04_Sen_T (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

10

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Механические датчики.

Простейшим датчиком является биметаллический. Различие коэффициентов ТКЛР материалов используется для измерения и индикации температуры. Изгиб биметаллической пластины будет зависеть от температуры. В автоматических системах биметаллический датчик используется как бинарный (АСУ предельного контроля).

П поворот стрелки или замыкание

проводника (П)

(несоединенные детали)

Рис. Схема биметаллического датчика.

Сильфонный датчик использует свойство гибких оболочек, преобразующих расширение объема при нагревании в увеличение длины датчика.

Резистивные.

Терморезисторы изменяют сопротивление в зависимости от температуры

- пропорционально (положительный ТКС - позистор, металлы Pt, сплавы),

- обратнопропорционально (отрицательный ТКС полупроводники Ge? Jrcbl hentybz) ,

- резко (пороговый эффект, для защитной системы).

Для преобразования испоьзуются генераторы с откликом Δf, усилители с откликом ΔU. Для расширения линейного участка параллельно и последовательно терморезистору присоединяют постоянные резисторы.

Рис. Схема включения термистора.

Терморезистивные свойства характерны некоторым традиционно диэлектрическим материалам. Ситалл системы Li₂ O -Al₂ O₃-Si O₂ имеет температурную зависимость электропроводности: при 250 ⁰ С сопротивление слоя эмали составляет 10⁵ Ом , а при 550 ⁰ С - уже 100 Ом.

М еталлическое 1

о снование

С италл 2

Т ермосопро

т ивление 3

Рис. Толстопленочный датчик температуры.

При низкой температуре датчиком является термосопротивление (из платины) между контактами 1 и 3. Начиная с 250 ⁰ С, АСУ переключает измеритель на сопротивление ситалла (1 - 2).

Полупроводниковые.

Термочувствительные полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, тиристоры) обладают заметной температурной зависимостью проводимости p - n перехода (обычно на кристалле кремния) и падения напряжения на переходе. Приборы часто включаются в неравновесный мост. Кремниевый диод со смещением обеспечивает температурную чувствительность: - 2 мВ/ ˚С.

Рис. Включение и температурная зависимость диодного датчика.

Диэлектрические.

Термочувствительные диэлектрики характеризуются зависимостью диэлектрической проницаемости ε от температуры.

В сегнетоэлектриках наблюдается пироэлектрический эффект - зависимость поляризации от температуры. Структура кристаллической решетки сегнетоэлектрика предопределяет наличие электрической поляризации Р (ненулевого дипольного момента). Нагрев такого кристалла приводит к его расширению, а следовательно к изменению поляризации. Это изменение характеризуется пироэлектрической константой р :

р (Т) = dP / dT .

Изменение поляризации влечет за собой изменение емкости конденсатора, между обкладками которого помещен сегнетоэлектрик. Если S - площадь сечения конденсатора, то при поляризации на пластинах конденсатора появляется электрический заряд

q_c = P S,

а ток при изменении поляризации равен

I = dq_c /dt = S dP/dT dT/dt = p(T) S dT/dt.

Возможно автономное использование пироэлектриков для индикации излучения. Благодаря эффекту спонтанной поляризации дополнительных источников энергии не требуется, но чувствительность таких измерений невелика. T   P IU

Конденсатор с сегнетоэлектриком можно включить в резонансный контур генератора: C = q_c / (U₁ - U ₂). Температуру в данном случае оценивает частотомер.  T P C f. Высокие значения чувствительности получаются при малой теплоемкости сегнетоэлектрического материала, большом пироэлектрическом коэффициенте. Материалы: кварц, триглицинсульфат, титанат циркония и свинца, ниобат бария и стронция, титанат лития LiTaO , - в виде кристаллов или керамики.

Наибольшая чувствительность пироэлектрического эффекта наблюдается в инфракрасной области спектра. Их используют в качестве детектора лазерного излучения.

Магнитные

Термочувствительные ферриты характеризуются зависимостью магнитной проницаемости от температуры, большей точки Кюри. При температуре (ферромагнитной точке) Кюри _К происходит фазовый переход. Изменяется структура кристаллической решетки и, как следствие, изменяются многие физические свойства. Ферромагнитные свойства утрачиваются - вещество становится парамагнетиком. TL I U

В цепи, состоящей из 2-х разнородных проводников(1) и (2) - термопары, возникает электродвижущая сила E_т , если контакты А и В этих проводников поддерживаются при различных температурах: горячей Т_г и холодной Т_х .

ТермоЭДС пропорциональна разности температур :

E_т = a ( T_г - T_х ) ,

где а - коэффициент пропорциональности:

а = dE_т / dT

называют дифференциальной или удельной термоЭДС.

Для возникновения термоЭДС имеется 2 основных источника:

- изменение контактной разности потенциалов с температурой - контактная составляющая E_к ,

- образования направленного потока носителей заряда в проводнике при наличие градиента температуры - объемная составляющая E_об .

А 1 В E_т = E_к + E_об

+ +

- 2 -

Т⁰ _г

Контактная составляющая термоЭДС. При одинаковой температуре в каждом из контактов уровни Ферми устанавливаются на одной высоте. Возникает контактная разность потенциалов, но разности потенциалов между контактами А и В нет.

Если контакт А нагреть до температуры Т_г , то изменится положение уровня Ферми на ₁ (1) и на ₂ (2) проводников. Если ₁  ₂ , то уровни Ферми оказываются не на одной высоте. После установления термодинамического равновесия контактная разность потенциалов будет:

Е_к = - 1/q ( ₂ - ₁ ).

Таким образом, повышение температуры одного из контактов вызывает разность потенциалов У_к . Чем больше изменяется уровень Ферми при увеличении температуры, тем большую контактную термоЭДС можно получить. У металлов и сильнолегированных полупроводников уровень Ферми меняется незначительно, у собственных и слаболегированных полупроводников - существенно.

Е_с

 Е_д

Е_i

E_a 

E_v

T T

T₁ T_s T₂ T₁ T_s T₂

Рис. Температурная зависимость уровня Ферми в полупроводниках с донорными и акцепторными примесями.

Контактная составляющая удельной термоЭДС:

а = 1/q d / dT.

Объемная составляющая термоЭДС. При нагревании одного из контактов в нем возрастает концентрация носителей заряда. От горячего к холодному концу устанавливается диффузионный поток:

j = - D dN / dx. На холодном конце появляется избыточный заряд (отрицательный в случае электронной и положительный - в случае дырочной проводимости) . На горячем конце - заряд противоположного знака. Так появляется объемная составляющая термоЭДС Е_об .

Точность измерения зависит от температуры Т_х (свободных концов). Для автоматического введения поправки последовательно вводят неравновесный мост, в котором резистор R₁ - термокомпенсирующий (из меди) находится при температуре Т_х, а резисторы R₂, R₃ и R₄ - постоянные (из манганина). При градуировке термометра мост находится в равновесном состоянии. При отклонении температуры Т_х от градуировочной на диагонали моста аб появляется разность потенциалов, суммирующаяся с термоЭДС термопары. Чувствительность моста регулируется с помощью резистора R₅ .

V_T

+ б

Т п R₁ t⁰ R₂ R₃

R₅

а R₄

Рис. Схема термоэлектрического термометра с автоматической компенсацией температуры Т_х свободных концов.

Рис. Каскадное включение термопар.

Оптические.

Для дистанционного измерения температуры используются пирометры - приборы, фиксирующие энергию излучения нагретых тел, которая зависит от температуры. При поглощении фотонов электромагнитной энергии чаще инфракрасного диапазона генерируются пары «электрон – дырка». В результате возрастает ток.

Рис. Схема воздействия излучения в пирометре.

Пироэлектрический эффект - зависимость поляризации от температуры – наблюдаетс в сегнетоэлектриках. Структура кристаллической решетки сегнетоэлектрика предопределяет наличие постоянной электрической поляризации Р. Нагрев такого кристалла приводит к его расширению, и, следовательно, к изменению поляризации. Это изменение характеризуется пироэлектрической константой р(Т) :

р(Т) = dP/dT .

Изменение поляризации влечет за собой изменение емкости конденсатора, между обкладками которого помещен сегнетоэлектрик. В результате поляризации на пластинах конденсатора площадью S появляется электрический заряд Q = P S,

а ток при изменении поляризации равен

I = dQ/dt = S dP/dT dT/dt = p(T) S dT/dt.