Лабораторная работа «Электрические датчики температуры»

Цель: 1) изучить физические принципы работы различных датчиков температуры; 2) градуировка датчиков; 3)определение чувствительности термопары и резистивных датчиков.

Датчики - устройства съема измеряемой величины, осуществляющее ее преобразование в форму (чаще всего в электрический сигнал), удобную для последующего усиления, обработки, передачи, регистрации и индикации.

Как следует из этого определения, датчики - это устройства, которые не только измеряют необходимые неэлектрические медико-биологические характеристики (параметры), но и преобразуют их в электрические сигналы. Поэтому их часто называют также измерительными преобразователями.

Датчики подразделяются на активные (генераторные) и пассивные (параметрические).

Активные датчики — это датчики, которые сами генерируют электрический сигнал при изменении внешней не электрической величины воздействия. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, индукционные и термопары.

В пассивных датчиках электрический сигнал не генерируется (именно в этом смысле они пассивны), а лишь происходит изменение их внутренних параметров (электросопротивление, электроемкость, индуктивность и т.д.) под действием измеряемой величины. В отличие от активных датчики пассивные необходимо включать в электрическую цепь с внешним источником питания. К таким датчикам относятся емкостные, индуктивные, резистивные датчики.

Одной из важнейших разновидностей датчиков является датчики температуры, поскольку многие процессы как в организме человека, так и в его повседневной жизни регулируются температурой.

Такие датчики нашли разнообразное применение в клинике. Они используются в палатах интенсивной терапии и реанимации для контроля температуры тела пациента. Кроме того, в заданных пределах должна поддерживаться температура в больничных инкубаторах для новорожденных. Измерение температуры тела человека в течение одних или нескольких суток позволяет получить информацию о физиологических ритмах и состояниях организма и т.д.

Наконец, с помощью датчиков контролируется температура в термоклавах и специальных медицинских печах.

Существует множество способов измерения температуры самыми разными датчиками, работа которых основана на различных принципах.

Используемые в медицине для этой цели датчики, как правило, основаны на зависимости электрического сопротивления от температуры или возникновения ЭДС, пропорциональной температуре (термопары). В зависимости от того, возрастает или понижается электросопротивление датчика при повышении температуры, различают датчики с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

ТКС - это отношение скорости изменения сопротивления при изменении температуры к среднему значению сопротивления в данной области температур:

a = ( % / ^оС) (1)

Рассмотрим основные типы датчиков, температуры.

Резистивные датчики на основе металлов

Электрическое сопротивление металлических проводников, как правило, изменяется с температурой Т в соответствии с уравнением

R₁ = R₀ ( 1 + a tºC), (2)

где a - температурный коэффициент, имеющий значение ( 2 ¸ 6 ) ^. 10^-3, ⁰C^-1 для различных металлов, а R_о – сопротивление при 0^оС .

В еличина константы a зависит от типа проводника, из которого изготовлен проводник. Чаще всего для изготовления датчиков используется медь ( a = 4 ^.10^-3, ^оС^-1), никель ( 5,4 ^. 10^-3, ^оС^-1 ) и платина (3,9 ^.10^-3, ^оС^-1). Температурные зависимости сопротивления этих материалов приведены на рис.1.

Такие датчики в большинстве случаев изготавливаются с сопротивлением 100 Ом при 0^оС, обладают положительным ТКС и являются достаточно точными (хорошая повторяемость результатов).

Термисторы

Термисторы - это термочувствительные резисторы, изготовленные из полупроводниковых монокристаллов германия и кремния или из других поликристалических полупроводниковых материалов.

Большинство же выпускаемых полупроводниковых термисторов характеризуются высоким сопротивлением и большой величиной отрицательного ТКС - 3...6 % ^оС^-1, что примерно в 10 раз больше, чем у платиновых и никелевых датчиков. Однако повышенная чувствительность сопровождается потерей линейности. Зависимости сопротивления от температуры для термисторов:

R = e^W/2кТ (3)

где А – константа; W – энергия связи валентного электрона; Т – абсолютная температура; К=1,35·10^-23 - постоянная Больцмана.

В этом случае температурный коэффициент, согласно выражению (1), оказывается равным

a = – W/2кТ ² = – В / Т², (4)

т.е. отрицательный и зависит от температуры, следовательно, для каждой температуры имеет свое значение.

Температурная зависимость сопротивления для таких датчиков приведена на рисунке 2:

Ф

0

изические принципы работы резистивных термодатчиков

Как металлы, так и полупроводники, на основе которых изготавливаются резистивные датчики температуры, являются кристаллами.

Внешнее электрическое поле Е, приложенное к однородному кристаллу, вызывает электрический ток, обусловленный перемещением свободных носителей заряда, плотность которого

j = s ^. E, (5)

Коэффициент пропорциональности s называется удельной электрической проводимостью вещества.

Под действием электрического поля с напряженностью Е свободные электроны в кристалле должны двигаться в одном направлении с постепенно нарастающей скоростью υ, однако в реальности этого не происходит из-за того, что тепловые колебания атомов кристаллической решетки затрудняют направленное движение электронов против электрического поля Е. При этом траектория движущихся электронов искривляется, т.е. они рассеиваются. Количественной мерой рассеивания служит длина свободного пробега электрона L – среднее расстояние, проходимое электроном между двумя столкновениями (актами взаимодействия) с колеблющимися ионами кристаллической решетки. Чем больше величина L, тем меньше степень рассеяния и наоборот.

Таким образом, при совместном действии электрического поля и рассеяния движение электронов в кристалле происходит с конечной средней скоростью направленного движения υ, которая пропорциональна напряженности электрического поля Е:

υ = bE (6)

Величина b , равная средней скорости носителя в поле с напряженностью 1 В/см, называется подвижностью носителей заряда. Ее размерность, согласно (6), [b] = [ n ] / [ Е ] = [ см² / В ^. с ].

Средняя скорость n, подвижность b и, следовательно, удельная электрическая проводимость, равная

s = еnb, (7)

(где е - заряд электрона, n - концентрация носителей заряда) зависят от числа и характера актов рассеяния, т.е. в значительной мере определяются длиной свободного пробела носителей заряда.

Удельное сопротивление r связано с проводимостью выражением

r = 1 / s = 1 / enb (8)

Из (8) следует, что температурная зависимость r, а значит, и полного электросопротивления R = r ^. l / S , определяется зависимость от температуры величин n и b .

Для металлов, как правило, n = соnst, следовательно, за температурную зависимость r отвечает изменение b с температурой. С ростом температуры увеличиваются амплитуды тепловых колебаний атомов решетки, что приводит к увеличению рассеяния носителей заряда (электронов). Поэтому при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега L и, как следствие этого, снижается величина подвижности b носителей заряда (b, L). С учетом этого на основании выражения (8) можно сделать вывод, что сопротивление чистого металла будет тем больше, чем интенсивнее тепловое движение атомов, которое увеличивается с ростом температуры. С другой стороны, согласно теории, при стремлении температуры к абсолютному нулю сопротивление чистого металла должно стремиться к нулю. Это подтверждается экспериментально.

По своему строению полупроводники, как и металлы, являются кристаллами. Однако в отличии от металлов они имеют меньшую плотность атомов на 1 см³ в кристаллической решетке. При плотной же упаковке атомов (металлы) из-за сильного электрон – электронного взаимодействии близко расположенных соседних атомов часть электронов отрывается от своих атомов и становится общей для всего кристалла в целом. Свободные электроны могут участвовать в проведении электрического тока, и по этому они называются электронами проводимости. В металлах электроны проводимости существуют изначально, а их концентрация постоянна и не зависит от температуры кристалла.

На это есть причины:

1. собственная проводимость и 2) примесная проводимость.

1. В соответствии с первой причиной из-за тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке всегда существует некая зависящая от температуры вероятность разрыва ковалентной связи между атомами, которая сопровождается появлением свободных электрона и «дырки» (разорванная ковалентная связь). Причем эти оба носителя заряда (электрон и «дырка») могут перемещаться по кристаллу, но с разной скоростью и, следовательно, участвовать в проведении электрического тока. Действительно, разорванная связь может захватить электрон с ковалентной связи соседнего атома и т. д., что равносильно перемещению разорванной ковалентной связи («дырки») по кристаллу. Поэтому собственная концентрация n свободных носителей заряда в полупроводниках будет равна сумме концентрации электронов n_e и дырок n_р :

n = n_e + n_p (9)

В чистом полупроводнике n_e = n_p и

n_{e ~} e^W/2кТ , (10)

где W-энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи (энергия связи валентного электрона в атоме), к - постоянная Больцмана и Т- абсолютная температура.

Из (10) следует, что с ростом температуры n_e резко(по экспоненте) увеличивается(чего не было в металлах). Увеличение же n , согласно выражения (8), приводит к очень быстрому уменьшению электросопротивления чистого полупроводника с ростом температуры (см. рис. 2).

Таким образом, температурная зависимость сопротивления чистых полупроводников (например, Si и Ge) обусловлена в основном появлением дополнительных свободных носителей заряда (электронов и дырок) с ростом температуры кристалла.

2. В соответствии со второй причиной (примесная проводимость) в кристаллах полупроводников могут изначально присутствовать или намеренно вводиться в чистый кристалл путем его легирования различные примеси, которые вносят в кристалл электроны или дырки проводимости.

Например, если кристалл чистого кремния легировать пятивалентной примесью фосфора, то атомы фосфора P, встраиваясь в решетку, состоящую из четырехвалентных атомов Si, отдают пятые валентные электроны, которые становятся свободными. Если атомов фосфора достаточно много, то кристалл кремния приобретет ярко выраженную электронную проводимость, а температурная зависимость его электросопротивления будет схожа с таковой для металлов. Аналогичным образом введение трехвалентного бора (В), вызовет появление ярко выраженной дырочной проводимости, так как атомы бора (В) из-за отсутствия 4-го валентного электрона, который необходим для встраивания атома бора в решетку, будут связывать по одному электрону, т.е. вносить «дырки» в исходный кристалл.

Если же кремний является чистым (нелегированным), то он, в соответствии с выражениями (3 и 8), изначально имеет такую же рабочую характеристику как и германий (электросопротивление уменьшается почти по экспоненте с ростом температуры), рис. 2.

Термопара

Термопара - это устройство, состоящее из двух соединенных на одном из концов разнородных металлических проводов, например, меди и медно-никелевого сплава, железа и медно-никелевого сплава или платины и платинородиевого сплава.

Рассмотрим физический принцип работы термопары. В области контакта (рис.3) двух разнородных (т.е. с разными концентрациями электронов) металлов или полупроводников возникают диффузионные потоки электронов из одного материала в другой. В результате этого контактирующие материалы заряжаются в области спая А противоположными зарядами: положительный заряд приобретет тот металл (полупроводник), который первоначально имел более высокую исходную концентрацию электронов, а отрицательный заряд получит другой металл (полупроводник), куда продиффундировали электроны из первого. Такое разделение зарядов приведет к возникновению равновесной контактной разности потенциалов U_А, которая будет увеличиваться с температурой и определяется уравнением Нернста:

U_A= , (11)

где – постоянная величина для данной термопары.

С учетом (11) из условия равенства электрохимических потенциалов соприкасающихся металлов не сложно получить выражение для ЭДС термопары, просуммировав контактную разность потенциалов в областях спаев А и В, обходя кольцо в одном направлении:

(12)

где R – газовая постоянная, F – постоянная Фарадея.

Из (12) видно, что величина термоЭДС зависит от различий концентраций свободных электронов в металлах (ln ) и разности в температурах двух спаев (T_A – T_B). Коэффициент b имеет смысл термоЭДС, возникающей в цепи при разности температур контактов, равной 1^оК, и имеет размерность [В / град] и называется «постоянная термопары».

В связи с этим для повышения термоЭДС выбирают пары металлов с большой разницей концентраций электронов и объединяют несколько термопар в термобатарею.

М есто соединения проводов в термопаре называется спаем (на практике – это сварной контакт). Если температура спая и свободных концов различны, то между последними возникает электродвижущая сила (ЭДС), зависящая от разности температур. Соединив между собой две такие термопары, получаем так называемую дифференциальную термопару или полный датчик, т.е. кольцо, состоящее из двух металлов. Если теперь один спай поместить при 0^оС (тающий лед), а второй – в среду с температурой, отличной от 0^оС, то между спаями возникает ЭДС (рис.4) .

Термоэлектрические датчики температуры (термопары) основаны на эффекте Зеебека, суть которого состоит в следующем. Если два проводника из разнородных металлов соединить друг с другом концами, так что образуется замкнутая цепь (рис. 3), а образовавшиеся контакты А и В поместить при различных температурах, то в этой замкнутой цепи будет течь ток. При сохранении разницы в температурах двух контактов (спаев) ток будет течь постоянно. Электродвижущая сила (ЭДС), вызывающая этот ток, называется термоЭДС Зеебека.

И наоборот при пропускании тока по такой замкнутой цепи один из контактов (спаев) будет нагреваться, а другой – охлаждаться (эффект Пельтье). Последнее используется для создания холодильников.

В зависимости от вида термопары величина этой ЭДС составляет от 7 до 75 мкВ / ^оС. ЭДС термопары связана с разностью температур спаев практически линейной пропорциональной зависимостью.

График ЭДС термопары как функция температуры приведен на рис. 5.