы имеют  положительный температурный коэффициент  сопротивления, т.е. с увеличением температуры сопротивление проводника растет. Это свойство используется в резистивных детекторах температуры.

Старые примитивные  датчики температуры 

Несмотря на наличие  такого количества температурных датчиков, до сих пор широкое применение находят достаточно примитивные  датчики. Это, прежде всего, датчики на основе биметаллических пластин наиболее часто применяемых у электроутюгах и электрокаминах, а также термодатчики манометрического типа или датчики расширения. В них используется расширение жидкости находящейся в закрытом объеме.

Одной из разновидностей такого датчика оснащены, например, нагревательные элементы бытовых бойлеров фирмы Aricton. На одном основании расположен сам ТЭН, трубчатый датчик температуры и регулируемый контакт: как достигли заданной температуры – отключились. Конструкция настолько проста, что содержит всего лишь одну установочную резьбу и две клеммы для подключения к сети.

Волоконно-оптические датчики температуры 

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна использую тся в качестве линейных датчиков. Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.

Специализированные  полупроводниковые датчики

Здесь же следует упомянуть  о прецизионном аналоговом температурном  датчике LM335AZ, являющемся одной из разновидностей регулируемого стабилитрона. Здесь уместно вспомнить стабилитрон TL431. Градуировка датчика выполнена при его изготовлении на заводе, поэтому мучительной многоэтапной настройки при изготовлении термометра или терморегулятора делать не надо.

Согласно технической документации LM335AZ имеет положительный температурный коэффициент 10mV/°K. Для перевода привычных нам градусов Цельсия в градусы Кельвина следует воспользоваться формулой t °K = 273 + t °C. Согласно этой формуле при 0°C на выходе датчика будет напряжение (273 + 0°C) * 10mV/°K = 2730mV, а при температуре, например, 50°C получится (273 + 50°C) * 10mV/°K = 3230mV.

Такие чудесные свойства позволяют с помощью этого  датчика создавать терморегуляторы, просто измерители температуры, а также  схемы компенсации температуры  холодного спая термопар, о чем будет сказано чуть выше. Все упомянутые схемы получаются достаточно простыми, их можно посмотреть в технической документации, или как ее называют, дата шиты (Data Sheet).

Датчики температуры  из диодов и транзисторов

В тех же диапазонах температуры, что у полупроводниковых термосопротивлений для измерения и контроля температуры достаточно часто используются обычные диоды или p-n переходы транзисторов.

Применение этих приборов объясняется тем, что они имеют  температурный коэффициент напряжения ТКН. У всех полупроводников он отрицательный и примерно одинаков: -2mV/°C. Чтобы в этом убедиться, достаточно проделать простейший опыт, описанный ниже.

Если цифровым мультиметром китайского производства при комнатной  температуре «прозванивать» кремниевые диоды или переходы транзисторов, то на индикаторе высвечиваются цифры порядка 690 - 700. Для германиевых полупроводниковых приборов показания будут 400 - 450, правда, германиевые приборы применяются в настоящее время очень редко. Это не что иное, как падение напряжения, показанное в милливольтах, на p-n переходе в прямом направлении.

Если в момент такого измерения диод или транзистор немного  подогреть, хотя бы паяльником, то показания  будут уменьшаться. Причем чем больше степень нагрева, тем заметнее изменение показаний прибора в меньшую сторону. Чаще всего такие датчики применяются в различных электронных схемах, например в усилителях звуковых частот для стабилизации режимов работы схемы.

3. Заключение.

Анализ литературных источников позволяет сделать вывод о все более широком использовании в системах регулирования полупроводниковых датчиков температуры, разнообразие которых позволяет решить множество сложных задач. Появившиеся в последнее время датчики на изолирующих подложках типа КНС-структур позволяют во многих специфических случаях заменить традиционные металлические (например платиновые) датчики и тем самым удешевить измерения и повысить надежность систем.

Волоконно-оптические датчики  для контроля температуры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами подобных устройств . Такой датчик незаменим во многих направлениях современной промышленности. Пока у этих устройств нет аналогов, которые могли бы так же успешно применяться в газовой промышленности, сушильных установках, например, в СВЧ, турбинах и генераторах, двигателях, различных областях медицины и инженерии, аэронавтике и космонавтике . Основная проблема эксплуатации ВОД датчиков температуры заключается в необходимости дорогостоящего оборудования для снятия и обработки показаний датчиков и малом быстродействии; вместе с тем их использование является относительно недорогим для конечных потребителей за счет устойчивости к излучениям и коррозии, малому потреблению энергии и определенности получаемых данных.

Датчики температуры имеют широкое применение в прокатном производстве. С помощью датчиков температуры измеряют температуру в нагревательных печах, и по ним регулируют режим нагрева заготовок до нужной температуры, измеряют конечную температуру металла после прокатки.

4. Библиографический  список.

http://temperatures.ru/pages/volokonno_opticheskie_datchiki_temperatury

http://elektromehanika.org/publ/stati_po_ehlektronike/datchiki_temperatury_4_chasti/4-1-0-127

http://1interesnoe.info/2011/03/datchiki_temperatury/