Переход к автоматизации различных технологических процессов требует измерения большого количества физических величин.

Датчики (сенсоры, измерительные преобразователи) являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, для воздействия им на управляемые процессы.

Иначе говоря, датчик– это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

В нашем случае основными источником информации является датчики температуры (термодатчики). Определим требования, которые предъявляются к этим датчикам:

- диапазон измеряемых температур от -40ºС до +100ºС. Заданный диапазон температур определяется значением температуры внешней среды, температурой воздуха вне помещения, температурой воздуха и стен в помещении и температурой отопительных приборов;

- точность измерения температуры должна находиться в пределах

от ±0,5ºС до ±1 ºС (3-5 % от измеренного значения температуры);

- интервал взятия температурных отсчетов лежит в пределах

от нескольких минут до часа;

- потребляемая мощность;

- габариты (размеры датчика);

- цифровой выход желателен;

- стоимость устройства.

В связи с этим рассмотрим те датчики температуры, которые удовлетворяют заданным требованиям:

- кремниевые датчики температуры;

- инфракрасные датчики температуры (пирометры).

1. Терморезистивные датчики температуры

Кремниевые датчики температуры

Кремний широко используется для изготовления датчиков температуры, обладающих положительным температурным коэффициентом сопротивления (ПТК).

Температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС)- величина, равная относительному изменению электрического сопротивления при изменении температуры на единицу. Измеряется в кельвинах в минус первой степени (K⁻¹).

(1.1)

Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры.

Рисунок 1.1 - Удельное сопротивление и количество свободных носителей зарядов в кремнии, легированном примесями n-типа

Чистый кремний, как монокристаллический, так и полликремний, сам по себе обладает отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Однако после легирования примесями n- типа, в определенном температурном диапазоне его температурный коэффициент становится положительным (рис 1.1). Этот эффект объясняется снижением подвижности носителей зарядов при понижении температуры.

При высоких температурах количество свободных носителей зарядов увеличивается за счет спонтанно образуемых носителей, поэтому в этом температурном диапазоне преобладают собственные полупроводниковые свойства кремния. Таким образом, при температурах ниже 200°С, удельное сопротивление кремния имеет ПТК, а при температурах выше 200°С он становится отрицательным.

Кремниевые резистивные датчики часто встраиваются в микроструктуры для осуществления температурной компенсации или проведения прямых измерений температуры. Также существуют дискретные кремниевые датчики, например, детекторы температуры KTY фирмы Philips.

KTY датчик состоит из кристалла кремния n-типа размером 500x500x240 мкм, металлизированного с одной стороны и с контактной площадкой с другой стороны. При такой конструкции датчика создается эффект «растягивания» сопротивления, в результате которого внутри кристалла устанавливается коническое распределение тока, значительно снижающее зависимость характеристик от производственных до пусков. При больших токах и высоких температурах KTY датчик становится чувствительным к направлению тока. Для решения этой проблемы применяется сдвоенный датчик, в котором два чувствительных элемента включаются последовательно навстречу друг другу.

Типичная чувствительность кремниевого датчика с ПТК составляет порядка ,т е его сопротивление меняется на при изменении температуры на 1°С. Передаточную функцию KTY датчика можно аппроксимировать полиномом второго порядка:

, (1.2)

где и - сопротивление в Омах и температура в Кельвинах, измеренные в эталонной точке. Например, рабочий диапазон датчиков KTY-81 составляет от-55 до +150°С, .

На рис 1.2 показана типовая передаточная функция кремниевого резистивного датчика.

Рисунок 1.2 - Передаточная функция кремниевого резистивного датчика

Достоинства кремниевых датчиков температуры:

1. Такие датчики обладают довольно хорошей линейностью, которая может быть улучшена при помощи простых термокомпенсационных цепей, и высокой долговременной стабильностью (обычно ±0.05К в год).

2. Измерение температуры с помощью кремниевых датчиков имеет интерес в случае массового применения, так как они значительно дешевле других датчиков и имеют большой температурный коэффициент.

3. Диапазон измерения температур от-55 до +150°С. Внутри этого диапазона кремниевые датчики температуры показывают хорошую линейность и точность.

4. Возможность производства в одном корпусе такого датчика не только самого чувствительного элемента, но также схем усиления и обработки сигнала. Встроенная в такой датчик энергонезависимая память позволит индивидуально откалибровать каждый прибор.

5. Большое разнообразие типов выходного интерфейса: это может быть напряжение, ток, сопротивление, либо цифровой выход, позволяющий получить такой датчик к сети передачи данных.

Недостатки кремниевых датчиков температуры:

1. Узкий температурный диапазон измеряемых температур и большая нелинейность, однако, для определенных применений эти недостатки имеют второстепенное значение.

2. Относительно большие размеры по сравнению с аналогичными датчиками других типов, особенно термопарами. Кремниевые датчики температуры в основном применяются для измерения температуры поверхности, температуры воздуха.

1.2 Полупроводниковые датчики температуры на основе p-n перехода

Характеристики полупроводникового p-n перехода в диодах и биполярных транзисторах довольно сильно зависят от температуры. Если прямо смещенный переход соединить с генератором постоянного тока (рис. 1.3), выходное напряжение, снимаемое с него будет, прямо пропорционально изменению его температуры. Достоинством такого датчика является его линейность, что дает возможность проводить его калибровку по двум точкам для определения наклона прямой и ее пересечения с координатной осью.

Рисунок 1.3 – Датчик температуры на основе прямосмещенного p-n перехода

На рис.1.3 показана схема детектора температуры на базе транзистора, в которой вместо источника тока используется источник напряжения и резистор R. Ток протекающий через транзистор можно найти из выражения :

, (1.3)

Рекомендуется работать при токе 100 мкА. Тогда при и , сопротивление . При увеличении температуры напряжение падает, что приводит к незначительному увеличению тока . В соответствии с уравнением (1.4) это вызывает некоторое снижение чувствительности, которая выражается в появлении нелинейности.

(1.4)

где - величина заряда электрона;

K – константа, независящая от температуры;

k – постоянная Больцмана.

Рисунок 1.4 – Зависимость погрешности измерений от температуры, построенная для датчика температуры, реализованного на основе кремниевого транзистора PN100

Благодаря простоте и очень низкой стоимости, транзисторные датчики температуры получили довольно широкое распространение. На рис.1.4 показана зависимость погрешности измерений датчика температуры, реализованного на основе транзистора PN100, от температуры при рабочем токе 100 мкА. Как видно из рисунка, погрешность измерений довольно мала, и во многих случаях можно даже обойтись без коррекции нелинейности.

Напряжение на транзисторах всегда пропорционально абсолютной температуре в Кельвинах. На основе этого свойства можно реализовать недорогой, но достаточно точный датчик температуры. В этом датчике можно либо непосредственно измерять напряжение, либо предварительно преобразовать напряжение в ток, по величине которого определять температуру. Такой полупроводниковый датчик построен на основе зависимости между напряжением база-эммитер () и коллекторным током биполярного транзистора. На рис.1.5 показана упрощенная схема детектора температуры. В этом датчике транзисторы и формируют «токовое зеркало», вырабатывающее два одинаковых тока и , которые поступают на транзисторы и .Величина коллекторных токов определяется сопротивлением R. В монолитной схеме транзистор состоит из нескольких идентичных транзисторов, включенных параллельно. Поэтому плотность тока в будет в восемь раз больше, чем на каждом из транзисторов, входящих в состав . Разность напряжений база-эммитер двух транзисторов и равна:

, (1.5)

где - множитель тока, k – постоянная Больцмана, q – заряд электрона, T – температура в Кельвинах. Ток одинаков для обоих транзисторов. Ток, протекающий через резистор R, создает на нем напряжение ,величина которого не зависит от токов на коллекторах. Исходя из этого, можно найти выражение для суммарного тока, протекающего через датчик:

, (1.6)

При r=8 и R=358 Ом, данный датчик обладает линейной передаточной функцией

Рисунок 1.5 – Упрощенная схема полупроводникового датчика температуры (а) и зависимости тока от напряжения (б)

На рис.1.5 б показаны зависимости тока от напряжения, построенные для разных температур. Отметим, что значение выражения в круглых скобках в уравнении (1.6) в данном конкретном случае является постоянной величиной и может быть точно подстроено в процессе изготовления для получения требуемого наклона /T/. Ток легко преобразуется в напряжение. Например если последовательно с датчиком включить резистор номиналом 10 кОм, напряжение на нем будет прямо пропорционально температуре.

Работа упрощенной схемы, показанной на рис.1.5 (а), соответствует уравнениям (1.5) и (1.6) только в случае использования идеальных транзисторов, у которых . Поскольку таких транзисторов не бывает, в схемы, применяемые на практике, приходится вводить много дополнительных компонентов. Многие фирмы выпускают датчики температуры, реализованные на этом принципе, такие как (National Semiconductors) LM 35 –с выходом по напряжению и AD590 (Analog Devices) – с токовым выходом.