Датчики температуры

Важнейшей разновидностью датчиков являются дат­чики температуры, поскольку многие процессы, в том числе и в повседневной жизни, регулируются темпе­ратурой, например:

§ регулирование отопления на основании измере­ния температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной тем­пературы;

§ регулирование температуры воды в стиральной машине;

§ регулирование температуры электроутюга, элек­троплитки, духовки и т. п.

Кроме того, путем измерения температуры можно косвенно определять и другие параметры, например поток, уровень и т.п.

При использовании такого рода датчиков темпе­ратура измеряется, как правило, на основании зави­симости электрическою сопротивления от темпера­туры. В зависимости от того, возрастает или пони­жается электросопротивление датчика при повышении температуры, различают полупроводниковые датчики соответственно с положительным или отрица­тельным температурным коэффициентом сопротивле­ния (ТКС). Металлические датчики температуры из никеля или платины всегда обладают положитель­ным ТКС. В случае датчиков на основе термопар возникает ЭДС, пропорциональная температуре.

Для точного измерения температуры в диапазоне от - 200 до 850 °C чаще всего применяются дат­чики температуры из никеля или платины.

Для измерения температуры датчик нужно подключить к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре. Простейшей разновидностью такой схемы является измерительный мост (или мост Уитстона) (рисунок 4.1).

Если сопротивление сравнения Rv установить та­ким образом, что измерительный прибор G будет показывать отсутствие тока, то оказывается справедливым равенство R_v=R_1h поскольку верхние парал­лельные сопротивления равны между собой. Преимущество такою 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 изме­рительного прибора прокалиб­ровать. При этом нужно использовать высокоомный вольтметр, так как между точками 1 и 2 не должен протекать ток.

Рисунок 4.1 – Простая измерительная схема (мост Уитстона) для терморезисторов (например, Pt 100)

В последнее время получили распространение также интегральные схемы для измерения с помощью термопар без опорной точки при 0°С. Они содержат внутренний компенсатор точки таяния льда, поэтому достаточно одной термопары. На рисунке 4.2 показан такой типовой блок для термопары константа и железо. Преобразова­тель сигнала термопары линеаризует термо-ЭДС датчика с коэффициентом 10 мВ/°С в интер­вале измерений 0...300°С. Если собственная температура блока изменится, то влияние этого изменения можно компенсировать только с помощью соответствующего поправочного коэффициента.

Рисунок 4.2 – Измерение температуры термопарой с использованием в качестве опорной точки температуры таяния льда (0⁰С)

Датчики давления

Как и датчики температуры, датчики давления отно­сятся к наиболее широко употребительным в технике. Однако для непрофессионалов измерение давления представляет меньший интерес, так как существую­щие датчики давления относительно дороги и имеют лишь ограниченное применение. Несмотря на это, рас­смотрим некоторые варианты их использования,

Для любительской практики представляют инте­рес лишь относительно недорогие кремниевые датчики давления, имеющие выходной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик из­готовляют из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Ме­тодом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При из­менении давления мембрана прогибается, и под дей­ствием пьезоэлектрического эффекта происходит из­менение сопротивления резистивных элементов (рисунок 4.4). Тол­щина мембраны, как и геометрическая форма рези­сторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этою типа являются:

§ высокая чувствительность,

§ хорошая линейность,

§ незначительные гистерезисные явления,

§ малое время срабатывания,

§ компактная конструкция,

§ экономичная планарная технология изготовления.

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 – Измеритель­ный мост из четырех идентичных пьезорезисторов, составляющих в совокупности датчик давления	Рисунок 4.4 – Характеристика кремние­вого датчика давления при различных температурах (25 и 125 °С)

Поскольку в этом случае максимальное выходное напряжение составляет лишь 0,1 В, для дальнейшей обработки сигнала его нужно усилить еще примерно до 1 В. Такое 10-кратное усиление по напряжению с помощью стандартных операционных усилителей не составляет проблемы, а поэтому согласование сигнала с измерительным при­бором осуществляется легко. Для измерений с повы­шенной точностью следует дополнительно компенсировать температурную погрешность датчиков.