Αισθητήρες θερμοκρασίας. Μέρος δεύτερο Θερμοστάτες

Το πρώτο μέρος του άρθρου μίλησε για λίγο ιστορικό διάφορων ζυγών θερμοκρασίας και τους εφευρέτες τους Fahrenheit, Reaumur, Celsius και Kelvin. Τώρα αξίζει να γνωρίσετε τους αισθητήρες θερμοκρασίας, τις αρχές λειτουργίας τους, συσκευές για τη λήψη δεδομένων από αυτούς τους αισθητήρες.

Το ποσοστό μέτρησης της θερμοκρασίας στις τεχνολογικές μετρήσεις

Στη σύγχρονη βιομηχανική παραγωγή, μετρούνται πολλές διαφορετικές φυσικές ποσότητες. Από αυτά, ο ρυθμός ροής μάζας και όγκου είναι 15%, το επίπεδο υγρών είναι 5%, ο χρόνος δεν είναι μεγαλύτερος από 4%, η πίεση είναι περίπου 10% κ.ο.κ. Αλλά η μέτρηση της θερμοκρασίας είναι σχεδόν το 50% του συνολικού αριθμού τεχνικών μετρήσεων.

Ένα τέτοιο υψηλό ποσοστό επιτυγχάνεται με τον αριθμό των σημείων μέτρησης. Έτσι, σε ένα μέσο μέγεθος ενός πυρηνικού σταθμού, η θερμοκρασία μπορεί να μετρηθεί σε περίπου 1.500 σημεία, και σε ένα μεγάλο χημικό εργοστάσιο ο αριθμός αυτός φτάνει τις είκοσι ή περισσότερες χιλιάδες.

Μια τέτοια ποσότητα δεικνύει όχι μόνο μια ευρεία ποικιλία οργάνων μέτρησης και ως εκ τούτου μια πληθώρα πρωτογενών μετατροπέων και αισθητήρων θερμοκρασίας αλλά και συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για την ακρίβεια, την ταχύτητα, την ασυλία θορύβου και την αξιοπιστία των οργάνων μέτρησης της θερμοκρασίας.

Οι κύριοι τύποι αισθητήρων θερμοκρασίας, η αρχή της λειτουργίας

Σχεδόν όλοι οι αισθητήρες θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη παραγωγή χρησιμοποιούν την αρχή της μετατροπής της μετρούμενης θερμοκρασίας σε ηλεκτρικά σήματα. Μια τέτοια μετατροπή βασίζεται στο γεγονός ότι είναι δυνατή η μετάδοση ενός ηλεκτρικού σήματος με υψηλή ταχύτητα σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ οι φυσικές ποσότητες μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρικά σήματα. Μετατρέπονται σε ψηφιακό κώδικα, τα σήματα αυτά μπορούν να μεταδοθούν με μεγάλη ακρίβεια και επίσης να εισαχθούν για επεξεργασία σε έναν υπολογιστή.

Θερμοστοιχεία αντοχής

Καλούνται επίσης θερμοστάτες. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στο γεγονός ότι όλοι οι αγωγοί και οι ημιαγωγοί έχουν Συντελεστής αντοχής θερμοκρασίας συντομογραφία Tks. Αυτό είναι περίπου το ίδιο με τον συντελεστή θερμικής διαστολής που είναι γνωστός σε όλους: όταν θερμαίνονται, οι οργανισμοί αναπτύσσονται.

Πρέπει να σημειωθεί ότι όλα τα μέταλλα έχουν θετικό TCS. Με άλλα λόγια, η ηλεκτρική αντίσταση του αγωγού αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Εδώ μπορούμε να θυμηθούμε το γεγονός ότι οι βολβοί πυρακτώσεως καίγονται συχνότερα τη στιγμή της ενεργοποίησης, ενώ το πηνίο είναι κρύο και η αντοχή του είναι μικρή. Εξ ου και το αυξημένο ρεύμα όταν είναι ενεργοποιημένο. Οι ημιαγωγοί έχουν αρνητικό TCS, με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αντίστασή τους μειώνεται, αλλά αυτό θα συζητηθεί λίγο πιο ψηλά.

Μεταλλικά θερμοστάτες

Φαίνεται ότι είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί οποιοσδήποτε αγωγός ως υλικό για τους θερμίστορς, ωστόσο, μια σειρά απαιτήσεων για τους θερμίστορες λέει ότι αυτό δεν συμβαίνει.

Πρώτα απ 'όλα, το υλικό για την κατασκευή των αισθητήρων θερμοκρασίας θα πρέπει να έχει αρκετά μεγάλο TCS και η εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία θα πρέπει να είναι αρκετά γραμμική σε ένα ευρύ εύρος θερμοκρασιών. Επιπλέον, ο μεταλλικός αγωγός πρέπει να είναι αδρανής σε περιβαλλοντικές επιδράσεις και να εξασφαλίζει καλή αναπαραγωγιμότητα των ιδιοτήτων, πράγμα που θα επιτρέψει την αντικατάσταση των αισθητήρων χωρίς να καταφεύγει σε διάφορες λεπτομερείς ρυθμίσεις της συσκευής μέτρησης στο σύνολό της.

Για όλες αυτές τις ιδιότητες, η πλατίνα είναι σχεδόν ιδανική (εκτός από την υψηλή τιμή), καθώς και ο χαλκός. Τέτοια θερμίστορ στις περιγραφές ονομάζονται χαλκός (TCM-Cu) και πλατίνα (TSP-Pt).

Οι θερμίστορ TSP μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην περιοχή θερμοκρασιών -260 - 1100 ° C.Εάν η μετρούμενη θερμοκρασία είναι στην περιοχή 0 - 650 ° C, τότε οι αισθητήρες TSP μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αναφορά και αναφορά, καθώς η αστάθεια του χαρακτηριστικού βαθμονόμησης σε αυτό το εύρος δεν υπερβαίνει τους 0,001 ° C. Τα μειονεκτήματα των θερμίστορ TSP είναι το υψηλό κόστος και η μη γραμμικότητα της συνάρτησης μετατροπής σε ευρεία κλίμακα θερμοκρασιών. Επομένως, η ακριβής μέτρηση της θερμοκρασίας είναι δυνατή μόνο στο εύρος που υποδεικνύεται στα τεχνικά δεδομένα.

Οι φθηνότεροι χαλκογραφικοί θερμοστάτες της μάρκας TSM, η εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία για την οποία είναι αρκετά γραμμική, έχουν αποκτήσει πιο διαδεδομένη πρακτική. Ως έλλειψη αντιστάσεων χαλκού, μπορεί να εξεταστεί η χαμηλή ειδική αντίσταση και η ανεπαρκής αντίσταση στις υψηλές θερμοκρασίες (εύκολη οξείδωση). Επομένως, οι θερμίστορες χαλκού έχουν ένα όριο μέτρησης που δεν υπερβαίνει τους 180 ° C.

Μια γραμμή δύο συρμάτων χρησιμοποιείται για τη σύνδεση αισθητήρων όπως TCM και TSP, εάν η απόσταση του αισθητήρα από τη συσκευή δεν υπερβαίνει τα 200m. Αν αυτή η απόσταση είναι μεγαλύτερη, τότε χρησιμοποιείται μια γραμμή τριών συρμάτων επικοινωνίας, στην οποία χρησιμοποιείται το τρίτο σύρμα για να αντισταθμιστεί η αντίσταση των καλωδίων. Τέτοιες μέθοδοι σύνδεσης παρουσιάζονται λεπτομερώς στις τεχνικές περιγραφές των συσκευών που είναι εφοδιασμένες με αισθητήρες TCM ή TSP.

Τα μειονεκτήματα των αισθητήρων που εξετάζονται είναι η χαμηλή ταχύτητά τους: η θερμική αδράνεια (χρονική σταθερά) τέτοιων αισθητήρων κυμαίνεται από δεκάδες δευτερόλεπτα έως μερικά λεπτά. Είναι αλήθεια ότι κατασκευάζονται επίσης θερμίστορ χαμηλής αδράνειας, των οποίων η χρονική σταθερά δεν υπερβαίνει τα δέκατα του δευτερολέπτου, η οποία επιτυγχάνεται λόγω των μικρών διαστάσεων τους. Τέτοια θερμίστορ είναι κατασκευασμένα από χυτευμένο μικροκύτταρο σε γυάλινο κέλυφος. Είναι εξαιρετικά σταθερά, σφραγισμένα και χαμηλή αδράνεια. Επιπλέον, με μικρές διαστάσεις, έχουν αντίσταση έως και αρκετές δεκάδες kilo-ohms.

Θερμοστάτες ημιαγωγών

Συχνά καλούνται επίσης θερμοστάτες. Σε σύγκριση με τον χαλκό και την πλατίνα, έχουν υψηλότερη ευαισθησία και αρνητικό TCS. Αυτό υποδηλώνει ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας μειώνεται η αντίσταση τους. Οι θερμίστορ TCS είναι τάξης μεγέθους υψηλότερου από τους αντίστοιχους χαλκού και πλατίνας. Με πολύ μικρές διαστάσεις, η αντίσταση των θερμίστορ μπορεί να φτάσει έως και 1 MΩ, πράγμα που εξαλείφει την επίδραση στο αποτέλεσμα μέτρησης της αντίστασης των καλωδίων σύνδεσης.

Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες είναι οι θερμίστορ ημιαγωγών KMT (με βάση τα οξείδια του μαγγανίου και του κοβαλτίου), καθώς και τα MMT (οξείδια μαγγανίου και χαλκού). Η λειτουργία μετατροπής των θερμίστορ είναι αρκετά γραμμική στην περιοχή θερμοκρασιών -100 - 200 ° C, η αξιοπιστία των θερμίστορ ημιαγωγών είναι πολύ υψηλή, τα χαρακτηριστικά είναι σταθερά για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Το μόνο μειονέκτημα είναι ότι στη μαζική παραγωγή δεν είναι δυνατόν να αναπαραχθούν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά με επαρκή ακρίβεια. Μια περίπτωση είναι σημαντικά διαφορετική από την άλλη, με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως και τα τρανζίστορ: φαίνεται ότι είναι από το ίδιο πακέτο, αλλά το κέρδος είναι διαφορετικό για όλους, δεν θα βρείτε δύο από αυτά. Μια τέτοια διάσπαση παραμέτρων οδηγεί στο γεγονός ότι κατά την αντικατάσταση ενός θερμίστορ, είναι απαραίτητο να ρυθμίσετε εκ νέου τον εξοπλισμό.

Πιο συχνά, ένα κύκλωμα γέφυρας χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία των θερμικών μετατροπέων αντίστασης, στα οποία η γέφυρα είναι ισορροπημένη χρησιμοποιώντας ένα ποτενσιόμετρο. Όταν η αντίσταση του θερμίστορ μεταβάλλεται λόγω θερμοκρασίας, η γέφυρα μπορεί να αντισταθμιστεί μόνο με την περιστροφή του ποτενσιόμετρου.

Ένα παρόμοιο σχήμα με τη χειροκίνητη προσαρμογή χρησιμοποιείται ως επίδειξη στα εκπαιδευτικά εργαστήρια. Ο κινητήρας ποτενσιόμετρου έχει κλίμακα βαθμονομημένη απευθείας σε μονάδες θερμοκρασίας. Σε πραγματικά κυκλώματα μέτρησης, φυσικά, όλα γίνονται αυτόματα.

Το επόμενο μέρος του άρθρου θα μιλήσει για τη χρήση θερμοστοιχείων και θερμομέτρων μηχανικής επέκτασης - Αισθητήρες θερμοκρασίας. Θερμοστοιχεία

Boris Aladyshkin, i.electricianexp.com

Αυτοματισμοί οικιακής χρήσης

Πρακτική Ηλεκτρολογία και Ηλεκτρονικά