Датчики высокой температуры

Высокотемпературные датчики

Датчики для измерения высоких температур применяются в системах, где требуется измерить температуру, например, дымовых газов или отработанного воздуха. Диапазон измерения от -35 до +600 °C (опционально от -100 до +750 °C). Степень защиты корпуса высокотемпературных датчиков IP 54 (опционально IP 65). Датчики производятся в нескольких модификациях и различаются:

• по типу монтажа: горловина с гильзой или с фланцем;
• по типу выходного сигнала: пассивный или активный (0-10 В / 4…20 мА);
• длине погружной части: 200 – 500 мм.

Все датчики проходят калибровку на заводе-изготовителе. При необходимости, во время эксплуатации, возможна калибровка датчика – настройка диапазона измерения и положения нуля.

Датчики уровня, реле уровня - уровнемеры применяются для измерения непрерывного уровня (текущего) и предельного уровня (максимального или минимального) жидких, вязких, и сыпучих веществ.

Поплавковые датчики уровня - простейшие уровнемеры для сигнализации и контроля предельного уровня невязких жидкостей.

Вибрационные датчики уровня для сыпучих, липких и пастообразных вещетв с низкой текучестью.

Емкостные датчики уровня для измерения текущего уровня, контроля через стенку емкости, при высокой температуре и давлении.

Радарные датчики уровня для удаленного и бесконтактного измерения уровня в помехоустойчивом и взрывозащитном исполнении.

Магнитострикционные датчики уровня для измерений с высочайшей точностью и надежностью для систем коммерческого учета.

Ультразвуковые датчики уровня для измерения текущего и предельного уровня, с цифровым и аналоговым выходом.

Датчики гидростатического уровня для измерения непрерывного и предельного уровня по столбу жидкости.

Кондуктометрические датчики уровня для контроля одного или нескольких уровней в жидкостях, проводящих электрический ток.

Лазерные датчики уровня для бесконтактного измерения фотоэлектрическим методом.

Измерение температуры - один из самых насущных видов измерений и в быту, и в работе. Электронный термометр - штука полезная, особенно если он цифровой. Характеристики термометра в первую очередь определяются первичным датчиком температуры. или термопреобразователем. Для краткости будем называть его просто - датчик. Наиболее популярные виды датчиков приведены в таблице.

Существуют и более экзотические датчики температуры - манометрические, кварцевые нетермокомпенсированные резонаторы, пирометрические датчики, и ещё другие, о которых неизвестно даже Премудрому Коту.

Чаще всего применяются термопары - из-за их дешевизны. Это хорошо для промышленности, когда известна характеристика термопары. Чаще всего используются типа ХА (К) с предельной рабочей температурой +1300 о С, и ХК (L) c предельной температурой +850 о C. Прочие виды термопар - более дефицитны. Можно и самому сделать простейшую термопару, например, для паяльной станции - взять один провод от держателя нити накала осветительной лампочки, а другой провод - железный или медный, скрутить их концы плоскогубцами - и вуаля- термопара готова! Но надёжность такого решения весьма сомнительна, лучше всё-таки сварить концы термопары в газовой горелке. Придётся также самому снимать температурную характеристику этой термопары.

У нас на сайте публиковались практические реализации термометров на полупроводниковом датчике и на термопаре. Там же рассматривались способы калибровки термометров на этих датчиках.

Сейчас мы рассмотрим конструкцию термометра типа RTD. Как уже упоминалось, датчики такого типа обладают наиболее высокой линейностью (или, более точно - монотонностью) и повторяемостью характеристик.

Кстати, стоит заметить, что все справочники перепечатывают одну и ту же информацию о необыкновенно высокой линейности таких датчиков. Но достаточно построить график характеристики, как будет видна её нелинейность. Коэффициент пропорциональности между изменением температуры и приращением сигнала называется коэффициентом Зеебека (или Сибека - кому как нравится). Этот коэффициент наиболее равномерен у датчиков типа RTD. А вот у термопар коэффициент Зеебека может даже менять знак, особенно при широком диапазоне измерения. И чем чувствительнее термопара, тем меньше линейность коэффициента.

Простейший датчик RTD можно сделать, намотав соответствующее количество медной проволоки на оправку. Недостаток такого датчика - предельная рабочая температура, ограниченная +200 о С. Гораздо более высокой температурной стойкостью обладают платиновые термометры сопротивления - до +850. +1100 о С. Все образцовые термометры и эталоны делаются на их основе. Конечно, сделать тончайшую платиновую проволоку непросто, поэтому стоимость таких датчиков высока. Но сейчас производители насобачились делать платиновые сопротивления по той же технологии, что и микросхемы - напылением, и стоимость снизилась настолько, что их может купить любой человек.

На фотографии можно видеть три вида исполнения датчиков. Слева направо - в керамическом корпусе для измерения высоких температур; бескорпусный датчик, изготовленный по интегральной технологии; датчик для измерения температуры агрессивных сред (корпус сделан из кварцевого стекла); и готовый термометр. Градуировка такого термометра очень проста. Вместо датчика включается образцовый магазин сопротивлений, и выставляется сопротивление, соответствующее измеряемой температуре.

Cледует знать, что существует два вида зависимости сопротивления от температуры: группа с W100=1.3850 (стандартDIN, используется платина чистоты 99,99%) и W100=1,3910 (американский стандарт, в платину добавлены другие элементы платиновой группы). При покупке датчика неплохо бы знать эту зависимость, чтобы правильно калибровать термометр. Номинальное сопротивление изготовляемых платиновых датчиков Rном= 20; 50; 100; 1000 Ом при нуле градусов Цельсия. Сопротивление датчика в зависимости от температуры выражается простой формулой

Rt= Rном * К

В таблице приведены значения нормированного сопротивления К при разной температуре для обоих видов зависимости W100

Для любительских целей точности этой таблицы вполне достаточно. Точность калибровки будет зависеть только от точности образцового магазина сопротивлений (при калибровке по магазину сопротивлений) или от точности омметра (при отсутствии образцовых сопротивлений).

Сама принципиальная схема достаточна проста. Представлены два варианта исполнения - с датчиком на Rном=100 Ом на два предела измерения +/- 199,9 о C и -200. +800 о C(первичный датчик не рассчитан на более высокую температуру).

S1.1 вкл. питания измерительной схемы

S1.2 вкл. питания вольтметра

R2 подстройка шкалы +199,9 градусов Цельсия.

R5 подстройка нуля шкалы.

Образцовое стабильное напряжение 2,5 вольта подаётся на неинвертирующие входы ОУ, что превращает ОУ в источники тока. По закону Ома падение напряжения на сопротивлении пропорционально току. Но ток у нас постоянный, и падение напряжения будет зависеть от сопротивления. Источник тока на DA2.1 нагружен на постоянное сопротивление, и поэтому напряжение на выходе ОУ будет постоянным. Источник тока на DA2.2 нагружен на датчик, и напряжение на выходе ОУ будет меняться с температурой. Вольтметр по шкале измерения 0,2 вольта измеряет разность напряжений, прямо пропорциональную температуре. Такое схемное решение позволяет сохранять точность измерения в диапазоне напряжения от 3 до 10 вольт. Следует обратить особое внимание на источник образцового напряжения, поскольку он определяет точность всего термометра. С обычными стабилитронами и даже прецизионными типа TL431 ничего толкового не получится. Надо использовать специальные микросхемы- источники опорного напряжения, например AD680, REF192. Они дороже, но лучше по всем характеристикам, и гораздо экономичнее по току потребления. Однопредельный термометр потребляет 1,5 мА по измерительной цепи, и менее 1 мА по цепи индикации.

Ещё одна особенность схемного решения - раздельные цепи питания измерительной цепи и вольтметра. Вольтметр - готовый модуль с Ж/К индикатором, но ничто не мешает использовать любой другой вольтметр. Главное - цепи питания должны быть раздельные, без гальванической связи. Однопредельный термометр, показанный на фото, питается от двух батареек "Крона".

Резисторы должны быть с 1% допуском от номинала. Если их нет, то подберите по цифровому омметру как можно ближе к номиналу. Подстроечные резисторы - многооборотные типа СП5-22.

Настройка однопредельного термометра с датчиком номинальным сопротивлением 1000 Ом.

Вместо датчика подключите образцовый магазин сопротивлений, желательно класса 0,05. Установите сопротивление 1000,00 Ом - это соответствует температуре 0оC. Регулировкой резистора R5 установите на цифровом индикаторе 0.0. Установите на магазине сопротивление 1754,70 или 1766,60 Ом (в зависимости от характеристики датчика W100); на цифровом индикаторе резистором R2 установите показания +199,9 о C.

Настройка двухпредельного термометра с датчиком номинальным сопротивлением 100 Ом немного сложнее. Сначала калибруем по нулевым показаниям индикатора (100,00 Ом на магазине сопротивлений), затем калибруем первый предел измерения +/-199,9 подстройкой опорного напряжения вольтметра (для этого см. принципиальную схему используемого вольтметра), на магазине сопротивлений 176,66 или 175,47Ом; и, наконец, верхний предел измерения температуры - точку +800 о C - на магазине сопротивлений 375,51 или 379,72 Ом.

Теперь можно установить на магазине любое табличное сопротивление и на индикаторе прочесть соответствующее значение температуры, или повторить калибровку по другим точкам, например на точках 20 и 80 % полной шкалы. Так мы немного разбросаем погрешность измерения из-за нелинейности датчика по всему диапазону.

Тут с криком "Я, я знаю как это объяснить!" к клавиатуре пролез кот Сэра Мурра и накатал следующий текст.

Построим график зависимости и соединим конец и начало графика прямой линией. Мы увидим, что примерно посредине наш график имеет максимальное отклонение от прямой линии, и здесь у нас максимальная погрешность измерения со знаком + (рис. а). Теперь переместим прямую параллельно, так, чтобы она касалась нашей экспериментальной кривой в одной точке. Отклонение от прямой сменило знак на минус, и наибольшее отклонение наблюдается на краях диапазона (рис. б). А теперь поместим прямую посредине двух предыдущих положений (рис. в). И - чудо! Отклонение от прямой получилось и со знаком плюс, и со знаком минус, но абсолютная величина отклонения стала почти в два раза меньше!

Вот таким способом можно уменьшить погрешность калибровки при линейной аппроксимации.

Поскольку на этом энтузиазм кота Сэра Мурра закончился, сопроводительные рисунки хозяину пришлось сделать самому, а также написать заключительную фразу:

После тарировки не забудьте подключить датчик вместо проверочного сопротивления!

Вопросы, как обычно, складываем тут.