Датчики температури

3. Датчики температури

Термічні резистори

Як відомо, опір металічних провідників залежить від температури відповідно до формули:

Rt = R0[1 + a(T2 – T1)],

де Rt – опір при температурі Т2, R0 – опір при температурі Т1, a - температурний коефіцієнт, що залежить від металу, який використовується, наприклад, для заліза a = +0,005; для платини a = 0,0038; для алюмінію a = 0,0038 тощо. Зараз, як правило, використовують платинові датчики, які на відміну від інших металів мають високу лінійність (у діапазоні температур від 0 до +100°С лінійність складає ±0,2%). Платинові датчики використовуються в широкому діапазоні температур – від -183 до +630°С. При більш низьких температурах використовують датчики з родію.

Термістори

Термістори – це нелінійні напівпровідникові резистори. Вони являють собою тонкий шар напівпровідника, що розміщується на оксидах міді, кобальту, нікелю, або інших металів. На відміну від термічних резисторів зміна опору таких резисторів дуже велика: від 4 до 6% на один градус Цельсію. Термістори бувають двох типів: негативні та позитивні. У перших опір зменшується при зростанні температури, у других – збільшується. Залежність опору від температури описується формулою:

Rt = R0 exp[b(1/T2 – 1/T1)],

де Rt – опір при температурі Т2, R0 – опір при температурі Т1, b - фактор, що залежить від матеріалу і виражається у градусах Кельвіна, він звичайно знаходиться між 1500°К та 7000°К. Для порівняння зміна опору від температури для термічних резисторів та термісторів показана на рис.28.

Термопари

Термоелектричні явища були відкриті Томасом Зеебеком у 1821 р. Якщо підігріти спай двох різних металів, то на кінцях їх виводів з’явиться напруга пропорційна зміні температури з коефіцієнтом, залежним від того, яка пара металів використовується (рис.29).

Рис.28. Зміна опору від температури для термічного резистора

Рис.29. Схема ефекту Зеебека

Ці спаї в типовому випадку використовуються парами – гарячий спай та холодний спай, тому потенціал Зеебека пропорційний різниці температур між спаями. Холодний спай потрібно поміщати, наприклад, у холодну воду з температурою 0°С. Але в апаратурі частіше роблять штучний холодний спай, як це показано на рис.30.

Рис.30. Схема зі штучним холодним спаєм

Замість холодного спаю вміщують схему, яка має такий самий потенціал Зеебека, як холодний спай.

Термопари частіше використовують для вимірювання високих температур, наприклад, 1500°С.

Мікросхемні датчики температури

Ці датчики являють собою стабілітрони, у яких напруга стабілізації залежить від температури з коефіцієнтом 10 мВ/°K. Еквівалентний стабілітрон має динамічний опір менший за 1 Ом і працює в діапазонах температур від -55 до +150°С. Для таких мікросхем, як LM135, LM235, LM335 похибка вимірювань складає менша за 1°С. Схема включення мікросхем такого типу показана на рис.31.

Рис.31. Схема включення мікросхемного датчика температури

 

4. Датчики вологості

Сорбційно-ємкісні датчики

Принцип дії таких датчиків заснований на залежності діелектричної проникливості сорбенту від кількості вологи, яка в ньому знаходиться. Шар сорбенту знаходиться між двома пласкими електродами, що утворюють конденсатор. У якості сорбенту використовують окисли металів та кремнію. Сорбційно-ємкісні датчики мають практично лінійну залежність „вологість-ємкість”. Сучасні датчики такого типу мають діапазон вимірювання вологості від 0 до 100%, лінійність у цьому діапазоні 1%.

Резистивні датчики вологості

У датчиків цього типу при зміні вологості змінюється опір сорбенту (чергування шарів пористої платини та полімеру, що нанесені на підложку з кремнію) . Вони є менш точними і мають велику залежність від температури (до 0,6% опору на 1 градус Цельсія). Без кіл температурної компенсації їх можна використовувати тільки у приміщеннях зі стабільними температурними умовами (комори, овочесховища). Діапазон вимірювання вологості: від 30 до 90%, лінійність у цьому діапазоні 5%.

Термісторні датчики вологості

У схемі рис.32 у вимірювальний міст включені два однакові термістори Rt1 та Rt2, що прогріваються струмом від джерела +U.

Рис.3 Термісторний датчик вологості

Різниця між ними у тому, що один з них поміщений у скляну оболонку, а другий – ні. Чим більша вологість, тим більше охолоджується термістор, що не знаходиться у скляній оболонці, тим більше розбаланс мосту, що підсилюється операційним підсилювачем ОП. Тому напруга на виході прямо пропорційна вологості. Перевага такої схеми – у незалежності від температури, бо опори термісторів від температури змінюються однаково.

5. Датчики газу

Датчики газу поділяються на:

-   детектори вибухонебезпечних газів;

-   детектори токсичних газів;

-   детектори вентиляції автомобіля (пари бензину);

-   детектори органічних розчинників;

-   детектори фреону;

-   детектори вуглекислого газу;

-   детектори концентрації кисню тощо.

Принцип дії датчика на основі оксиду олова оснований на зміні електропровідності напівпровідникової плівки внаслідок абсорбції газу на її поверхні. Побудова датчика показана на рис.33.

Рис.33. Побудова датчика газу

1 – керамічна трубка тримача; 2 – резистивний нагрівач; 3 – електрод; 4 – затиски; 5 – легований оксид олова.

На трубку з оксиду алюмінію нанесений тонкий шар оксиду олова (SnO₂), що легований деякими металами (платина, мідь, нікель, паладій), кожний з яких підвищує чутливість до конкретного газу. При нагріванні до 400°С за допомогою нагрівача на поверхні оксиду олова має місце адсорбція кисню, яка залежить від газу домішки. Тому змінюється електрична провідність датчика. Такий датчик включають у резистивний міст по схемі рис.34. Щоб компенсувати температурну залежність датчика, у такий міст включають також термістор Rt.

Рис.34. Схема включення датчика газу

6. Датчики струму

Звичайно у приладах у якості датчика струму використовують резистор з малим опором і вимірюють падіння напруги на такому резисторі. Але коли струм дуже великий доводиться використовувати дуже малі опори, які важко калібрувати. Вище вже згадувалось, що у якості датчика струму можна використовувати датчик Хола, який є безконтактним датчиком і не вносить похибок у вимірювальне коло. Приклад використання такого датчика показаний на рис.35.

Рис.35 Схема датчика струму

7. Інтерфейси датчиків

Існує велика кількість датчиків з різними вихідними характеристиками. Для сполучення датчиків з аналого-цифровими перетворювачами та іншими вимірювальними засобами потрібні інтерфейси. Це підсилювачі з різними вхідними можливостями. На рис.36 показані чотири типи таких підсилювачів.

Рис.36. Чотири типи підсилювачів датчиків

Інтерфейс першого типу призначений для однополярних датчиків, з досить значною напругою на виході. Якщо така напруга мала (на рівні мілівольт), ця схема непридатна.

Інтерфейс другого типу призначений для двополярних датчиків, дві напруги яких перетворюються у одну вихідну напругу.

Інтерфейс третього типу призначений для „плаваючих” датчиків, у яких напруга не пов’язана з зовнішніми колами (оптоелектронний зв’язок). Інтерфейс четвертого типу – теж саме, але для двополярних датчиків.