Проектування мікропроцесорної метеостанції

дипломная работа

3.1.2 Датчики температури

Датчиками називаються електронні прилади, які перетворюють параметр зовнішнього середовища у напругу, або струм, значення яких повязане з параметром зовнішнього середовища.

В основі роботи будь-яких температурних датчиків, що використовуються в системах автоматичного управління, лежить принцип перетворення вимірюваної температури в електричну величину. Це обумовлено наступними перевагами електричних вимірювань: електричні величини зручно передавати на відстань, причому передача здійснюється з високою швидкістю; електричні величини універсальні в тому сенсі, що будь-які інші величини можуть бути перетворені в електричні та навпаки, вони точно перетворюють в цифровий код і дозволяють досягти високої точності, чутливості і швидкодії засобів вимірювань.

Спектр використання температурних датчиків надзвичайно широкий: від зарядних пристроїв до дорогих портативних приладів. Всюди, де характеристики системи залежать від температурних чинників, застосовуються ці прилади. Всі термодатчики, за винятком зібраних на ІС, мають нелінійну залежність вихідною сигналу від температури. В минулому для корегування цієї нелінійності був розроблений широкий спектр аналогових схемотехнічних рішень. Ці схеми часто вимагали індивідуальною калібрування. Щоб досягнути заданої точності, в них використовувалися прецизійні резистори. Сьогодні, завдяки наявності АЦП з високою роздільною здатністю, сигнали з датчиків можуть бути оцифровані безпосередньо, без попереднього посилення і лінеаризації. Лінеаризація, компенсація напруги на опорному спаї і інша обробка виконуються потім цифровими способами, що дозволяє понизити складність і вартість системи.

Інтегральні 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 +150С. Для таких мікросхем, як LM135, LM235, LM335 похибка вимірювань складає менша за 1С. Схема включення мікросхем такого типу показана на рис. 3.1.2.1.

Рис. 3.1.2.1 Схема включення мікросхемного датчика температури

Термоперетворювачі опору. Принцип дії термоперетворювачів опору (терморезисторів) заснований на зміні електричного опору провідників і напівпровідників в залежності від температури. Матеріал, з якого виготовляється такий датчик, повинен володіти високим температурним коефіцієнтом опору, по можливості лінійною залежністю опору від температури, хорошою відтворюваністю властивостей інертності до впливів навколишнього середовища. Найбільшою мірою всіма вказаними властивостям задовольняє платина;

Платинові терморезистори призначені для вимірювання температур в межах від -260 до 1100 0С. У діапазоні температур від 0 до 650 0С їх використовують в якості зразкових та еталонних засобів вимірювань, при чому стабільність градуйованої характеристики таких перетворювачів не перевищує 0,0010С.

Платинові терморезистори володіють високою стабільністю і відтворювальними характеристиками. Їх недоліками є висока вартість і не лінійність функції перетворення. Тому вони використовуються для точних вимірювань температур у відповідному діапазоні. Широке поширення на практиці отримали дешевші мідні терморезистори.

Недоліком міді є невелике її питомий опір і легка окислюваність при високих температурах, внаслідок чого кінцевий межа застосування мідних термометрів опору обмежується температурою 1800C. За стабільності та відтворюваності характеристик мідні терморезистори поступаються платиновим.

Теплова інерційність стандартних термометрів опору характеризується показником теплової інерції (постійної часу), значення якого лежать в межах від десятків секунд до одиниць хвилин. Постійна часу спеціально виготовлених малоінерційних термометрів опору може бути зменшена до 0,1 с. Знаходять застосування також нікелеві термометри опору. Напівпровідникові терморезистори при значно малих розмірах мають високі значення опору (до 1 МОм). Для вимірювання температури найбільш поширені напівпровідникові терморезистори типів КМТ (суміш оксидів кобальту і марганцю) і ММТ (суміш оксидів міді і марганцю).

Термістори мають лінійну функцію перетворення. Серйозним недоліком термісторів, що не дозволяє з великою точністю нормувати їх характеристики при серійному виробництві, є погана відтворюваність характеристик (значна відмінність характеристик одного примірника від іншого). Напівпровідникові датчики температури мають високу стабільністю характеристик у часі і застосовуються для зміни температур в діапазоні від -100 до 200 0С. Вимірювальна схема за участю термоперетворювачів опору частіше за все є мостовий; урівноваження моста здійснюється за допомогою потенціометра.

При зміні опору терморезистора відповідно змінюється положення потенціометра, положення щодо шкали формує показання приладу; шкала градуюється безпосередньо в одиницях температури.

Недоліком такої схеми включення є внесена проводами підключення терморезистора похибка; оскільки через зміну опору проводів при зміні температури навколишнього середовища компенсація зазначеної похибки неможлива, застосовують трьохпровідну схему включення проводів, при використанні якої опору підвідних проводів виявляються в різних гілках, і їх вплив значно зменшується.

Пірометри. Серйозним недоліком розглянутих вище термоперетворювачів опору і термоелектричних перетворювачів є необхідність введення датчика в контрольоване середовище, в результаті чого відбувається перекручування досліджуваного температурного поля. Крім того, безпосередній вплив середовища на датчик погіршує стабільність його характеристик, особливо при високих і надвисоких температурах і в агресивних середовищах. Від цих недоліків вільні пірометри - безконтактні датчики, засновані на використанні випромінювання нагрітих тіл. Теплове випромінювання будь-якого тіла можна характеризувати кількістю енергії, що випромінюється тілом з одиниці поверхні в одиницю часу і припадає на одиницю діапазону довжин хвиль. Така характеристика є спектральна щільність і називається спектральною світністю (інтенсивністю монохроматичного випромінювання). Інтенсивність випромінювання будь-якого реального тіла завжди менше інтенсивності абсолютно чорного тіла при тій же температурі. Зменшення спектральної світності реального тіла в порівнянні з абсолютно чорним враховують введенням коефіцієнта неповноти випромінювання; його значення різне для різних фізичних тіл і залежить від складу речовини, стану поверхні тіла та інших факторів. Використовують енергію випромінювання нагрітих тіл пірометри діляться на радіаційні, яскравості і колірні. Радіаційні пірометри використовуються для вимірювання температури від 20 до 2500 0С, причому прилад вимірює інтегральну інтенсивність випромінювання реального обєкта; у звязку з цим при визначенні температури необхідно враховувати реальне значення коефіцієнта неповноти випромінювання.

Радіаційні пірометри. Градуюються по випромінюванню абсолютно чорного тіла, тому неточність оцінки коефіцієнта неповноти випромінювання викликає похибка вимірювання температури. Яскравості (оптичні) пірометри використовуються для вимірювання температур від 500 до 4000 0С. Вони засновані на порівнянні у вузькому ділянці спектра яскравості досліджуваного обєкта з яскравістю зразкового випромінювача (фотометричної лампи). Фотометрична лампа вбудована в телескоп, який має обєктив і окуляр.

Кольорові пірометри, засновані на вимірі відносини інтенсивностей випромінювання на двох довжинах хвиль, обираних зазвичай в червоній або синій частині спектра; вони використовуються для вимірювання температури в діапазоні від 800 до 0С. Зазвичай колірний пірометр містить один канал вимірювання інтенсивності монохроматичного випромінювання зі змінними світлофільтрами.

Головною перевагою колірних пірометрів є те, що неповнота випромінювання досліджуваного обєкта не викликає похибки зміни температури. Крім того, показання колірних пірометрів принципово незалежний від відстані до обєкта вимірювання, а також від коефіцієнта випромінювання у проміжній середовищі, якщо коефіцієнти поглинання однакові для обох довжин хвиль.

Кварцові термоперетворювач. Для вимірювання температур від -80 до +250 0С часто використовуються так звані кварцові термоперетворювачі, що використовують залежність власної частоти кварцового елемента від температури. Робота даних датчиків заснована на тому, що залежність частоти перетворювача від температури і лінійність функції перетворення змінюються в залежності від орієнтації зрізу щодо осей кристала кварцу.

Кварцові термоперетворювачі мають високу чутливість (до 103 Гц / К). високу тимчасову стабільність і роздільну здатність, що і визначає перспективність. Дані датчики широко використовуються в цифрових термометрах.

ЯКР датчики. ЯКР - термометри (термометри ядерного квадрупольного резонансу) засновані на взаємодії градієнта електричного поля кристалічної решітки та квадрупольного електричного моменту ядра, викликаного відхиленням розподілу заряду ядра від сферичної симетрії. Ця взаємодія обумовлює процеси ядер, частота якої залежить від градієнта електричного поля решітки та для різних речовин має значення від сотень кілогерц до тисяч мегагерц. Градієнт електричного поля решітки залежить від температури, і з підвищенням температури частота ЯКР знижується. Датчик ЯКР-термометра являє собою ампулу з речовиною, укладену всередину котушки індуктивності, включеної в контур генератора. При збігу частоти генератора з частотою ЯКР відбувається поглинання енергії від генератора. Похибка вимірювання температури -263 0С складає ± 0.02 0С, а температури 27 0С - ± 0.002 0С. Перевагою ЯКР-термометрів є його необмежена у часі стабільність, а недоліком - істотна нелінійність функції перетворення.

Дилатометрічні перетворювачі. Дилатометрічні (обємні) датчики вимірювання температури засновані на явищі розширення (стиснення) твердих тіл, рідин або газів при збільшенні (зменшенні) температури. Температурний діапазон роботи перетворювачів, заснованих на розширені твердих тіл, визначається стабільністю властивостей матеріалів при зміні температури. Звичайно за допомогою таких перетворювачів вимірюють температури в діапазоні -60 - 400 0С. Похибка перетворення становить 1 - 5%. Температурний діапазон роботи перетворювача з розширюється рідиною залежить від температур замерзання та кипіння останньої (для ртуті - 39 - 357 0С, для амилового спирту - 117 - 132 0С, для ацетону - 94 - 570С. Похибки рідинних перетворювачів становлять 1 - 3% із значною мірою залежать від температури навколишнього середовища, змінює розміри капіляра.

Нижня межа вимірювання перетворювачів, що використовують як робочого середовища газ, обмежується температурою скраплення газу (- 195 0С для азоту, - 269 0С для гелію), верхній же - лише теплостійкістю балона.

Акустичні датчики. Акустичні термометри засновані на залежності швидкості поширення звуку в газах від їх температури і використовуються в основному діапазоні середніх і високих температур. Акустичний термометр містить просторово рознесені випромінювач акустичних хвиль і їх приймач, зазвичай включаються в ланцюг автогенератора, частота коливань якого змінюється зі зміною температури; зазвичай такий датчик використовує різні по типу резонатори.

Для проектуємого приладу було обрано інтегральний датчик температури. Він найбільш оптимально підходить за технічними характеристиками та якостями роботи. Діапазон вимірювальних температур становить від -55 до +150С, що задовольняє поставлене завдання. Похибка вимірювання менша за 1С, що робить вимірювання доволі точним.

Делись добром ;)