ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ 1 Физика термодинамических эффектов Температура

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ 1

Физика термодинамических эффектов Температура – величина, характеризующая уровень внутренней энергии. Термодинамическая температура – в равновесном состоянии кинетической энергии и соударений. Уравнения Клайперона – связь давления, объёма и температуры газа Найквиста – связь теплового шума резистора с температурой, полосой частот и электрическим сопротивлением; Планка – тепловое излучение абсолютно чёрного тела с длиной волны; Скорости распространения ультразвука в газе и твердом теле Варианты шкалы температур: Абсолютная термодинамическая Кельвина, К Реперные точки: таянья льда; кипения воды; абсолютный нуль; тройная точка воды – равновесие газовой, жидкой и твёрдой фаз, ТТВ = 273, 16 К; практическая шкала затвердевание золота 1337, 58 К; кипения неона 27, 1 К, … Цельсия: Фаренгейта Реомюра о. С = 1, 25 o. R; o. C = o. F 0 -273, 15 = о. С… 100 0, 556(о. F о. С; -32) = K; 2

Типы датчиков температуры в РЭС Тип датчика Диапазон температур, о С Погрешность измерения, о. С Особенности Терморезистивный металлический -250. . +850 0, 1… 0, 5 Терморезистивный тонкоплёночный -60…+350 0, 2… 0, 5% Терморезистивный полупроводниковый -100…+400 0, 1… 1 % от диапазона Высокая чувствительность; , нелинейная шкала Термоэлектрический 0. . +2500; -200…+2500 0, 5… 2, 5 Дешевизна; , необходим «холодный спай» , большая тепловая инерционность Пирометрический +100. . +5000 5…+75 Большой диапазон измеряемых температур; , дистанционное измерение Высокая точность Малые размеры, малая инерция 3

Терморезисторы А – металлы: платина, медь, никель, вольфрам, платинородий, …); NTC Б – порошковые окислы Mn, Fe, Ni, Ti, сопротивление от 2 к. Ом… 40 МОм Б – полупроводниковые NTC; позисторы PTC При окружающей температуре +20 о. С: Алюминий ТКС = -0, 0043 1/K, Медь ТКС = -0, 0038 1/K, -260…+1000 о. С Нихром ТКС = -0, 0025 1/K Платина ТКС = 0, 00391 1/К; термо. ЭДС с медью 7, 5 мк. В/ о. С; удельное сопротивление 0, 105 Ом мм 2/м Металлоплёночные терморезисторы : Ni-Fe (пермаллой); никель – кобальт; висмут на подложке Si. O –Al 2 O 3; корунд, стекло, керамика; напыление в вакууме. Узкий температурный интервал -50…+150 о. С; -100… 0 о. С 4

Платиновый терморезистор Эталонные свойства, линейная шкала, широкий диапазон температур Мостовой преобразователь сопротивления в напряжение и код 5

Полупроводниковый терморезистор 6

ПОЗИСТОР (ТКС > 0) А) предохранитель с порогом внешней температуры; Б) ограничитель тока за счёт самонагрева Керамика из титаната бария Ba. Ti. O 3; Примеси редкоземельных металлов – ниобий, лантан, церий Удельное сопротивление 1012 Ом см 7

Термодатчик с АЦП Maxim Integrated 5 -выводный корпус 2 1, 25 0, 95 мм на плате с измеряемой температурой Электропитание +2, 7… 5, 5 В и ток 10 мк. А. , датчику и 100 м. А АЦП Погрешность менее 3, 8 о. С и крутизна 11, 9 м. В/o. C Инерция не более 1, 5 с. АЦП 8 разрядов, сигнал Готов; последовательный интерфейс; Тактирование 400 к. Гц. 8

ДИСКРИМИНАТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОСТАТА DS 600 от MAXIM-IC - Dallas Semiconductor 8 -выводной корпус 3 3 1 мм высокая линейность шкалы от -40 до +125 о. С с крутизной 6, 45 м. В/о. С. Встроен аналоговый компаратор погрешность до 0, 2 о. С и постоянная времени до 20 мс. . термостат с задаваемым пользователем порогом Ток потребления 140 мк. А в рабочем и 2, 5 мк. А в дежурном режиме. 9

Конструкции термодатчиков тонкоплёночный платиновый термодатчик серии М модели М 416 от Heraeus Sensor Technology USA, -70…+500 о. С, R 0 = 100 Ом при 0 о. С; ТКС = 3850 ppm/K; ударостойкость 100 g; при потоке воздуха 2 м/с постоянная времени 2, 5 с; погрешность 0, 12 %. Размеры 1, 4 0, 6 2, 2 мм (типоразмер 0805) 10

11

Термоэлектрический преобразователь Термопара Металл Eтп, мк. В Копель -4, 00 Олово +0, 44 Вольфрам +1, 12 Константан -3, 40 Медь +0, 76 Никель-хром +2, 81 Никель -1, 48 Золото +0, 78 Хромель +2, 96 Термо. ЭДС относительно платины при 100 о. С и опорной температуре 0 о. С Ni. Cr +20 м. В/600 о. С; Сu +20 м. В/1000 о. С; Ni. Cu -30 м. В/700 о. С; 12

Термоэлектродные кабели для изготовления термопар и удлинения компенсационных проводов: а - модель ПТВТ от elkab 66. pulsen. ru, б – модель КММ-С 2 от elport. ru 13

Типовая зависимость Термо. ЭДС спая хромеля с алюмелем 14

РАДИАЦИОННЫЙ ПИРОМЕТР Показания пирометра не зависят от дистанции: при увеличении расстояния до объекта L увеличивается площадь пятна визирования S = L 2 и одновременно уменьшается поверхностная плотность теплового излучения измеряемого объекта обратно пропорционально квадрату расстояния L. 15

МЭМС - пирометр Сверхбыстродействующий МЭМС датчик излучения инфракрасного (ИК) диапазона. Модель D 6 T фирмы Omron Corporation. чувствительный элемент -горячий спай пленок алюминия и поликремния n+ и n- типов на лёгкой диэлектрической мембране из нитрида кремния Si. N, создают термо. ЭДС с малой постоянной времени. Холодные спаи выполнены из сплава хрома с золотом на подложке из двуокиси кремния Si. O 2 и имеют постоянную температуру корпуса. Матрица до 16 16 таких датчиков. Через линзу поступает ИК-излучение из пространственного сектора 45 о, а электронная схема размером 18 14 9 мм, по протоколу RS 485, различает изменение температуры от одного датчика к другому с погрешностью до 0, 14 о. С в интервале внешней температуры от +5 о. Сдо +50 о. С. Обнаруживает отсутствие человека (например, пациента) в зоне контроля; присутствие в зоне контроля неподвижного человека или другого теплого объекта на расстоянии до 6 м; Движение объекта со скоростью более 1 м/c; повышение температуры электропроводки в качестве предвозвестника пожара; Возникновение необычных ситуаций, с локальным повышением или понижением температуры. 16

Тепловизоры Выбор интервала длин волн ИК-диапазона (1… 1, 7 мкм, 3– 5, 5 мкм или 8– 14 мкм), соответствуют окнам прозрачности атмосферы и максимальной излучательной способности наблюдаемых объектов в диапазоне температур -50…+500 °С. Постоянная времени единичного измерения в пирометре от 2 до 500 мс. Тепловизионная пирокамера Ti 30 фирмы Raytek формирует изображение с помощью матричного детектора со 120´ 160 термическими элементами при погрешности ± 2% в диапазоне температур -10…+250 °C. Камера имеет встроенную память, способную хранить до 100 изображении , и порт USB для передачи данных на компьютер. На расстоянии 8 м диаметр визируемои зоны для модели Ti 30 составляет 10 см, Показатель визирования (отношение диаметра визируемого пятна к расстоянию между прибором и объектом контроля) равен 1: 80. 17

18

Акустические термометры Зависимость скорости распространения поверхностных ультразвуковых волн в пьезоэлементе от температуры. Фазометрическая схема на ПАВ: электроакустический преобразователь, возбуждаемый генератором непрерывных колебаний гармонической формы с фиксированной частотой 40… 60 к. Гц. Ультразвук распространяется в среде, температуру которой необходимо измерить, а в качестве приёмника используется пьезодатчик, преобразующий задержанное в среде колебание в электрический сигнал. Термозависимый сдвиг фазы По автогенераторной схеме на поверхности пьезокристалла, температура которого подлежит измерению, электрохимическим травлением формируются передающий и приёмный встречноштыревые акустоэлектронные преобразователи, а в цепи обратной связи – усилитель. Термочувствительность от 20 Гц/K до 2 к. Гц/K в диапазоне измеряемых температур от -80 до 200 о. С, а абсолютная погрешность измерения температуры составляет сотые доли градуса. Термодатчики различных модификаций и конструкций производят ОАО «НИИФИ» (г. Пенза); Turck, ; Maxim Integrated, ; IFM Electronic; Gefran; Honeywell; Omron; Datalogic-Datasensor; Microchip; ON Semiconductor; Texas Instruments и др. Кварцевый генератор с термочувствительным 19 резонатором

Датчики физических величин для РЭА 20

21

22

23

24

ТЕРМОХРОН (датчик-накопитель результатов измерения температур) производства компании MAXIM • Запись до 2048 значений температуры через отрезки времени от 1 до 255 минут; • Гистограмма результатов; • Выход за допуски (время, продолжительность); • Часы реального времени 2 минуты в месяц; • Диапазон температур от -10 до +85 град. Цельсия с погрешностью от 0, 5 до 0, 125 градусов; • 512 кбайт энергонезависимой памяти (Non Volatile Random Access Memory) для чтения и записи; • Интерфейс обмена 1 -Wire со скоростью 125 кбит/c 25

26

27