ANDURID

TEMPERATUURIANDURID

Enimkasutatavad temperatuuriandurite tüübid on järgmised:

• termoelektrilised andurid;
• termoresistiivsed andurid;
• termodioodid, termotransistorid ja integreeritud temperatuuriandurid.

Neid andureid ei kasutata ainult temperatuuri, vaid ka paljude muude termiliste protsessidega seotud muutujate mõõtmiseks, nt nihe ja mõõtmed, kiirus, gaasi ja vedeliku kulu, niiskus, gaaside keemiline analüüs jne.

Termoelektrilised andurid

Sellesse gruppi kuuluvad termopaarid (joonis 2.1). Nad koosnevad kahest omavahel ühises punktis - siirde lõpus - kokku keevitatud erinevast juhist A ja B, mida nimetatakse termilisteks elektroodideks. Keevitatud otsa nimetatakse tavaliselt kuumaks ja saba või referentsotsi külmaks.

1 – kuum siire; 2 – külmad otsad

Joonis 2.1 Termoelektriline andur [60]

Kui kuuma siiret hoida temperatuuril t 1 = t x , ja külmad otsad on temperatuuril t 2 ja t 1 > t 2 , siis tekib termoelektriline elektromotoorjõud või pinge (t.e.m.j.) E T , mis on kahe temperatuuri vahe funktsioon, s. t.

(2.1)

Seda nimetatakse termoelektriliseks efektiks. Hoides t₂=const, osutub võimalikus temperatuuride mõõtmine, s. t. Lihtsaim ühendusskeem temperatuuri mõõtmiseks on joonisel 2.1.

Seda lihtsustatud skeemi ei saa tavaliselt praktiliselt teostada temperatuuri ja teiste mitte-elektriliste suuruste mõõtmiseks. Kuna vahemaad mõõdetava objektini on pikad, termilised elektroodid on valmistatud kallihinnalistest materjalidest ja ei neid ole majanduslik teha pikki. Sellise juhul kasutatakse pikendusjuhtmeid C ja D, mis vähendavad maksumust oluliselt (joonis 2.2)

Joonis 2.2 Termoelektriline andur koos pikendusjuhtmetega [63]

Need elektroodid peavad olema termiliselt identsed – neil on A ja B elektroodide suhtes väga sarnane termiline tegur (A - C ja B - D ja D' suhtes). Neid metalle, mis kontaktis teisega ei moodusta termopaari temperatuuridel 0 kuni 100 ° С, nimetatakse termoidentseteks.

Termopaaridega mõõtmisel on põhiline osa veast põhjustatud külmade siirete mittekonstantsetest temperatuuridest. Laboritingimustes külmi siirdeid termostateeritakse, paigutades nad referentsiks sulavasse jäässe või termostaati. Mõnedes tööstuslikes rakendustes võib külmi siirdeid termostaatida, kas paigutades nad sügavale maasse või hea soojusisolatsiooniga kasti.

Skeemis joonis 2.2 voolujuhid C ja D moodustavad kompenseeriva termopaari. Kui selle kuum siire on termostaaditud temperatuuril t 0, siis temperatuuri muutuse mõju uuele külmale siirdele a' - b' on välditud.

Skeemi joonis 2.3 kasutatakse laialdaselt külma siirde temperatuurimuutuse täiendava vea kompenseerimiseks.

Joonis 2.3 Termoelektriline andur koos külma siirde temperatuurimuutuse täiendava vea kompenseerimisega [63]

Sildskeem on ühendatud termopaariga järjestikku. Termotundlik takisti (termistor) R T on ühendatud selle õlga samadel tingimustel kui külmad siirded. Sild on tasakaalustatud temperatuuril t 2 =t 0, mille juures termopaar on kalibreeritud. Kui see temperatuur muutub, siis termiline e.m.j. E t muutub järgmiselt: Samal ajal R t muutub sellega koos ja silla tasakaal läheb paigast. See on skaleeritud nii, et pinge punktide a ja b vahel on

(2.2)

Sedasi saavutatakse automaatne kompensatsioon, s. t.

(2.3)

kus U on millivoltmeetri lugem.

Termopaarid paigutatakse kaitsekatetesse, et ennetada agressiivsete keemiliste keskkondade mõju. Kate peab olema gaasikindel, mehaaniliselt tugev ja hea soojusjuhtivusega. Kattematerjal ei tohi kuumutamisel eraldada elektroodidele kahjulikke gaase või aure. Väärismetallist termopaaride katted on kvarts- või keraamilised torud, ja teistel – eriterasest torud

Joonis 2.4 näitab skemaatiliselt termopaare ja erinevaid viise nende voolujuhtide isoleerimiseks.

a – keerutatud ja keevitatud siiretega ja isoleerimata voolujuhtidega.

b – voolujuhtidega plasttorus

c – isoleeritud voolujuhtidega

d – kinnitatud ja keevitatud siiretega ja keraamiliste isolaatoritega

Joonis 2.4 Termopaarid [63]

Termopaaridel on mittelineaarne ülekandefunktsioon, mis üldjuhul on järgmist tüüpi

(2.4)

Kus on temperatuuride erinevus kuumade ja külmade siirete vahel; А , B ja C on konstandid, mis sõltuvad termiliste elektroodide materjalist.

Tööstuslike termopaaride andmed on praktikas esitatud tabelites, kus termiline e.m.j. E T iga 1° С kohta temperatuuril t 2 =t 0 = 0 °С.

Termopaaridel on piirang muutuvate temperatuuride mõõtmisel – neil on suur soojusinerts: kümnetest sekunditest 10 minutini.

Tabelis 2.1 on andmed mõnede laialdasemalt kasutatavate termopaaride kohta.

Tabel 2.1

Tüüp	Termiliste elektroodide materjal	Töötemperatuuri vahemik, С
T	vask – konstantaan (vase ja nikli sulam)	-200...370
J	raud – konstantaan	0...760
E	kromell (nikli ja kroomi sulam) – konstantaan	-200...900
K	kromell – alumell (nikli, mangaani, alumiiniumi ja räni sulam)	-200...1260
R ja S	plaatina ja roodiumi sulam – plaatina	0...1480
B	plaatina-roodiumi sulam (30%) – plaatina-roodiumi sulam (6%)	870...1700

• Т-tüüpi termopaarid on korrosioonikindlad ja seetõttu neid võib kasutada niiskes atmosfääris. Neid võib rakendada miinustemperatuuride mõõtmiseks. Töötades agressiivses keskkonnas, on nende tööpiirkonna ülemine piir on 370 ° С, vaskelektroodide oksüdeerumise tõttu. Neid termopaare võib kasutada kõrgematel temperatuuridel teistes keskkondades.
• J-tüüpi termopaarid on sobivad töötamiseks vaakumis ja samuti inertsetes, oksüdeerivates või taandavates keskkondades. Nad töötavad temperatuurivahemikus 0 kuni 760° С. Temperatuuril üle 540 ° С toimub termoelementide raudosade kiire oksüdeerumine. Kui termopaarid peavad töötama pikaajaliselt kõrgetel temperatuuridel, tuleb nad valmistada jämedaid juhtmeid kasutades. Seda tüüpi termopaare ei soovitata nende hapruse tõttu kasutada alla 0 ° С temperatuuril, kuna nad võivad minna rooste. Selles temperatuurivahemikus on parem kasutada T-tüüpi termopaare.
• E-tüüpi termopaare soovitatakse kasutada temperatuuridel -200 kuni 900 ° С Neid ei tohi kasutada taandavas keskkonnas või vaakumis. E-tüüpi termopaare võib kasutada temperatuuridel alla nulli, kuna nad ei korrodeeru, töötades suure niiskusesisaldusega keskkonnas. Neil on tavalistest termopaaride tüüpidest kõrgeim termiline e.m.j. ning seetõttu nad näivad olevat kõige sagedamini kasutatavad.
• K-tüüpi termopaare kasutatakse oksüdeerivas või täielikult inertses keskkonnas temperatuuride mõõtmiseks vahemikus -200 kuni 1260° С. Korrosioonikindluse tõttu kasutatakse neid sageli temperatuuridel üle 540 °С. Siiski, seda tüüpi termopaare ei tohi kasutada taandavates keskkondades, väävlisisaldusega keskkondades ja vaakumis.
• R- ja S-tüüpi termopaarid on mõeldud pidevaks kasutamiseks oksüdeerivates või inertsetes keskkondades temperatuuri vahemikus 0-1480 ° С.
• B-tüüpi termopaarid sobivad pidevaks kasutamiseks oksüdeerivates või inertsetes keskkondades temperatuurivahemikus 870-1700 °С. Neid võib kasutada lühiajaliseks mõõtmisteks vaakumis. Selliseid termopaare ei soovitata kasutada taandavates keskkondades, mis sisaldavad metallilisi või mittemetallilisi aurusid. Neid ei tohi kunagi paigutada metallist kaitsekatetesse.

Termoresistiivsed andurid

Termoresistiivsed andurid on suure temperatuurisõltuvusega voolujuhid või pooljuhid. Termotakisti takistus sõltub temperatuurist ja see on määratud seadise ja keskkonna vahelise soojusliku tasakaaluga. Soojusvahetus võib olla kahesuunaline: keskkonnast takistile ja vastupidi. Niisiis termotakisti temperatuur ja takistus antud termilise tasakaalu olukorras sõltuvad mitte üksnes voolust ja keskkonnatemperatuurist, kuid samuti hulgast muudest teguritest nagu anduri geomeetriline suurus ja kuju, alus ja kate, füüsikalised omadused, ümbritseva vedeliku kiirus ja temperatuur jne. Need tegurid mõjutavad termotakistite kasutamise võimalusi erinevate suuruste mõõtmisel.

Põhinõuded termotakistite materjalidele:

• suur elektrilise takistuse temperatuuritegur (TCR) -
• kuumuskindlus;
• suur eritakistus. See on tähtis väikesemõõduliste andurite tootmisel.

Metall-termotakistid (RTD)

Voolujuhtidest termotakistid (takistus-temperatuuriandurid – RTD) on enamasti tehtud puhastest metallidest, kuna sulamitel on väiksem temperatuuritegur (TCR). Lisaks sellele, puhaste metallides temperatuurisõltuvus on täpselt teada ja neid sisaldavad mõõteseadmed võivad töötada standardkalibreerimisega. Praktikas kasutatakse vaske, plaatina ja niklit.

Vask-termotakistid. Termotakistite valmistamiseks kasutatakse elektrolüütilist vaske. Seda võib kuumutada kuni temperatuurini 180° С. Kõrgematel temperatuuridel algab oksüdeerumine. Tema takistus sõltub temperatuurist lineaarselt vahemikus 20 kuni 180° С vastavalt võrrandile

(2.5)

kusR on takistus algtemperatuuril 0 ° С (273К) ja on ТСR = 4.3х10 -3. 1/ ° С temperatuuril 0 kuni 100 ° С).

Vasel on piirang - väike eritakistus. See on =1.75х10 -8 m elektrolüütilise vase korral.

Plaatina-termotakistid ( >plaatina-takistustemomeetrid) . >Plaatina on keemiliselt stabiilne ja hästi plastiline. Seda võib kuumutada 1475°С-ni ilma oksüdeerumise või sulamiseta. Paljudel juhtudel on ta asendamatu nende omaduste tõttu. Tema piiranguks on mittelineaarne takistuse temperatuuritegur. Seda sõltuvust vahemikus 0 - 660 ° С määratakse võrrandiga

(2.6)

Ning vahemikus -180 - 0 ° С – valemiga

                       (2.7)

kusR 0 on takistus temperatuuril 0 ° C ning A , B ja C on konstandid.

Temperatuuridele üle 660 ° С ja alla -180 °С, on antud tabelites.

Nikkel-termotakistid. Niklit saab kasutada termotakistina, kui ta on hästi isoleeritud keskkonnamõjudest kuni u 280 ° С, kuna kõrgemal temperatuuril temperatuuritegur R t >=f (t on muutlik. Vahemikus 0 kuni 100 ° С sõltuvus on lineaarne ( 6х10 -3 1/ ° C ) ja seda saab väljendada valemiga (2.5).

Nikli elektrilised omadused sõltuvad ebapuhtusest ja termilisest töötlusest. Selle materjali põhieelised on: suur elektriline takistus r= (7,5 ... 8,5) x 10 -8 W m ja suur ТСR. Need omadused võimaldavad valmistada väikesemõõtmelisi termotakisteid.

Termistorid

Termistorid on takistuslikud andurid, millel on suur temperatuuritegur TCR laias temperatuurivahemikus. Praktikas neid toodetakse tilga, lameda ja silindrilise kujuga.

Iga pooljuhtmaterjali ТСR on takistuse muutuse määr antud temperatuurile vastava takistuse väärtuse suhtes. Matemaatiliselt väljendatakse seda järgmiselt:

(2.8)

Termistore on kahte tüüpi: negatiivse temperatuuriteguriga (TCR), mille takistus väheneb temperatuuri tõustes, ja positiivse TCR-ga, mille takistus suureneb temperatuuri tõustes. Mõlemat tüüpi termistore toodetakse pooljuhtmaterjalidest ja TCR muutmisvahemik on -6,5 kuni +70%/°С.

NTC-termistore toodetakse Mn, Ni, Co, Cu ja Fe metalloksiidide segust.

Sõltuvus takistuse ja temperatuuri vahel on mittelineaarne ja seda võib esitada valemiga

(2.9)

on võrdne termistori takistusega lõpmata kõrgel temperatuuril (1/Т=0), ja B on nn materjalitegur mõõdetuna kelvinites.

Konstandi B väärtused on tavaliselt vahemikus 3000 kuni 5000К. Konstanti В võib väljendada kui

(2.10)

kusR₁ ja R₂ on termistori takistus vastavalt temperatuuridel T₁ ja T₂ .

Termistoridel on negatiivne temperatuuritegur

(2.11)

mis tugevasti sõltub temperatuurist ja on 8 kuni 10 korda suurem kui metallidel.

Nendel termistoridel on oluliselt suurem eritakistus. See võimaldab valmistada väikesemõõtmelisi termistore, millel on väiksem inerts. Muutes termistoride materjali ja mõõtmeid, võib saada takistusi 1 kuni 10 6 W toatemperatuuril ja TCR on -2 kuni -6,5%/С. Teisalt, termistorid on mittelineaarsete tunnusjoontega , mis ei ole täielikult samasugused ühte ja sama tüüpi termistoridel. See piirab nende vahetatavust. Nad on tundlikud niiskusele ja nad on selle mõju vältimiseks kaetud lakkisolatsiooniga.

PTC-termistorid võib jaotada kahte põhimõtteliselt erinevasse gruppi sõltuvalt kasutatud pooljuhtmaterjali tüübist ja omadustest.

Esimene grupp hõlmab väikese plaadikujulisi (tavaliselt ränist) pooljuht-termistore kahe vastaskülgedel asuva klemmiga. Nende elementide kasutamine põhineb faktile, et ränikristallid nii n- kui p- tüüpi lisandiga on positiivse TCR-ga, alates ülimadalatelt temperatuuridelt kuni 150 С ja üle selle. TCR toatemperatuuril on ligikaudu 0,8%/° С.

Teine grupp koosneb positiivse TCR-ga termotakistitest (kuni 70%/ ° С), kuid piiratumas temperatuurivahemikus. Selliste elementide materjalina saab kasutada polükristallilist pooljuhti baarium-titanaati, kuna tal on suured TCR-i muutused faasimuutuse temperatuuri lähedal, mis vastab Curie temperatuurile.

Joonis 2.5 näitab takistuse muutuse kõveraid sõltuvalt temperatuurist erinevat tüüpi termistoridel ja plaatina-termotakistil.

1 – termistor negatiivse temperatuuriteguriga

2 – termistor positiivse temperatuuriteguriga

3 – positiivse temperatuuriteguriga ränitermistor

4 – plaatina-termotakisti

5 – negatiivse temperatuuriteguriga termistor, millel on suur takistuse muutus nimivahemikus

Joonis 2.5 takistuse muutuse kõverad sõltuvalt temperatuurist erinevat tüüpi termistoridel ja plaatina-termotakistil.

Termistore, millele on iseloomulik eriti suur TCR kriitilise temperatuuri tsoonis, nimetatakse paljudes publikatsioonides kriitilise temperatuuri takistiteks (CTR–termistorid). Sõltuval materjalist võib takistus kriitilises temperatuurivahemikus nii suureneda kui väheneda (näiteks BaTiO₃ baasil – joonis 2.5 kõver 2 ja VO₂ baasil – kõver 5).

Kaasaegsete termistoride temperatuurivahemik on laienenud 75-1275 К, mis muudab nad väga laialdaselt kasutatavaks.

Täpismõõtmisteks kasutatakse negatiivse TCR-ga termistore.

Termodioodid, termotransistorid ja integreeritud temperatuuriandurid

Neid kasutatakse temperatuuri mõõtmiseks vahemikus -80° kuni 150 °С. Nende tööpõhimõte põhineb päripingestatud pn-siirde takistuse temperatuurisõltuvusele (joonis 2.7).

Joonis 2.7 Termodiood ja termotransistor

Nende temperatuuritundlikkus on

, V/°>C .

(2.12)

See on muutuv, kuna on mittelineaarne. Keskmine tundlikkus on hea ja see on suurusjärgus 2,5 mV/°C

Tundlikkus sõltub pn-siirde vastuvoolust. Dioodid ja transistorid erinevad vastuvoolult oluliselt, mis tähendab, et neid on raske omavahel asendada.

Eeliseks on nende madal hind.

Vastuvoolude efekt väheneb oluliselt ning saavutatakse parem lineaarsus, kui kasutada kahte transistori ühes kestas (joonis 2.8).

Fig.2.8 Vastuvoolude efekt

Voolud I 1 ja I 2 läbivad pn-siirdeid. On tähtis, et neil transistoridel oleks võrdsed vastuvoolud. See on diferentsiaallülitus ja väljundpinge on Selle ahela tundlikkus on palju väiksem kui ühe transistoriga, kuid tunnusjoon img width=71 height=25 src="Andurid_fail/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1069"> on palju lineaarsem:

(2.13)

(2.14)

(2.15)

kus I 0 on transistoride vastuvool, mis on eeldatavasti võrdsed;

Т – temperatuur Kelvinites;

k – Boltzmann’i konstant;

q – elektroni laeng

(2.16)

(2.17)

kus .

.

(2.18)

kui n = 2, .

Selle transistoripaari võib teostada integraallülitusena kristalli pinnal. Sellisel juhul integreeritud transistoride parameetrid on paremad ja anduri tunnusjooned on peaaegu lineaarsed. Näiteks integraallülitus AD390, millel on lineaarne tunnusjoon. Väljundsignaaliks on vool. Temperatuurivahemik on -55 kuni 150 ° С ja tundlikkus on