ТЕПЛОВЫЕ МИП 1 Особенности измерения температуры в биологии

ТЕПЛОВЫЕ МИП 1. Особенности измерения температуры в биологии и медицине 2. Методы измерения температуры 3. Принцип действия тепловых МИП 4. Характеристики, определяющие качество тепловых МИП 5. Металлические термометры сопротивления 6. Термисторы 7. Термоэлектрические преобразователи 8. Термометры на p-n переходах 9. Интегральные датчики температуры 10. Z-термисторы

Особенности измерения температуры в биологии и медицине Различают температуру ядра (сердцевины) тела и поверхности кожи. Температура поверхности зависит от условий окружающей среды: температуры и влажности воздуха, одежды, волосяного покрова, кровоснабжение кожи и т. д. Температура ядра тела является более достоверным показателем терморегуляции организма. Для оценки температуры ядра тела измерения проводят в мышцах и отдельных органах, ректальную, в полости рта, в подмышечной впадине, в паху. Используемые в медицинской практике ртутные термометры обладают рядом недостатков (хрупкость, токсичность, большое время измерения, плохо видно отсчет), что требует их замены на более современные портативные электронные цифровые термометры.

Методы измерения температуры • • Контактные методы измерения температуры (с передачей тепла чувствительному элементу) делятся на следующие группы: Механические (дилатометрические и биметаллические); Жидкостные; Электрические (металлические термометры сопротивления, полупроводниковые термисторы, термоэлектрические, на основе изменения свойств p-n переходов); Кварцевые термометры (частота резонатора Fр=f(t°); Ультразвуковые термометры (скорость ультразвука v=f(t°)); Джонсоновский шумовой термометр; На основе ядерного квадрупольного резонанса; Индукционный термометр. • Бесконтактные термометры (пирометры) измеряют температуру тел по их излучению.

Принцип действия тепловых МИП основан на использовании температурных процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена). Тепловые преобразователи применяются не только для измерения температуры, но и других физических величин: теплового потока, скорости потока газа или жидкости, расхода газа или жидкости, химического состава, давления газов, влажности, уровня и др. Температура, как параметр теплового процесса, не поддается непосредственному измерению, в то же время она является функцией состояния вещества и непосредственно связана с внутренней энергией, а через нее – с рядом других параметров. Изменение физических свойств тел, при изменении температуры, широко используется для ее измерения.

Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что вся теплота, поступающая к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания. Следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным, то количество поступающей теплоты в единицу времени равно количеству отдаваемой теплоты: где m – масса, с – удельная теплоемкость, θ– температура ИП.

Теплота, поступающая к МИП является суммой количества теплоты, которая создается в результате выделения в нем электрической мощности Qэ, и количества теплоты, которая создается в результате теплообмена Qто. Существуют три способа теплообмена: 1. Теплопроводность где Δθ– тепловая проводимость среды, Rθ – тепловое (термическое) сопротивление среды.

2. Конвекция где ξ– коэффициент теплоотдачи [Вт/м 2 К], S – площадь поверхности тела, Δθ –разность температур. 3. Тепловое излучение где с0 =5, 7 [Вт/м 2 К 4] – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, ε – относительная излучательная способность (степень черноты тела), θ – температура.

Уравнение теплового баланса при неизменном агрегатном состоянии среды и постоянной температуры записывается следующим образом: где qэ – теплота Джоуля - Ленца, q , q– тепловые потоки через ИП и окружающую среду, q конв – тепловой поток за счет конвекции, qту– тепловое излучение.

Характеристики, определяющие качество тепловых МИП 1. Линейность зависимости R(t), R(е), т. е. любое изменение температуры на величину Δt должно давать всегда строго пропорциональное изменение сопротивления или э. д. с. Проволочные и термоэлектрические преобразователи дают самую высокую линейность.

2. Время реакции (постоянная времени τ) характеризует динамические свойства теплового ИП. τ равна времени, необходимому для изменения сопротивления или э. д. с. с одного установившегося значения температуры (t 1) до другого установившегося значения (t 2), если изменение с t 1 до t 2 изменяется скачкообразно. Время реакции зависит от типа ИП, его конструкции, теплопроводности оболочек, массы, площади поверхности, разницы температур. Минимальное время реакции имеют термисторы, на основе которых изготавливают большинство одномоментных термометров. 3. Стабильность параметров (R или e) во времени. Наибольшей стабильностью обладают проволочные (металлические) терморезисторы. • Для одномоментных термометров находят применение полупроводниковые термисторы, для температурного мониторинга – проволочные терморезисторы и термоэлектрические преобразователи.

Металлические термометры сопротивления • При повышении температуры сопротивление проводников (металлов) увеличивается (ТКС положительный), что связано с наличием свободных электронов связи в кристаллической решетке. • Для измерения температуры используются материалы, обладающие высокой стабильностью ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств, инертностью к воздействию окружающей среды. На практике чаще всего используют медь и платину, реже никель, вольфрам и тантал. Для измерения низких температур применяют индий и бронзу с высоким содержанием фосфора.

• В общем случае зависимость R от t для металлов описывается следующим выражением: где R 0 – сопротивление при 0ºС, α – линейные температурные коэффициенты сопротивления. Число членов в формуле зависит от материала, интервала температур, требуемой точности. • Для медного ТР в интервале температур -50… +180 ºС можно записать: где α=4, 26 *10 -3 ºС-1. • Если для него требуется определить сопротивление при некоторой температуре t 2 по известному сопротивлению при t 1, то используют выражение: где t 0 =1/α= -234. 7 °C температура, при которой сопротивление меди должно было бы быть равным нулю.

• Для платинового ТР в интервале температур 0 …+650ºС: где А=3, 96847× 10 -3 °С-1, В= -5, 847× 10 -7 ºС-2. Для него же, но в интервале температур 0 …-200, в функцию преобразования добавляется еще один член где С= -4, 22 × 10 -12 ºС-3.

В некоторых случаях для более точного определения зависимости R от tº находят среднее относительное изменение R в диапазоне от T 1 до T 2, отнесенное к 1ºС (К): [K-1] При метрологических испытаниях температуры T 1 и T 2 соответствуют точкам замерзания (0ºС) и кипения (100ºС) воды, тогда [K-1].

Для ТСП и ТСМ стандарты нормируют: • значения номинальных сопротивлений R 0 при 0ºС – единицы и десятки Ом; • диапазон измеряемых температур (для ТСП – 260… 1100ºС, для ТСМ – 200… 200ºС); • класс точности (допустимое отклонение R 0 от номинального значения).

Конструкции термометров сопротивления (ТС) могут быть различными по исполнению: • намотанный на катушку (катушечный) и заключенный в кремниевый или стеклянный корпус; • напыляемый на керамику металл с последующей лазерной вырезкой образца; • выполненный в виде обмотки, которая противостоит значительным вибрациям в отличие от стекла и керамики.

• ТС имеют простую конструкцию, поэтому существует возможность изготовления датчиков любых форм при сохранении требуемой зависимости сопротивление/температура. • ТС могут иметь 2, 3 или 4 соединительных провода, но для исключения погрешности за счет соединительных проводов необходимо применение по меньшей мере трех проводов. • Для защиты от механических повреждений, вибрации или химического воздействия ТС помещают в различного рода корпуса. Корпуса изготавливают различных диаметров и длин, а также с различными способами крепления. • ТС могут быть различными: поверхностными, ввинчивающимися, вставными, с байонетным соединением или присоединительными проводами. • ТС используются для измерения температуры в жидких и газообразных средах, в климатической, холодильной и нагревательной технике, машиностроении, МБП и т. д.

ТСМ 012 -014, ТСП 012 -014

Внешний вид ТСП

Тип TR 720, TR 730, TR 740, TR 750, TR 760 фирмы WIKA Gmb. H & Co. KG

Самая распространенная конструкция – «свободная от напряжения спираль» (Strain-free). Эта конструкция выпускается многими российскими предприятиями и считается самой надежной. Вариации основного дизайна заключаются в размерах деталей и материалах, используемых для герметизации корпуса ЧЭ. Для различных диапазонов температур используются разные виды глазури.

Функции преобразования платиновых, медных и никелевых терморезисторов

Самый популярный тип термометра – платиновый ТС, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. Стоимость медных терморезисторов в отличие от платиновых ниже, но они окисляются и непригодны для измерения температур выше 200ºС. • • Главные преимущества ТС: широкий диапазон температур, высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость.

Новый стандарт на технические требования к рабочим ТС: ГОСТ Р 8. 625 -2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска ТС, таблицы номинальных статистических характеристик (НСХ) и стандартные зависимости сопротивлениетемпература.

Полупроводниковые термисторы • • • Термистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает или возрастает с ростом температуры. Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Термисторы изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии; их размеры могут варьироваться в пределах от 1— 10 мкм до 1— 2 см. Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния. Термистор был изобретён Самьюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году и имеет патент США.

Различают термисторы низкотемпераурные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170— 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4. 2 К и ниже и при 900 … 1300 К. Наиболее, широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от — 2, 4 до — 8, 4 % К-1 и с номинальным сопротивлением 1 … 106 Ом. Различают термисторы с отрицательным (NTC - Negative Temperature Coefficient) и положительным ТКС (PTC- Pozitive Temperature Coefficient).

NTC термисторы Достоинства: имеют достаточно большой диапазон рабочих температур, возможность удаленного мониторинга, работают в сильных магнитных полях. Недостатки: плохая повторяемость экземпляров, сильная нелинейность температурной характеристики, что в свою очередь усложняет и повышает стоимость всего изделия. Так было до прихода микроконтроллеров, на «плечи» которых и будет возложена конечная задача по линеаризации и математической обработке температурной характеристики.

Основные параметры и характеристика NTC-термисторов • В рабочем диапазоне температур зависимость сопротивления терморезистора от • температуры достаточно описывается выражением: • где R — сопротивление рабочего тела терморезистора при данной температуре Т, Ом; • RN — номинальное сопротивление терморезистора при температуре ТN, Ом; • Т, ТN — температура, К; • В — коэффициент, постоянный для данного экземпляра • терморезистора (паспортные данные).

Любой NTC-терморезистор кроме температурной характеристики описывается рядом параметров. Далее приводятся определения основных параметров. Материал, из которого изготовлен термистор, сохраняет свои свойства при температурах, не выходящих за рамки определенного диапазона, который называют допустимой температурой. При температурах, выходящих за эти пределы, в сенсоре могут произойти необратимые изменения, и он выйдет из строя. Значение коэффициента В определяется материалом датчика и представляет собой наклон характеристики R/T. В уравнении (1) значение коэффициента В определено двумя точками характеристики R/T (RT, T) и (RN, TN), исходя из этого:

Термистор, имея номинальное значение сопротивления при определенной температуре, как и любой резистор, может иметь отклонение ΔR/RN (допуск), обусловленное технологией изготовления. Этот параметр дается производителем на одну точку (обычно 25 °С). Однако когда требуется высокая точность измерений в широком диапазоне температур, допуск может быть указан производителем не на сопротивление, а на температуру в гарантированном диапазоне ΔT. Соответственно, такой термистор будет измерять другие значения температур с тем же самым отклонением (точностью).

Температурный коэффициент α выражает в процентах изменение абсолютной величины сопротивления при изменении температуры на 1°. Вследствие нелинейности температурной характеристики значение температурного коэффициента зависит от величины температуры, поэтому его записывают обычно с индексом, указывающим температуру, при которой имеет место данное значение. Например, α 293 — температурный коэффициент термистора при температуре 293. Вычисляют температурный коэффициент по формуле, вытекающей из его определения и выражения температурной характеристики:

Сопротивление при нулевой мощности измерения — это значение сопротивления термистора, измеренное при определенной температуре под электрической нагрузкой, настолько маленькой, что она практически не оказывает влияния на результат измерения. Если же измерительный ток будет высоким или же сопротивление термистора будет иметь низкое значение, результат измерений будет искажен из явления саморазогрева, что должно быть принято во внимание. Явление саморазогрева зависит не только от электрической нагрузки, но и от теплового коэффициента рассеяния δth и геометрических размеров термистора.

Оно описывается следующим выражением: где P - приложенная электрическая мощность, м. Вт; U - мгновенное значение напряжения на термисторе, В; I - мгновенное значение тока, протекающего через термистор, м. А; Т - мгновенная температура термистора, К; ТА - температура окружающей среды, К; Сth - теплоемкость термистора, м. Дж/К; d. T/dt - изменение температуры во времени, К/с.

Если постоянная электрическая мощность будет приложена к термистору, то его температура сначала незначительно увеличится, но это изменение со временем будет снижаться. А после некоторого временного промежутка будет достигнуто устойчивое состояние, при котором приложенная мощность рассеется за счет эффекта теплопроводности или конвекции. Если принять d. T/dt равным нулю, а U = R×I, где R — сопротивление терморезистора, соответствующее его температуре, то получим:

Полученные формулы являются параметрическим представлением вольтамперной характеристики с зависимостью сопротивления термистора от температуры R(T). Очевидным является и то, что вольт-амперная характеристика зависит от коэффициента рассеяния, который, в свою очередь, зависит от геометрических размеров датчика и среды, в которую он помещен.

• Максимально допустимый ток — ток, при протекании которого через термистор температура последнего равна максимально допустимой. Величина допустимого тока зависит от температуры среды и ее характера. При одинаковой температуре двух сред допустимый ток будет больше в той среде, которая обладает большей теплопроводностью. Соответственно, коэффициент рассеяния, зависящий от параметров среды, определяет максимально допустимую мощность, рассеиваемую датчиком, помещенным в такую среду:

Коэффициент рассеяния определяется как отношение изменения в рассеиваемой энергии к изменению температуры терморезистора. В численном виде выражается в м. Вт/К и служит мерой нагрузки, которая вызывает изменение температуры терморезистора на 1 К в установившемся состоянии окружающей среды:

Для определения коэффициента рассеяния к термистору прикладывают нагрузку, при которой соотношение U/I соответствует значению сопротивления, измеренному при температуре Т = 85 °С: где Т — температура тела термистора, °С; ТА — температура окружающей среды, °С.

Теплоемкость Сth — количество тепла, которое надо сообщить термистору, чтобы повысить температуру рабочего тела на один градус. Величина теплоемкости является функцией температуры, однако при температурах, не превышающих допустимой, можно принять ее постоянной и вычислять по формуле: • где τС — тепловая постоянная времени охлаждения, с.

Постоянная времени τС — время, в течение которого температура рабочего тела при его свободном охлаждении понижается на 63, 2% от первоначальной разности температур рабочего тела и окружающей среды. Как правило, температура, до которой нагревают терморезистор, равна 85 °С, а температура среды, в которую помещают терморезистор для охлаждения, берется равной 25 °С. Соответственно, охлаждение рабочего тела терморезистора происходит тем быстрее, чем меньше его геометрические размеры.

Как и у любого радиоэлемента, материал, из которого изготовлен термистор, подвержен необратимому изменению характеристик (у термисторов это увеличение сопротивления и изменение коэффициента В). Это происходит из-за теплового перенапряжения, приводящего к дефектам кристаллической решетки, окисления незащищенных частей термистора, связанного с повреждением корпуса датчика, или из-за диффузии в контактных поверхностях металлизированного покрытия электродов. При низких температурах эти процессы происходят медленно, но на высоких температурах ускоряются, а со временем снижаются. Поэтому для увеличения временной стабильности параметров и уменьшения влияния изменения характеристик многие производители умышленно подвергают термисторы процессу старения непосредственно после изготовления.

Внешний вид NTC термисторов

PTC термисторы • PTC термисторы (Positive Temperature Coefficient) – полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом резко увеличивают свое сопротивление, когда превышена некоторая характеристическая температура TRef

• Область применения • Защита от бросков тока в автомобильной, промышленной и бытовой электронике (напр. защита моторов компрессоров в холодильникахот стартового тока). • Самовосстанавливающиеся предохранители для защиты электронного оборудования от повреждений при увеличении тока. • Защита телекоммуникационных линий (напр. телефонных), систем освещения (напр. энергосберегающих). • Саморегулирующиеся нагревательные элементы, напр. для нагрева жидкости в омывательном бачке автомобиля. • Схемы размагничивания (degaussing) электронных трубок цветных телевизоров. • Датчики уровня жидкости.

Пример цветовой кодировки РТС термисторов в зависимости от температуры

Вариант применения РТС термисторов

Термоэлектрические преобразователи Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами ( см рис а), причем температуру Q 1 одного места соединения сделать отличной от температуры Q 0 другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников: ЕАВ(Q 1, Q 0) = f(Q 1)-f(Q 0).

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем (ТЭП) или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения – спаями. Термо-ЭДС при небольшом перепаде температур между спаями можно считать пропорциональной разности температур: ЕАВ=SABΔQ.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников значение термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединения находятся при одинаковой температуре, то не возникает никаких паразитных термо-ЭДС.

Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектродов А и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис. б). Значение термо-ЭДС в этом случае определится как Е=ЕАВ(Q 1) + ЕВС(Q 0) + ЕСА(Q 0)=ЕАВ(Q 1) + ЕВА(Q 0)=ЕАВ(Q 1) – ЕАВ(Q 0), так как если два любых проводника А и В имеют по отношению к третьему С термо-ЭДС ЕАС и ЕВС, то термо-ЭДС термопары ЕАВ=ЕАС + ЕСВ.

Можно разорвать также один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник в место разрыва (рис, в). Значение термо-ЭДС в этом случае будет тем же, что и в предыдущем. Действительно, Е=ЕАВ(Q 1) + ЕВС(Q 2) + ЕСВ(Q 2) + ЕВА(Q 0)=ЕАВ(Q 1) – ЕАВ(Q 0). Таким образом, прибор для измерения термо. ЭДС может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, теплота выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и нагревание или охлаждение спая зависит от направления тока через спай. Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разницы потенциалов и в выделении дополнительной тепловой мощности прохождении тока по этому проводнику. Однако, ЭДС Томсона и дополнительная тепловая мощность настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.

Материалы для ТЭП Для сравнения термоэлектрических характеристик материала создана единая платиновая нормаль, по отношению к которой определяются термо-ЭДС других материалов. Значение термо-ЭДС, которое развивается наиболее распространенными термоматериалами с платиной при температуре рабочего спая 100 ºС и температуре свободных концов 0 ºС приведены в таблице. Зависимость термо-ЭДС от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры.

Материал ЭДС, м. В Кремний Хромель Нихром Железо Молибден Вольфрам Манганин Медь Золото Серебро Иридий Родий 44, 8 2, 4 2, 2 1, 8 1, 2 0, 8 0, 76 0, 75 0, 72 0, 65 0, 64 Олово Алюминий Графит Уголь Ртуть Палладий Никель Алюмель Константан Копель Пирит Молибден 0, 42 0, 4 0, 32 0, 3 0 -0, 57 -1, 5 -1, 7 -3, 4 -4, 5 -12, 1 -69 … -104

• • • При конструировании ТЭП, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой – отрицательную термо-ЭДС. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д. ). Требования к материалам ТЭП: Постоянство термоэлектрических свойств. Линейная зависимость Ет(Q). Большая величина модуля термо-ЭДС. Устойчивость к измеряемой температуре и среде. Небольшой ТКС и высокая электропроводность.

Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар

Тип термопары Обозначение Материал термоэлектрода + Материал термоэлектрода - Коэффициент термо. ЭДС, мкв/°С (в диапазоне t, °С) Диапазон рабочих температур, °С 50 -64 (0 -800) -200 … +750 ТЖК J Железо (Fe) Сплав константен (45% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) ТХА К Сплав хромель (90, 5% Ni +9, 5% Сr) Сплав алюмель 35 -42 (0 -1300) (94, 5% Ni + 5, 5% Al, Si, Mn, Co) -200 … +1200 ТМК Т Медь (Сu) Сплав константан (55% Си + 45% Ni, Mn, Fe) 40 -60 (0 -400) -200 … +350 ТХКн Е Сплав хромель (90, 5% Ni + 9, 5% Сr) Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) 59 -81 (0 -600) -200 …+700 ТХК L Сплав хромель (90, 5% Ni + 9, 5% Сr) Сплав копель (56% Си + 44% Ni} 64 -88 (0 -600) -200 … +600 ТНН N Сплав никросил (83, 49% Ni +13, 7% Сr + 1, 2% Si+ 0, 15% Fe + 0, 05% С + 0, 01% Mg) Сплав нисил (94, 98% Ni + 0, 02% Сr + 4, 2% Si + 0, 15% Fe + 0, 05% С + 0, 05% Mg) 26 -36 (0 -1300) -270 до +1300 ТПП 13 R Сплав платина-родий платина (Pt) (87%Pt + 13%Rh) 10 -14 (600 -1600) 0 … +1300 ТПП 10 S Сплав платина-родий платина (Pt) (87% Pt — 13% Rh) 10 -14 (600 -1600) 0 … +1300

Зависимость температуры от термо-ЭДС выражается полиномом: Т = А 0 + А 1×ЕТ + А 2 × ЕТ 2 + … + Ап × ЕТп Для каждой термопары существует свой набор коэффициентов.

ТЭП относятся к дифференциальным измерителям температуры (измеряют не абсолютную температура, а разницу температур). На сегодняшний день ТЭП получили наибольшее распространение среди датчиков измерения температуры. Достоинства: имеют высокую надежность, стабильность и малое время отклика. низкая стоимость, легкость применения и широкий температурный диапазон. Недостатки: • значительная нелинейность характеристик; • невысокая (хуже чем у ТПС и ИДТ) чувствительность и точность, что важно для прецизионных решений; • выходной сигнал термопары имеет очень малый уровень и требует усиления или применения многоразрядных АЦП.

компенсация холодного спая Самый простой метод - поддержание температуры холодного спая на уровне 0°C. В этом случае Vвых = Vгор, и измерение напряжения дает непосредственную информацию о температуре горячего спая. Раньше этот вариант считался стандартом при использовании термопар, однако сейчас обеспечение такого охлаждения холодного спая зачастую непрактично. Для получения результатов измерения в абсолютных величинах необходимо знать температуру холодного спая. Выходное напряжение термопары должно быть компенсировано с учетом влияния потенциала холодного спая при ненулевой температуре. Это и называется - компенсация холодного спая. Данные о температуре холодного спая можно получить с помощью различных датчиков и устройств. Среди самых распространенных - резистивный температурный преобразователь (РТП), термистор и интегральный датчик температуры (ИДТ). Каждое из этих устройств имеет свои достоинства и недостатки, поэтому применение того или иного датчика определяется условиями конкретной задачи.

ТЭП

Термоэлектрические преобразователи (термопары) ТП 2187

Термоэлектрические преобразователи д. ТПL(ХК)-Ex

Термометры на p-n переходах

Интегральные датчики температуры (ИТД) отличаются от других типов термодатчиков тем, что работают в диапазоне, обычно ограниченном температурой от -55 до 150°С. Часть ИТД имеет указанный диапазон измерения, часть имеет более узкий диапазон, что обусловлено либо используемым типом корпуса, либо сделано для снижения стоимости. Самой главной отличительной особенностью ИТД по сравнению с другими типами датчиков температуры является их богатая функциональность. Интегральный кремниевый датчик температуры включает в себя термочувствительный элемент первичный преобразователь температуры и схему обработки сигнала, выполненные на одном кристалле и заключенные в единый корпус. В отличие от использования термопар, в данном случае отсутствует необходимость разрабатывать схему компенсации холодного спая и схему линеаризации выходного сигнала. Также нет необходимости разрабатывать и применять внешние схемы компараторов или АЦП для преобразования аналоговых сигналов в логические уровни или цифровой код на выходе - все эти функции уже встроены в некоторые серии интегральных датчиков температуры.

• • • Интегральные датчики температуры National Semiconductor можно разделить на пять групп: датчики температуры с аналоговым выходом; датчики температуры с цифровым выходом; термостаты; датчики температуры с выносным диодом; датчики температуры с функциями управления.

ИДТ с аналоговым выходом имеют линейный характер функции выходного напряжения от температуры, причем зависимость может быть как прямая, так и обратная, соответственно знак чувствительности у этих групп разный. ИДТ с выходом по напряжению могут иметь различную градуировку - по шкале Кельвина либо по шкале Цельсия. Датчики LM 135, LM 235, LM 335 имеют выходное напряжение пропорциональное абсолютной температуре с номинальным значением температурного коэффициента составляющим 10 м. В/°К. При этом номинальное выходное напряжение при 0°С составляет 2, 73 В, и 3, 73 В при 100°С. Обычно эти датчики включаются по схеме, представленной на рисунке. Третий вывод позволяет осуществлять подстройку точности, для этого используется подстроечный резистор. Температурная погрешность датчика LM 135 без использования подстроечного резистора в диапазоне температур измерения -55. . . 150°С составляет ± 2, 7°С, а с внешним подстроечным резистором уменьшается до ± 1°С в рамках всего рабочего диапазона.

Датчики LM 35 и LM 45 имеют выходное напряжение, пропорциональное шкале Цельсия (Кт = 10 м. В/°С). При температуре 25°C эти датчики имеют на выходе напряжение 250 м. В, а при 100°С на выходе - 1, 0 В. Эти датчики могут применяться и для измерения отрицательных температур. Для этого используется согласующий резистор, который включается между выходным выводом и отрицательным напряжением. Датчик LM 50 является «однополярным» , потому что он, в отличие от LM 35 и LM 45, может измерять отрицательные температуры без использования смещения. Этот датчик имеет чувствительность 10 м. В/°С и смещение на выходе 500 м. В. Таким образом, на выходе будет 500 м. В при 0°С, 100 м. В при 40°С и 1, 5 В при 100°С. Датчик LM 60 похож на предыдущую рассмотренную модель LM 50, но предназначен для применения в схемах с батарейным питанием порядка 2, 7 В. Значение тока утечки 110 мк. А достаточно мало, что делает его привлекательным для использования в подобных задачах. Чувствительность этого датчика составляет 6, 25 м. В/°С, а смещение выходного напряжения - 424 м. В. В результате выходное напряжение при 0°С составляет 424 м. В, 174 м. В при -40°С и 1, 049 В при 100°С. В линейке есть датчики и с токовым выходом LM 134/LM 234/LM 334 датчики температуры с токовым выходом, пропорциональным абсолютной температуре.

Датчики температуры с цифровым выходом: LM 70, LM 71, LM 73, LM 74, LM 75, LM 76, LM 77, LM 92, LM 95010, LM 95071. Рассмотрим функциональный состав датчика этой группы на примере LM 75. В состав входит непосредственно сам термочувствительный элемент, дельта-сигма АЦП, двухпроводной цифровой последовательный интерфейс I 2 C и регистры управления работой (см. рис. ). Температура измеряется постоянно, и может быть считана в любой момент времени. Существует возможность использования LM 75 в качестве монитора температуры, который следит за ее изменениями и при выходе значения температуры за установленный предел, выдает логический сигнал на выходе - высокий или низкий уровень (знак можно задать). Таким образом, LM 75 может являться ядром при построении системы управления температурой. Данные представляются 9 -битным словом, из них один бит отводится на знак. Таким образом, разрешающая способность составляет 0, 5°С. Погрешность данного датчика в диапазоне температур -25. . . 100°С составляет ± 2°С, а в диапазоне -55. . . 125°С составляет ± 3°С.

Схема электрическая функциональная LM 75

• интегральные термостаты представлена четырьмя сериями: LM 26, LM 27, LM 56 и LM 66. Эти серии, кроме LM 56, имеют заводские установки - величину пороговой температуры, по достижении которой выходной сигнал меняет свое логическое состояние. Рассмотрим подробнее работу термостата LM 56, который позволяет задавать температуру срабатывания. Этот термостат содержит термосенсор (так же, как LM 60), источник опорного напряжения 1, 25 В и два компаратора с предустановленным температурным гистерезисом. Встроенный стабилизатор напряжения обеспечивает работу этого термостата в диапазоне от 2, 7 до 10 В. Потребляемый ток составляет менее 200 мк. А, поэтому данный термостат относится к разряду малопотребляющих. Внутренний термосенсор дает на выходе 6, 2 м. В на градус. Смещение выходного напряжения составляет 395 м. В. Три внешних резистора задают уровни для двух компараторов (см. рисунок ).

Схема электрическая функциональная термостата LM 56

Диаграмма выходных напряжений LM 56

Внешний вид корпусов ИДТ

Z-термисторы