Измерительная схема на основе полупроводникового резистора

Пирометры

Пирометр — прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Пирометры можно разделить  по нескольким основным признакам:

• Яркостные. Позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветомэталонной нити.
• Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.
• Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) — позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

 

Основные источники  погрешности пирометров.

Самыми важными характеристиками пирометра, определяющими точность измерения температуры являются оптическое разрешение и настройка степени черноты объекта .

Иногда оптическое разрешение называют показателем визирования. Этот показатель рассчитывается как отношение диаметра пятна (круга) на поверхности, излучение с которого регистрируется пирометром к расстоянию до объекта. Чтобы правильно выбрать прибор, необходимо знать сферу его применения. Если необходимо проводить измерения температуры с небольшого расстояния, то лучше выбрать термометр с небольшим разрешением, например, 4:1. Если температуру необходимо измерять с расстояния в несколько метров, то рекомендуется выбирать пирометр с большим разрешением, чтобы в поле зрения не попали посторонние предметы. У многих пирометров есть лазерный целеуказатель для точного наведения на объект.

Cтепень черноты (или коэффициент  излучения) характеризует свойства  поверхности объекта, температуру  которого измеряет пирометр. Этот показатель определяется как отношение энергии, излучаемой данной поверхностью при определенной температуре к энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Он может принимать значения от 0,1 до близких к 1. Неправильный выбор коэффициента излучения — основной источник погрешности для всех пирометрических методов измерения температуры . На коэффициент излучения сильно влияет окисленность поверхности металлов. Так, если для стали окисленной коэффициент составляет примерно 0,85, то для полированной стали он снижается до 0,075. 

 

Термометры сопротивления

Термометры  сопротивления (терморезисторы) основаны на свойстве материалов изменять сопротивление  с изменением температуры.

Терморезисторы бывают двух типов  металлическим чувствительным элементом и полупроводниковым.

Металлические терморезисторы.

Представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или плёнки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры. Это объясняется тем, что платина имеет высокий температурный коэффициент сопротивления и высокую стойкость к окислению. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом не менее 0,003925. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Действующий стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008). В стандарте впервые отказались от нормирования конкретных номинальных сопротивлений. Сопротивление изготовленного термометра может быть любым. Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев используются со стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает погрешность не лучше 0,1 °C (класс АА при 0 °C). Термометры сопротивления на основе напыленной на подложку плёнки отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов составляет 660 °C (класс С), для плёночных 600 °C (класс С).

Основными недостатками металлических терморезисторов являются их малая чувствительность, большие габариты, высокая инерционность и высокая стоимость.

Полупроводниковые терморезисторы.

Полупроводниковые терморезисторы исключают часть недостатков металлических.

Для полупроводниковых резисторов характерны большой температурный коэффициент сопротивления , простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.

Преимущества терморезистивных преобразователей: Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °C), может доходить до 0,01 °C. Возможность исключения влияния изменения сопротивления линий связи на результат измерения при использовании 3-х или 4-х проводной схемы измерений. Практически линейная характеристика

Недостатки: Малый диапазон измерений (по сравнению с термопарами). Более дорогой (по сравнению с термопарами)), если это платиновый термометр сопротивления типа ТСП. Требуется дополнительный источник питания для определения температуры.

 

 

 

 

 

 

 

1. Патентно-реферативная проработка темы курсовой работы

 

Проведем патентно-реферативную проработку тему курсовой работы. Рассмотрим различные термометры, за промежуток времени от 1943 до 2009 года. Рассмотрим  как отечественные так и зарубежные разработки в том числе патенты США, Южной Кореи, Китая и Великобритании. Данные о патентах представлены ниже в таблицах.

 

№ п/п	Номер патента, класс МКИ;	Дата  публикации	Авторы  изобретения; фирма	Название охранного документа
1	RU2165600С	2001-04-20	Карабанов С.М.; Гармаш Ю.В.	RU19990111389 19990526
2	RU2007133856	2009-03-20	Гайский Виталий Александрович; Гайский  Павел Витальевич	UA20070000204 20070109
3	KR 100367006  (B1)	2002-12-20	JUN MIN SUK; KIM CHAN SIK; KIM YONG JOO; LEE HEA YUK	KR20020049974 20020823
4	US 3949609  (A)	1976-04-13	HAMMERSLAG JULIUS G	US19750572117 19750428; US19720222264 19720131
5	CN 2138295  (Y)	1993-07-14	JINBIAO HUANG [CN]; PANSONG MAO [CN]; TAO GAO [CN]	CN19922018480U 19920808
6	GB 812674  (A)	1959-04-29	PLANER FELIX ERNEST	GB19570024983 19570808
7	GB 558299  (A)	1943-12-30		GB19420008820 19420626
8	GB 597420  (A)	1948-01-26	ARTHUR LIGHT	GB19450014540 19450608
9	GB 1222379  (A)	1971-02-10	DAVIS NEVILLE RYLAND	GB19670043604 19670925
10	GB 1298307	1972-11-29		US19700052667 19700706

 

№ п/п	Название охран-го документа	№, год класс МКИ, авторы, фирма	Цель	Сущность
1	RU19990111389 19990526	RU2165600 C, 2001-04-20, Карабанов С.М.; Гармаш Ю.В, Рязанский металокерамический завод.	Изобретение относится  к области электронной  техники а именно к устройствам  для измерения температуры.	Изобретение основано на  эффекте Зеебека. Термостабильное напряжение генерируется как разность напряжений на прямосмещенном диоде и эмитерном переходе биполярного транзистора. Имеет по грешности присущие данному методу.
2	UA20070000204 20070109	RU2007133856, 2009-03-20, Гайский Виталий  Александрович; Гайский Павел Витальевич., Морской гидрофизический  институт.	В основу изобретения  поставлена задача построения измерителя температуры на базе нескольких резистивных  датчиков.	Измеритель  температуры содержит цепочку из размещенных локально на общей теплопроводящей  подложке и последовательно подключенных резисторов. Один внешний вывод подключен к источнику тока другой заземлен а внутренние выводы параллельно подключены к АЦП.
3	KR20020049974 20020823	KR 100367006  (B1),  2002-12-20, JUN MIN SUK; KIM CHAN SIK; KIM YONG JOO; LEE HEA YUK, METATECH CO LTD	Быстро и  точно измерить температуру человека.	Термистора  окруженный сверхтонким слоем стекла 1.8-2.2 мкм. Крепится к зонду из эпоксидной смолы. Сигнал снимаемы с термистора преобразуется и  выдается в цифровой форме.
4	US19750572117 19750428; US19720222264 19720131	US 3949609  (A) 1976-04-13, HAMMERSLAG JULIUS G	Быстро и  точно измерить температуру человека.	Сигнал снимается  с моста с терморезистором. Имеются подстроечные резисторы для регулировки параметров. Существует  возмодность подключения одноразовых зондов. Зонд состоит проводов в изоляционной оболочке
5	CN19922018480U 19920808	CN 2138295  (Y), 1993-07-14, JINBIAO HUANG [CN]; PANSONG MAO [CN]; TAO GAO [CN]	Быстро и  точно измерить температуру человека.	Чувствительным  элементом является термистор, включенный в мостовую схему. Данные о измерении высвечиваются на жидкокристаллический дисплей.
6	GB19570024983 19570808	GB 812674  (A), 1959-04-29, PLANER FELIX ERNEST, ADDISON ELECTRIC COMPANY LTD	Измерение температуры  движущихся металлических объектов.	Построено на эффекте Зеебека. Термистор, включенный в мостовую схему измеряет температуру окружающей среды и служит для нейтрализации погрешности.
7	GB19570024983 19570808	GB 558299  (A), 1943-12-30, STANDARD TELEPHONES CABLES LTD; PRAFULLA KUMAR CHATTERJEA; HENRY WOLFSON; DERMOT MIN AMBROSE; STANLEY CARDEN SHEPARD	Измерение температуры  различных объектов.	Простейшая  схема включения терморезистора. Состоит из термистора подключенного последовательно  с батареей, балластным резистором и амперметром.
8	GB19450014540 19450608	GB 597420  (A), 1948-01-26, ARTHUR LIGHT,	Измерение температуры  различных объектов.	Термистор, включен в мостовую схему, сигнал с моста усиливается каскадом на транзисторах. Имеются подстроечные резисторы для регулировки параметров схемы.
9	GB19670043604 19670925	GB 1222379  (A), 1971-02-10, DAVIS NEVILLE RYLAND.	Измерение температуры  различных объектов	Состоит из термистора, включенного в мостовую схему. Мост устроен так что его сопротивление  всегда постоянно(имеется подстроечный резистор).
10	US19700052667 19700706	GB 1298307, 1972-11-29, UNITED STATES BANKNOTE CORP.	Быстро и  точно измерить температуру человека.	Термистор включен  в мостовую схему сигнал с моста  усиливается, преобразуется и отображается на выходе стрелочным указателем.

2.2 Обзор преобразователей, тем и их схем включения

Рассмотрим  более подробно патенты номер GB 1298307 и GB 1222379  (A) так как их устройство и характеристики наиболее схожи техническим заданием разрабатываемого устройства.

GB 1222379  (A) Temperature sensitive bridge circuits and probes therefor.(Мостовая схема чувствительная к температуре с зондами для измерений.)

Схема устройства приведена на рис.1.

Рис. 1. Схема устройства.

Диапазон измерений  данного устройства зависит от включенного в  схему терморезистора. Мост устроен так, что сумма сопротивлений плеч всегда постоянна. Напряжение на диагонали моста линейно зависит от температуры.

Имеется реле RL, которое управляется транзистором Т3 и в случае когда напряжение диагонали превышает допустимое разрывает цепь. Транзисторы Т1, Т2 служат для усиления сигнала.

GB 1298307 Electronic thermometer (электронный термометр).

Схема и внешний  вид датчика приведены на рис.2.

Диапазон  измерений то 40.55⁰С до 43.33⁰С.

Время установления показаний 8-12с.

Терморезистор запитавается от источника тока. Для орального и ректального снятия температуры имеются специальные насадки.

Рис.2. Схема устройства.

2.3 Z-термисторы как новый класс температурных сенсоров

Рассмотрим  так же отечественную разработку устройства на основе Z-термисторов. 

Z-термисторы  могут работать без усилителей  и специальных формирователей выходного сигнала и непосредственно подключаться к компьютерам, уменьшая тем самым затраты на интерфейс. По чувствительности Z-сенсоры превосходят все известные в настоящее время температурные сенсоры, построенные на других физических принципах. Они широко используются в различных системах сигнализации, измерения и регулирования температуры.

Z-термисторы  могут работать в трёх режимах:  с амплитудным и частотно-импульсным  выходными сигналами, а также  в пороговом режиме со скачкообразным  выходным сигналом.

Рассмотрим  простейшую схему включения Z-термисторов.

Для реализации частотно-импульсного режима работы Z-термистора, параллельно к нему подключают ёмкость С. Рассмотрим принцип  действия Z-термистора в этом режиме работы на примере использования схемы рис. 3.