Датчик температуры

1.  Датчик температуры.

Одним из вариантов датчика может быть датчик, на основе термотранзистора MTS105 фирмы Motorolla. При фиксированном токе коллектора напряжение база – эмиттер транзистора линейным образом зависит от температуры. Эта зависимость имеет линейный вид и представлена на рис. 5.8.

Рис. 6.8. Температурная зависимость напряжения база- эмиттер для транзистора MTS105 фирмы Motorolla.

Сам термометр с использованием в качестве датчика транзистора MTS105 представлен на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Датчик температуры на базе MTS105

Резистор R1 определяет коллекторный ток транзисторного датчика. Этот резистор должен обладать высокой стабильностью и низким температурным коэффициентом сопротивления (например, металлопленочный резистор).

Получаем величину постоянного коллекторного тока:

I_k = Uп / R1 = 15В / 150кОм = 0,1 мА

Операционные усилители ОУ1 и ОУ2 должны иметь малый дрейф. На выходе ОУ1 будет действовать напряжение -V_BE. Это напряжение усиливается ОУ2. С помощью потенциометра R4 регулируется коэффициент усиления этого ОУ для поддержания выходного сигнала в пределах границ насыщения.

Получаем коэффициент усиления:

K_ОУ2 = R_ос / R_вх = R4 / R3 = 10 кОм / 1,2 кОм

Потенциометр R2 позволяет откалибровать выходной сигнал к v₀=0 при T=0 ⁰C. Если же калибровка осуществляется программно, то этот потенциометр не нужен. Элементы R5 и С предотвращают самовозбуждение схемы. Напряжение питания +15В должно быть очень стабильным.

Для калибровки транзисторный датчик погружается в ледяную ванну, и с помощью потенциометра R2 устанавливается напряжение

v₀=0, что соответствует индикации температуры в градусах Цельсия. Точность этого термометра ±0,01⁰C в интервале температур от –50 до +125⁰C. Потенциометр R4 – регулятор усиления схемы (величины выходного напряжения). Калибровка в тройной точке воды и использование прецизионной схемы обеспечивают точность ±0,01⁰C с учетом нелинейности и долговременной нестабильности.

Вторым вариантом датчика температуры может быть датчик построенный на терморезисторах (ТР), элементах у которых электрическое сопротивление меняется при изменении температуры. В зависимости от того, возрастает или понижается сопротивление датчика при повышении температуры, различают полупроводниковые датчики соответственно с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления ТКС. Металлические датчики температуры из никеля или платины всегда обладают положительным ТКС.

Величина сопротивления ТР с отрицательным ТКС в рабочем диапазоне температур изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону:

R=Ae^в/т

где А, В-постоянные; Т-абсолютная температура, К.

Для практических расчетов величины сопротивления ТР при различных температурах окружающей среды можно пользоваться формулой:

где R_T2 и R_T1 - сопротивления ТР при температурах Т₂ и Т₁ соответственно.

Величину постоянной В определяет экспериментально измерением сопротивления R при температурах Т₂ и Т₁. При этом используют зависимость:

При измерениях R_T2 и R_T1 терморезистор необходимо помещать в ультратермостат. Температуры Т₂ и Т₁ должны поддерживаться и измеряться с точностью не ниже 0.05 °С .

Температурный коэффициент сопротивления ТР в рабочем диапазоне температур изменяется по зависимости:

Для точного измерения температуры в диапазоне от –200 °С до +85 °С чаще всего применяются датчики температуры из никеля и платины. Электрическое сопротивление металлических проводников изменяется согласно уравнению:

где R₀ –сопротивление при 0 °С (273 К),

R₁ - сопротивление при T₁,

a - температурный коэффициент равный для Pt 3.9*10^-3 K^-1 и Ni 5.39*10^-3 K^-1.

Сопротивление при 0 °С в большинстве случаев выбирается равным 100 Ом. В таких случаях ТР обозначают Pt-100 или Ni-100.

Высокое электрическое сопротивление ТР позволяет пренебрегать сопротивлением подводящих проводов, контактным сопротивлением и ЭДС, что дает возможность измерять температуру на расстоянии в несколько км от точки измерения. Во всех случаях использования ТР для измерения температуры необходимо ограничить ток, проходящий через чувствительный элемент, чтобы не допустить изменения его сопротивления из-за самонагревания.

ТР включают в основном в мостовые схемы, простейшей разновидностью которой является измерительный мост (или мост Уитсона) (см. рис 5.10).

2

1

Если сопротивление сравнения Rv установить таким образом, что измерительный прибор G будет показывать отсутствие тока, то оказывается справедливым равенство Rv = R_th, поскольку верхние параллельные сопротивления равны между собой. Преимущество такого способа измерения заключается в независимости результатов от напряжения питания. Для технических измерений, когда нужно иметь непосредственные показания температуры, сопротивление Rv можно принять постоянным, а показания прибора прокалибровать.

В случае измерения напряжения оно получается равным

При этом нужно использовать высокоомный вольтметр, так как между точками 1 и 2 не должен протекать ток. Если применяется низкоомный амперметр, то между точками 1 и 2 возникает ток короткого замыкания, определяемый выражением

где I_S - ток питания.

Практически применимая схема показана на рис.5.11.

Рис.5.11. Принципиальная схема прибора для измерения температуры

Измерительный ток I_S должен быть очень мал. чтобы не вызывать нагревание резистора R_th, которое может привести к ошибкам измерения. Эта так называемая погрешность самонагрева зависит от подводимой электрической мощности (Р =I²R), величины отводимого тепла и приборной постоянной ЕК, называемой коэффициентом самонагрева. Обусловленное самонагревом повышение температуры можно рассчитать по формуле

где Т₁ и Т₂ - значение температуры при наличии и отсутствии измерительного тока I_S , Р - подводимая к измерительному сопротивлению мощность (в милливаттах), ЕК - коэффициент самонагрева (м Вт/°С).

Обычно величину ЕК как характеристику датчика указывают для измерений в воде и воздухе.

Пример:

При измерении температуры воздуха датчиком типа W60/24 применена схема рис. 5.11.

При 0°С имеем R₁ = R₂ = R_V⁼ R_th=100 Ом.

Коэффициент ЕК для Pt - 100 (W60/24) равен 4 мВт / °С. При необходимости измерения с погрешностью не более 0.25°С через датчик должен протекать измерительный ток, равный лишь

.

Следовательно, ток I_S должен быть равен 6 мА. а соответствующее ему добавочное сопротивление

Сигналы измерительного моста с помощью мостикового усилителя тока преобразуются в напряжение. При этом сопротивления R₃ и R₄ должны быть выполнены в виде 0.1 %-ных металлопленочных резисторов. В зависимости от типа датчика R₃ и R₄ находятся в диапазоне от 1 до 50 кОм. Калибровка измерительной схемы осуществляется с помощью потенциометра R₇ во втором, неинвертирующем каскаде усилителя. Коэффициент усиления этого каскада определяется сопротивлениями R₅, R₆, R₇. При R₅ = R₇ = 1 МОм и R₆ = 100 кОм измерительный сигнал можно усилить еще примерно в десять раз. Резистор R₈, и конденсатор С₁ формируют RC - цепочку для фильтрации и демпфирования сигнала. Типичными параметрами являются R₈ = 10 кОм и С₁ = 4.7 мкФ.

Настройка схемы осуществляется следующим образом.

1. Определить R^* по заданному ЕК.

2. Впаять R^* и проверить I_S путем измерения падения напряжения на R^*.

3. Погрузить датчик температуры R_th в ванну с тающим льдом.

4. Регулирующим потенциометром R_V установить напряжение на нуль.

5. Датчик температуры R_th погрузить в ванну с кипящей водой.

6. Регулирующим потенциометром R₇ установить выходное напряжение на 1В.

Если чувствительность недостаточна, то сопротивление R_3, R₄ следует увеличить. При слишком высокой чувствительности эти сопротивления следует уменьшить. В качестве R_th можно применять любые, выпускаемые промышленностью, терморезисторы типа Rt-100.