Контактные методы и средства измерения температуры.
Для измерения температуры контактными методами используются следующие датчики:
1) металлические термометры сопротивления (ТС);
2) термоэлектрические преобразователи (ТП) – термопары;
3) полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы;
4) полупроводниковые интегральные сенсоры-датчики.
Термометры сопротивления.
Приборы и преобразователи на основе ТС используют зависимость сопротивления металла RT от температуры Т: RТ= f (T). У чистых металлах эта зависимость практически линейная: RТ= R0 (1+αT), где R0 – сопротивление металла при 00С; α – температурный коэффициент сопротивления в [0C-1].
В свою очередь температурный коэффициент сопротивления определяется по формуле: α=(∆R/R)/∆T, где ∆R/R – относительное изменение сопротивления датчика при изменении температуры на ∆Т. Значение температурного коэффициента сопротивления α у современных ТС лежит в диапазоне: α=(0,003…0,006)1/0С, что соответствует приращению сопротивления примерно на (0,3…0,6)0С от исходного (номинального) значения при 0С при повышении температуры на 10С.
Наиболее часто используемые материалы для ТС: медь (Т=(-50…+200)0С), платина (Т=(-250…+1000)0С).
Номинальное значение сопротивления ТС R0 определяется конструкцией и материалом датчика в диапазоне (10…1000) Ом. Медные ТС выпускаются с различными R0=(25…1000)Ом, а платиновые ТС с R0 равными 25, 500 и 1000 Ом.
ТС состоят из собственного чувствительного элемента, защитного кожуха (чехла) и элементов крепления. Чувствительный элемент – это намотка из тонкой изолированной проволоки на диэлектрическом каркасе (стержня) из слюды, керамики и стекла.
Существуют ТС фольгового исполнения. Они обладают следующим достоинством – минимальная тепловая инерционность датчика. Фольговые (пленочные) ТС имеют в 5-10 раз меньшее время реакции (отклика), чем у проволочных ТС, что очень важно при работе с маленькими объектами в динамических измерениях при быстроизменяющейся температуре. Как правило, ТС включаются в мостовые схемы. Различают уравновешенные и неуравновешенные схемы.
Уравновешенные мосты.
Условие равновесия моста постоянного тока следующее: произведение сопротивлений противоположных плеч моста равны друг другу.
R1*R3=R2*RT, отсюда R3=(R2/R1)*RT=k*RT, где k= R2/R1.
В свою очередь, RТ= R0 (1+αT), R3= kR0 (1+αT).
В мостах переменного тока условие равновесия отличается тем, что учитывается комплексный характер сопротивления.
НИ – нуль-индикатор, в качестве которого используются гальванометры (или цифровые вольтметры).
Ż1 = z1 e-jφ1;
Ż2 = z2 ejφ2;
Ż3 = z3 ejφ3;
Ż4 = z4 ejφ4.
Условие равновесия моста переменного тока:
1) произведение модулей противоположных плеч моста равны: z1*z3=z2*z4;
2) суммы фаз равны: φ1+φ3=φ2+φ4.
Неуравновешенные мосты.
Рассмотрим на примере автоматического моста для измерения температуры.
В автоматическом мосте термометр сопротивления ТС, обладающий сопротивлением RT при температуре Т, включается в одно из плеч неуравновешенной мостовой схемы. В исходном состоянии мост уравновешен. При изменении температуры Т изменяется сопротивление RT термометра сопротивления, который находится у объекта с измеряемой температурой. Это приводит к разбалансу моста и на его выходе появится напряжение ∆U. Это напряжение усиливается усилителем поступает на обмотку возбуждения реверсивного двигателя РД. РД начинает вращаться и через кинематическую передачу КП смещает подвижный элемент и регулировочное сопротивление R3 таким образом, что мост приходит в состояние равновесия. И так повторяется при каждом изменении температуры. Кинематическая передача связана с пером П самопишущего механизма СМ, состоящего из рулонной бумаги РБ, которая наматывается от отдельного двигателя. Так осуществляется запись изменения температуры во времени.
Такие автоматические мосты достаточно громоские, неудобна сама система записи информации на РБ. Сейчас используются более современные термометры с микроконтроллером.