Лекция 3. Состав СПА. Термо и - тензодатчики — КиберПедия 

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...

Лекция 3. Состав СПА. Термо и - тензодатчики



3.1. Термоэлектронные преобразователи (Термопары)

Термоэлектронные преобразователи (термопары) - самые распространенные средства измерительного преобразования температуры в промышленности: имеют: широкий температурный диапазон (-270 … +2500°С), удовлетворительную точностью, низкую цену, высокую взаимозаменяемость и надежность.

ЧЭ состоят из 2-х различных металлических проводов, соединенных (сваркой, пайкой) на одном конце (рабочий конец, горячий спай), предназначенном для измерения температуры.

Рис.3.1. СИ (вход) с термопарным датчиком: а)принцип действия. б) реальная схема .

(Рис. 3.1). Вторые концы термопары (свободные концы, холодный спай) соединены с усилителем напряжения на входе СИ. Между 2-мя несоединенными выводами термопары возникает эдс VХ (Рис.3.1,а), почти линейно зависящее от температуры рабочего спая в достаточно широком диапазоне температур:

Х = Е(Т). (3.1)

Для случая, когда температура свободных концов равна 0 °С (TСj = 0), зависимость (3.1), и обратная зависимость Т = E-1(VХ) для наиболее распространенных типов термопар представлены в ГОСТ Р 8.585 -2001 и используются в микропроцессоре модуля ввода в виде градуировочной таблицы или коэф-тов полинома.

Если температура свободных концов не равна нулю ((TСj 0), место соединения с медными проводниками к СИ также являются источниками термо-эдс VCj, зависящими от температуры: VCj = E(TCj).

По известному правилу промежуточные провода (на Рис.3.1. – из меди) не влияют на результат измерений, если температуры их контактов с термопарой и измерителем напряжения одинаковы. Поэтому измерив температуру контактов подключения термопары к СИ и определив соответствующую ей эдс можно определить температуру рабочего спая из уравнения:

Vx = Е(Т) - E(TCj). (3.2)

Температура является обратной функцией эдс: V = Е(Т),т.е.

Т = E-1(V), (3.3)

иопределяется по таблицам или полиномам ГОСТ Р 8.585-2001. Описанная процедура называется компенсацией температуры холодного спая.

В средствах ввода сигналов термопар (указанные нелинейные зависимости хранятся в ПЗУ микропроцессора и необходимые вычисления выполняются автоматически при указании пользователем типа термопары подключаемой к данному вводу (см. Приложение 3.1.). Температура контактов СИ измеряется специальным встроенным (обычно термисторным) датчиком температуры (Рис. 3.1б). Для обеспечения хорошего теплового контакта и изотермичности соединения термопары с СИ и этим датчиком, соединение выполняют над медной или алюминиевой пластиной с диэлектрической изолирующей прокладкой.



Для подключения термопары к модулю ввода используют специальные термопарные провода из тех же материалов, что и сама термопара или из специальных сплавов, обладающих нужными характеристиками в сравнительно узком температурном диапазоне производственных помещений. Если для этой цели использовать обычные медные провода, то необходим выносной датчик температуры места контакта термопары с этими медными проводами.

Погрешность стандартной аппроксимации составляет ±0,02 … ±0,05°С. Благодаря стандартизации допусков и номинальных характеристик преобразования, термопары являются взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

Термопарные провода рабочего конца можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. При пайке проводов рабочего конца верхний температурный диапазон ограничен температурой плавления припоя. Сварка проводов термопары, создает небольшое по размерам соединение - спай. Он выдерживает более высокую температуру, однако химический состав термопары и структура металла в процессе сварки могут нарушаться, что приводит к увеличению разброса градуировочных характеристик.

Под действием высокой температуры в процессе эксплуатации может произойти уход характеристики термопары от номинальной вследствие окисления и диффузии компонентов окружающей среды в металлы, а также изменения структуры материалов термопары. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары 3-х различных конструкций спаев:

1) открытый,

2) изолированный незаземленный,

3) заземленный.

Термопары с открытым спаем - имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость.

Термопары других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. Изготавливают также микроминиатюрные термопары по тонкопленочной и полупроводниковой технологии для измерений температуры тел малых размеров, в частности поверхности полупроводниковых приборов. Такая термопара с диаметром рабочего спая 1 мкм имеет постоянную времени 1мкС.



При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. При попадании жидкости внутрь термопары возникает гальванический эффект и погрешность измерения также возрастает.

Погрешность измерений. Основная проблема - малое выходное напряжение термопары (около 50 мкВ / ºС). Оно гораздо меньше помех, наведенных на элементах измерительной цепи в обычных условиях. Поэтому очень важно правильно выполнить экранирование и заземление проводов, идущих от термопары к вводу СИ.

Средство ввода желательно помещать по возможности ближе к термопаре, чтобы уменьшить длину проводов, по которым передается аналоговый сигнал и на которые наводятся различные помехи. Для снижения уровня помех с частотой 50 Гц в средствах ввода используют режекторный фильтр, не пропускающий колебания вблизи этой частоты (частоты режекции). Это приводит к подавлению помехи нормального вида (источник помехи включен последовательно с источником сигнала) до 120дБ, и помехи общего вида (источник помехи включен между закороченными входами и землей) до 140дБ.

Важным достоинством термопар является очень низкое внутреннее сопротивление, что делает их практически нечувствительными к емкостным наводкам.

Точность термопары зависит от точности химического состава материала. Внешние факторы, такие, как давление, коррозия, радиация, могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала, что приводит к росту погрешности измерений.

Состав погрешности измерений с помощью термопар:

· случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом характеристик термопары (Приложение 3.1.). Зависит от чистоты материалов и точности состава их содержания в материалах электродов;

· случайная погрешность измерения температуры холодного спая;

· погрешность, вызванная постепенной деградацией характеристик при высокой температуре;

· систематическая погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);

· динамическая погрешность;

· систематическая погрешность компенсации нелинейности (погрешность линеаризации) характеристики преобразования температуры в напряжение;

· погрешность аналого-цифрового канала,

· погрешность, вызванная внешними помехами.

Первые 4 вида погрешности являются инструментальными и указываются в паспорте на датчик, следующие 2- указываются в паспорте на средство ввода. Последняя зависит от типа используемых термопар, электромагнитной обстановки, характеристик объекта измерения и т.п должна учитываться отдельно.

3.2. Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы)

Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы, резистивные термопреобразователи, термометры сопротивления) - вторые по распространенности в промышленных СИ температуры после термопар. Принцип их действия основан на зависимости электросопротивления металла (по ГОСТ 6651-94 используется медь, платина и никель) или полупроводников от температуры.

Эта зависимость R(t) в узком диапазоне температур приближенно можно считать линейной:

R(t) = R0(1 + αt), (3.4)

где R0 - сопротивление при температуре t = 0°С, α - температурный коэф-т сопротивления.

Нормируемыми параметрами металлических термопреобразователей являются сопротивление R100 при 100°С и отношение W100 = R100/R0,. При этом:

α = (W100 -1)/100 (3.5)

Преимущество металлических датчиков - высокая линейность и взаимозаменяемость, достигаемая благодаря малому технологическому разбросу сопротивлений датчиков (от ±0,15 % при температуре 0 °С для медных датчиков класса «А» до ±0,5 % для датчиков класса «С» по ГОСТ 6651-94). Разброс сопротивлений увеличивается с ростом температуры.

В широком диапазоне температур линейная зависимость дает слишком большую погрешность, поэтому ГОСТ 6651-94 устанавливает для термопреобразователей сопротивления табличную или полиномиальную аппроксимацию экспериментально полученной зависимости сопротивления от температуры, что позволяет исключить систематическую составляющую погрешности нелинейности из результата измерений. Эта процедура обычно выполняется в средстве ввода СИ.

После исключения систематической составляющей погрешности остается случайная составляющая, обусловленная технологическим разбросом сопротивления датчика при 0°С и разбросом его температурного коэф-та сопротивления. Она вносит основной вклад в результат измерения температуры и нормируется для 3-х классов допуска: А, В и С (Приложение 3.2).

Источником погрешности является также электротермический эффект, при соединении никелевых или медных термопреобразователей с медными проводами. Обычно он не превышает 20мкВ. Для уменьшения этого эффекта используют среднее значение 2-х измерений при противоположных направлениях тока или измерения на переменном токе.

Терморезистор состоит из термочувствительного элемента (сенсора) и защитной оболочки. Сенсор может быть изготовлен в виде катушки с бифилярной намоткой (безиндуктивная намотка сдвоенным проводом) или проводникового слоя металла, нанесенного на диэлектрическое основание.

Погрешность термического шунтирования - методическая погрешность перераспределения теплоты между объектом измерений с малой теплоемкостью и датчиком

Стабильность - неизменность показаний с течением времени.

Для уменьшения погрешности термического шунтирования следует правильно выбирать размер (теплоемкость) датчика или учитывать эту погрешность расчетным путем.

Для малоразмерных датчиков существенную роль играет величина измерительного тока Iех(ех - от excitation - возбуждение). Мощность Iех2 * R(t), выделяемая при прохождении измерительного тока через датчик с сопротивлением R(t), преобразуется в тепло, вызывающее саморазогрев датчика. Для уменьшения этого эффекта следует снижать величину измерительного тока, однако это приводит к уменьшению отношения сигнал / шум и увеличению случайной составляющей погрешности измерений. Лучшие результаты дает измерение с помощью импульса, длительность которого выбирается из условия минимизации энергии, поступающей в резистор за время измерения.

Медные датчики изготавливаются с W100 = 1,4260 и W100= 1,4280, платиновые - с W100= 1,3850 и W100 = 1,3910, никелевые – с W100= 1,6170. Медные датчики используются в диапазоне -200 … +200°С, платиновые - в диапазоне -260 … +850°С, никелевые - -60 … +180°С.

Параметр W100 и класс допуска указываются в маркировке датчика. Сопротивление R0и вид используемого материалауказывается в его обозначении (например, ТСМ 50 - термопреобразователь сопротивления медный, 50 Ом),

Никелевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность, платиновые - высокую стабильность, медные - низкую цену и наилучшую линейность зависимости сопротивления от температуры.

В отличие от металлических термопреобразователей полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют столь большой разброс параметров, включая линейность, что, как правило, требуют индивидуальной градуировки и не обеспечивают взаимозаменяемости. Их достоинством являются малые размеры, низкая стоимость и высокая чувствительность к изменению температуры.

Для измерения температуры с помощью термосопротивлений необходимо измерять величину омического сопротивления датчика, включенного последовательно с сопротивлением подводящих проводов. В ПА используются 3 варианта схем измерений: 2-, 3-, 4-проводная.

2-проводная схема измерений. Использует косвенный метод измерений напряжения (Рис. 2.2а) на сопротивлении Vx, вызванное протекающим калиброванным током возбуждения Iех. Реже задается калиброванное напряжение Vx и измеряется ток Iех. Используется также вариант одновременного измерения тока и напряжения при использовании некалиброванных источников измерительных сигналов. Во всех случаях по закону Ома:

Rx = Vx / Iех (3.6)

Поскольку сопротивление металлических датчиков мало, то большую погрешность в результат измерения вносят сопротивления проводов R(Рис.3.2а). Поэтому 2-проводная схема измерений используется, когда R малы, например не превышают 0,1 % от сопротивления датчика R0 (т.е. для медного датчика ТСМ50 с R0 = 50Ом сопротивление проводов должно быть не более 0,05Ом и при использовании проводов сечением 0,35 мм2 с погонным сопротивлением 0,049Ом/м длина пары таких проводов не должна превышать 0,5м).

а) б)
Рис.3.2. 2-проводная (а) и 4-проводная (б) схемы измерения удаленного сопротивления

Поскольку рассматриваемая погрешность является систематической, ее можно исключить из результата измерений несколькими способами. Если измерения выполняются при заранее известном сопротивлении проводов Rпр, то величину измеренного сопротивления нужно уменьшить на Rпр. Для более точного исключения этой погрешности нужно учесть зависимость сопротивления проводов от температуры, если известна эта температура.

Относительную погрешность измерения сопротивления по 2-проводной схеме можно получить из основного соотношения с учетом погрешности, вызванной нескомпенсированной составляющей сопротивления проводов ΔRпр:

δх = {(ΔVx/ ΔVx)2 + (ΔIex:/ ΔIex)2 + (ΔRпр / (ΔRпр + Rx))2}0.5 (3.7)

где ΔVx - погрешность измерения напряжения; ΔIex - погрешность задания тока.

Здесь использовано квадратичное суммирование погрешностей, поскольку все они независимы и случайны. В случае, когда сопротивление проводов не вычитается из результата измерения, ΔRпр = 2Rпри эта погрешность должна учитываться алгебраически.

4-проводная схема измерений. Измерение напряжения (рис. 3.2б) производится непосредственно на выводах термосопротивления Rх. и падение напряжения на сопротивлении проводов Rпр не влияет на результат измерения.

Методическая погрешность отсутствует, а относительная погрешность измерения сопротивления определяется только инструментальной погрешностью измерения напряжения и задания тока:

δх = {(ΔVx/ Vx)2 + (ΔIex/ Iex)2} 0.5 (3.8)

Расстояние от средства ввода до датчика ограничивается только уровнем помех, который растет пропорционально длине проводов.

3-проводная схема измерений. Обеспечивает снижение стоимости кабеля при невысоких требованиях к точности измерений. В средствах ввода используются 3 варианта 3-проводных схем измерения сопротивлений, которые отличаются погрешностью и конструкцией измерительного модуля.

С появлением интегральных АЦП с 2-мя встроенными цифроуправляемыми источниками тока появилась возможность реализовать 3-проводную схему измерений (Рис.3.3а).

Если токи источников тока равны: Iex1 = Iex2 = Iex и равны сопротивления проводов: Rпр1 = Rпр2 =Rпр, а погрешность измерителя напряжения равна нулю, то напряжение Vxмежду выводами измерителя напряжения (Рис.2.3а) составит:

Vx = (V2 + Rх *Iex1 + Rпр1 *Iex1 ) – (V2 + Rпр2 *Iex2) (3.9)

а) б)
Рис.3.3. 3-проводные схемы измерений удаленного сопротивления с двумя (а) и с одним (б) источником тока

Учитывая идентичность токов и сопротивлений:

Vx = (V2 + Rх * Iex + Rпр * Iex ) – (V2 + Rпр * Iex)(3.10)

т.е. падение напряжения на проводах взаимно компенсируются благодаря идентичности измерительных токов и сопротивлений проводов.

Если же токиIex1 и Iex2 заданы со случайной погрешностью ΔIex т.е. Iex1 = Iex1 ± ΔIex1 , Iex2 = Iex2 ± ΔIex2 и сопротивления проводов также имеют технологический разброс Rex1 = Rex1± ΔRex1 , Rex2 = Rex2 ± ΔRex2, а погрешность измерителя напряжения равна ΔV. Тогда из предпоследнего соотношения, пренебрегая составляющими 2-го порядка малости (ΔRпр ΔIex по сравнению с ΔRпр Iex и с Rпр ΔIex ) получим:

Vx = Rх Iex + Rх ΔIex + 2Rпр ΔIex + 2 ΔRпр Iex ΔV(3.11)

Используя правило квадратичного суммирования независимых случайных погрешностей, получаем среднеквадратическую погрешность измерения напряжения:

ΔVx = {(Rх ΔIex )2+ 2 (Rпр ΔIex)2 + 2(ΔRпр Iex )2 + (ΔV)2}0.5 (3.12)

Относительную погрешность измерений в 3-проводной схеме на рис.3.2а, можно рассчитать по (3.8), используя последнее соотношение.

Как следует из (3.8) и (3.10), погрешность пропорциональна сопротивлению (длине) провода Rпр и дисбалансу токов источников измерительного тока. Обе эти составляющие отсутствуют в ранее рассмотренной 4-проводной схеме измерений.

Второй вариант 3-проводной схемы измерений (Рис.3.3б). Компенсация падений напряжения на проводах в ней осуществляется благодаря применению 2-го измерителя напряжения V0. Зная V0 и предполагая, что сопротивления Rпр1 = Rпр2 (сопротивление R2 не вносит погрешность, так как ток через него равен нулю), получим:

Vх - V0 = Iех (Rпр1 + Rх) – Iех Rпр3 = Iех Rх. (3.13)

В этой схеме присутствуют те же источники погрешности, что и в предыдущей, поскольку используется тот же принцип компенсации погрешностей, если учесть, что вместо погрешности задания тока вносится погрешность его измерения.

Третий вариант 3-проводной схемы измерений сопротивлений - мост Уитстона (Рис. 3.4). В отличие от предыдущих схем с косвенным методом измерения, мост используется для прямого измерения методом сличения с эталоном. В процессе измерений он служит индикатором равенства напряжений левого V1 и правого V2 плеч моста:

V1 = Vех (Rх +Rпр )/(Rх + 2Rпр + RЭ) V2 = Vех R2 /(R1 + R2)(3.14)

В состоянии равновесия V1 = V2 и (RЭ + Rх) / (Rх + Rпр ) = R1 / R2,откуда и можно найти Rх.

Важно, что результат измерения не зависит от напряжения Vex, в том числе его стабильности и величины помех в цепях питания моста.

Если мост уравновешен при условии R1 / R2 = 1, то, Rх= Rэ, и сопротивление проводовRпр не влияет на результат измерения.

В средствах аналогового ввода этот метод измерения возможен с помощью цифроуправляемого эталонного резистора однако экономически эффективнее использовать рассмотренные выше схемы с источниками тока.

Современные средства ввода сигналов термосопротивлений используют все 3 схемы измерения сопротивлений: 2-, 3-, 4-проводную, Например NL-4RTD (НИЛ АП) имеет 6 источников тока Iex0+,Iex1,+ Iex2+, Iex0 -,Iex1,- Iex2- (и 4 дифференциальных потенциальных входа (Sence0+, Sence0-, Sence3+, Sence3 -). Это позволяет подключить к нему 4 датчика по 2-проводной схеме, или 4 датчика по 4-проводной схеме, или 3 датчика по 3-проводной схеме измерений (Рис. 3.3б).

Погрешность измерений температуры с помощью термосопротивления включает:

· случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом сопротивлений и температурных коэф-тов датчиков;

· систематическая погрешность, вызванная термоэлектрическим эффектом, когда к платиновому или никелевому датчику подключают обычные медные провода и их соединения имеют разную температуру. Термоэдс возникает также в контактах меди и свинцово-оловянного припоя (величина термоэдс 1...3 мкВ/°С);

· тепловой и фликкер-шум измеряемого сопротивления;

· систематическая погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);

· динамическая погрешность;

· саморазогрев датчика;

· погрешность метода (схемы измерения), зависящая от длины проводов от средства ввода до датчика;

· погрешность измерительного средства ввода.

Погрешность средства ввода нормируется при условии, отсутствия сопротивления проводов до датчика. Поэтому эту составляющую погрешности можно рассчитать по (3.11)) и сложить с погрешностью этого средства, но лучше откалибровать его с подключенными к нему проводами нужной длины.

3.3. Термодатчики. Термисторы.

Термистор (тепловой резистор) – металл-оксидный датчик, имеющий форму капель, стержней, цилиндров, прямоугольных пластин и толстых пленок. Относятся к классу датчиков абс температуры. выпоняется 2-х типов:

· с отрицательным темпер. коэф-том (ОТК) сопротивления,

· с положительным темпер. коэф-том (ПТК) сопротивления.

Терморезистивные хар-ки термисторов (рис.3.5):

Рис.3.5.Температурные хар-ки термисторов: РДТ – метало-резистивный термодатчик (для сравнения) Рис.3.6. Долговременная стабильность термисторов

Для проведения достаточно точных измерений используются только термисторы с ОТК.

Термисторы с ОТК - значение ОТК определяется физическими размерами и удельным сопротивлением материала. Температурная зависимость сопротивления - существенно нелинейна (типовые допуски на номинальные значения серийно выпускаемых изделий при 25°С составляют ~ ±20%). Поэтому для использования с высокой точностью измерений их необходимо индивидуально прокалибровать в широком температурном диапазоне. Прецизионные термисторы, подгоняемые производителем методом шлифовки - имеют значительную стоимость. Поэтому на практике чаще применяется метод индивидуальной калибровки по одной из аппроксимационных моделей.

Изменение температуры термистора из-за саморазогрева в установившемся режиме:

(3.15)

где r - тепловое сопротивление между термистором и окр. средой, V- приложенное постоянное напряжение, S - сопротивление термистора при измеряемой температуре, а N - рабочий цикл измерений (например, N = 0.1 означает, что постоянное напряжение подается только на время 10% от полного времени измерений). При проведении измерений по постоянному току N = 1.

Видно, что для выполнения условий «нулевой мощности», т.е. пренебрежимо малого влияния самиразогрева необходимо, чтобы:

· термистор обладал высоким удельным сопротивлением,

· термистор и объект измерения имели хорошую тепловую связь друг с другом (что должно снизить значение r),

· измерения должны проводиться при небольшом постоянном напряжении, подаваемом в течение коротких промежутков времени.

Все существующие модели термисторов построены на экспериментально доказанном факте, что:

(3.16)

На этой закономерности и построены все 3 наиболее распространенные модели.

Простая модель- для относительно узкого температурного диапазонаи при некоторой потере точности:

(3.17)

где А - константа, а β - характеристическая температура материала (в Кельвинах)

Исполнение термисторов с ОТК. Делятся на 3 основных группы:

Бусинкового типа - могут быть непокрытыми и с защитным слоем из эпоксидной смолы или размещены в металлическом корпусе. Рабочие температуры (до 550°С), самые быстродействующие и наиболее дорогие.

Чип-термисторы с поверхностными контактами для крепления проводников.

Полупроводниковые – из полупроводникового материала, нанесенного на соответствующую подложку из стекла, алюминия, кремния и т.д. В основном, используются в интегрированных датчиках и ИК тепловых датчиках.

Среди термисторов с металлизированными поверхностными контактами наихудшей стабильностью обладают чипы без покрытия. Термисторы с эпоксидным покрытием имеют среднюю стабильность.

Датчики с металлизированным поверхностным контактом используются до 150°С.

Один из источников погрешностей термисторов: старение - для низкокачественных датчиков может составлять ~ 1%/год. (Рисю3.х).

Обеспечение защиты от окружающей среды и температурная подготовка термисторов - надежные методы стабилизации их хар-к. Для проведения температурной тренировки датчики помещаются в камеру ~ +300°С, по крайней мере, на 700 часов.

Для обеспечения лучшей защиты термисторы могут быть размещены в корпусах из нержавеющей стали и залиты эпоксидной смолой.

Термисторы с ПТК. Все металлы относятся к материалам с ПТК, но обладают низкими значениями температурных коэф-тов сопротивления (ТКС). Металлические РДТ также имеют небольшой ПТК. В отличие от них многие керамические материалы в определенном температурном диапазоне обладают довольно значительными ПТК. Обычно их изготавливают на базе поликристаллических керамических материалов, основные компоненты которых (титанат бария или твердые растворы титаната бария и стронция), обладающие высоким удельным сопротивлением, легируются дополнительными примесями для придания им свойств полупроводников.

Видно, что для термисторов с ПТК очень сложно подобрать математическую аппроксимацию, поэтому для них в документации обычно приводятся следующие характеристики:

1) сопротивление при нулевой приложенной мощности, R25. , при которой влияние эффекта саморазогрева незначительно,

2) минимальное сопротивление Rm, при котором термистор меняет знак своего температурного коэф-та (точка т),

3) температура перехода Tt, начиная с которой начинается быстрое изменение сопротивления - приблизительно совпадает с точкой Кюри материала. Значения температуры перехода обычно лежат в интервале - 30...+160°С,

4) ТКС, определяемый как:

(3.18)

Сильно зависит от температуры и часто определяется в точке х (т.е. там, где он обладает максимальным значением). Он может достигать значений 2/°С, что означает 200% изменение сопротивления на 1°С,

5) максимальное напряжение Ет, соответствующее предельно допустимому значению, выдерживаемому термистором,

6) тепловые характеристики: теплоемкость, коэф-т рассеяния δ (определенный для заданных условий связи датчика с окружающей средой) и тепловая постоянная времени (характеризующая быстродействие термистора при определенных условиях).

Для термисторов с ПТК важными факторами являются: температура окружающей среды и эффект саморазогрева. Любой из них влияет на положение рабочей точки термистора.

В отличие от термисторов с ОТК, датчики с ПТК при подключении к идеальным источникам напряжения ведут себя как саморегулирующиеся устройства. Например, нить накаливания раскаленной лампы не перегорает из-за того, что увеличение ее температуры ведет к росту сопротивления, ограничивающего ток. Эффект саморегулирования значителен в термисторах с ПТК.

Термисторы с ПТК обладают максимальной эффективностью при больших значениях Т0 (около 100°С), а при меньших температурах их эффективность (наклон характеристики R(T) в точке х) резко падает. По своей физической природе их предпочтительнее использовать при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды.

Примеры применения термисторов с ПТК:

1. В устройствах защиты электронных схем термисторы с ПТК могут играть роль неразрушаемых предохранителей, реагирующих на токи, значения которых превышают допустимые уровни. Термистор с ПТК, включенный последовательно с источником напряжения Е, подающего в нагрузку ток i (Рис.3.8А). При комнатной температуре термистор обладает очень низким сопротивлением (порядка 10... 140 Ом). Однако при значительном увеличении окружающей температуры или сильном изменении тока нагрузки происходит резкий рост температуры термистора до величины Тτ, по достижении которой его сопротивление начинает расти, что предотвращает дальнейшее увеличение тока. При коротком замыкании в нагрузке Vx = Е, ток i падает до минимального значения, которое будет сохраняться до тех пор, пока сопротивление нагрузки не придет в норму, после чего, термистор восстановит свои исходные характеристики. Однако при этом необходимо выполнение условия Е<0.9Етах, иначе может произойти разрушение термистора.

2. В миниатюрных термостатах с саморазогревом (рис.3.8Б), используемых в микроэлектронике, биомедицине, химических исследованиях и т.д., также используются термисторы с ПТК с соответственно подобранной температурой перехода. Термостат состоит из кюветы, теплоизолированной от окружающей среды и связанной с термистором. Для устранения сухого контакта между термистором и кюветой делают слой из специальной смазки. Выводы термистора подключаются к источнику напряжения,

(3.19)

где δ – коэф-т рассеяния, зависящий от теплоизоляции термистора от окружающей среды, а Та - температура окружающей среды. Рабочая точка термостата определяется физическими свойствами керамического материала (точкой Кюри). Благодаря внутренней тепловой обратной связи, устройство может работать в сравнительно широком диапазоне напряжений и окружающих температур Естественно, что окружающая температура должна быть всегда меньше Тτ.

Рис.3.8. Применение термисторов с ПТК. А - в схемах ограничения тока, Б - в микротермостатах

3.4. .Термопреобразователи полупроводниковые интеллектуальные).

Обычно выполняются по схеме (Рис.3.9).

Рис.3.9. Схема полупроводникового интеллектуального термодатчика Рис.3.10. Зависимость погрешности полупроводникового датчика от температуры

Состав:

1) статическая память,

2) энергонезависимая память,

3) встроенные регистры критической температуры (термостат), программируемые пользователем,

4) блок адресации и управления в-в,

5) ИОН – источник опорного напряжения,

Функции, хар-ки, особенности:

1) устранение главного недостатка измерительных полупроводниковых (п/п) преобразователей (особенно удаленных):

o низкую помехоустойчивость при маломощных сигналах,

o влияние падений напряжений на соединительных проводниках (и, как следствие, гарантированная точность не высока: 1,5 … 2ºС),

2) высокая точность (до 0.5ºС) и малый шаг преобразования (до 0,0625ºС),

3) обмен данными с управляющими устройствами (УСО, контроллеры),

4) возможность создания сети преобразователей с 2-или 3-проводным соединением,

5) 2-позиционное температурное регулирование.

6) малые габариты (Рис.3.12).

Недостаток:

1) имеют полупроводниковый чувствительный элемент:

o узкий рабочий температурный диапазон по условиям выполнения рабочих кристаллов, (-55 +125ºС) из-за характерной высокой нелинейности функциональной характеристики (-30 +110 ºС),

2) требует создания специальных микроконтроллерных УСО.

Интерфейсы обмена данными:

3) SPI/ 3-проводные,

4) I2C

5) 1-Wire (MicroLan).

Пример: DS-1821 (Dallas Semiconductor)

Назначение:термостаты, промышленные установки, потребительские товары, термометры.

Обеспечивает: многоточечное (до 32точек / шина связи) измерение температуры.

Отсутствует потребность:

1) в дополнительном источнике питания,

2) в дополнительных навесных компонентах.

Протокол: 1-Wire.

Рис.3.11. Назначение выводов: DQ-сигнальный, VDD - электропитания , GND- общий, NC – не используемый Рис.3.12 Общий вид и габаритные размеры
Рис.3.13.Структурная схема DS-1821

Состав функциональных микроблоков:

1) Память ROM (создан лазерной технологией), объем 64бит,

2) 1-wire последовательный порт (структурно совмещен с ROM),

3) температурный преобразователь,

4) скратчпад (сверхоперативная память)(объем 9 байт),

5) 2 энергонезависимых тригера 2-позиционной сигнализации (регулирования) по 1 байту,

6) генератор контрольной суммы (CRC),

7) блок управления памятью и логикой,

8) датчик наличия электропитания.

Технические хар-ки:

1) Диапазон температур: -55ºС +125ºС.

2) Основная погрешность: ±1.0ºС (8 разрядов, в диапазоне 0 +85ºС).

3) Разрешение: 1ºС (8 разрядов), расширяемое до 0.0625ºС (12 разрядов) (при 2-байтной посылке).

4) Инерционность: 26ºС/с.

5) Напряжение подаваемое: -0.7 +7.0 В

6) Напр





Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...

Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...





© cyberpedia.su 2017 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав

0.051 с.