Входные преобразователи. Обработка сигнала, страница 14

166   Измерительные приборы в электрических измерениях

трехпроводную схему или четырехпроводную схему. На рис, 3.15(а) показана трехпро-водная схема, в которой используется тот факт, что два проводника имеют одинаковое сопротивление, когда R_at = R_a2. У четырехпроводной схемы нет подобных ограничений, но необходим еще один проводник.

Рис. 3.15. (а) Трехпроводная схема; если R_a1. = R_a2 и R_a2. = R_a3, то R(T) = R₄. (b) Четырехпроводная схема; если R₁ » R(T), то R(T)= V/I .

Датчики температуры в интегральном исполнении

Датчик температуры другого типа может основываться на свойствах биполярного транзистора. В таком датчике используется фундаментальное свойство кремния, состоящее в том, что ширина запрещенной зоны зависит от температуры. Датчик реализуется следующим образом. В двух биполярных транзисторах, расположенных близко друг к другу в одной интегральной схеме (ИС), текут различные коллекторные токи. Если отношение плотностей (коллекторных) токов (транзисторы могут иметь различные площади коллекторов) равно r, то разность между напряжениями база-эмиттер двух транзисторов равна (kT/q)lnr. Здесь k- постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, a q — заряд электрона. Эта разность напряжений база-эмиттер линейно зависит от абсолютной температуры. С помощью дополнительных электронных схем это напряжение усиливается для того, чтобы получить на выходе необходимую величину.

Типичный датчик в интегральном исполнении имеет следующие параметры: температурный диапазон от -55°С до 150°С; нелинейность во всем диапазоне составляет приблизительно 0,3 К; чувствительность 10 мВ/К (выходное напряжение) или 1 мкА/К. (выходной ток); нестабильность за 1000 часов работы  0,08 К; рассеиваемая мощность 1,5 — 3 мВт. Тепловое сопротивление датчика, когда окружающая среда представляет собой неподвижный воздух, равно приблизительно 200 — 400 К/Вт. Повышение температуры из-за самонагрева составляет при этом

3.2 Входные преобразователи    

от 0,3 до 1,2 К. Тепловое сопротивление, а следовательно и самонагрев, можно уменьшить примерно в 4 раза, если с помощью радиатора увеличить эффективную площадь поверхности датчика. Недостатком такого решения является тот факт, что реакция датчика замедляется из-за увеличения тепловой массы. Когда устанавливается радиатор, постоянная времени датчика вместе с корпусом при отсутствии обдува увеличивается от  = 80 с до =120 с. При обдуве воздухом со скоростью потока 3 м/с тепловое сопротивление уменьшается в 5 раз. Если такой датчик установлен в жидкости, то самонагрев становится несущественным, особенно в том случае, когда жидкость течет.

Термопары

Когда два различных металла приведены в соприкосновение друг с другом на атомном уровне, возникает разность электрических потенциалов. Эта так называемая контактная разность потенциалов зависит только от природы этих двух металлов и от абсолютной температуры. Площадь контакта не оказывает влияния на разность потенциалов. Для многих комбинаций металлов контактная разность потенциалов приблизительно линейно зависит от абсолютной температуры контакта, если температурный диапазон не слишком велик. Когда два контакта включены последовательно, как показано на рис. 3.16(а), в цепи появляется термоэдс  V при условии, что эти два контакта имеют разную температуру. Такая конструкция называется термопарой. Некоторые характеристики термопар приведены на рис.   3.16(b).

Названия хромель, константан и алюмель относятся к следующим сплавам (относительный вес в процентах):

Рис. 3.16(а) Термопара, образованная двумя контактами разнородных металлов, находящимися при различных температурах T₁ и Т_г (b) Характеристики некоторых обычно применяемых термопар (буквами указаны различные комбинации металлов): Е — хромель-константан; J— железо-константан; К — хромель-алюмель; Т —. медь-константан; R-(87% Pt, 13% Rh) — платина; S - (90% Pt, 10% Rh) — платина, (с) Значение коэффициента Зеебека для этих термопар как функция температуры Т₁ . при заданной опорной температуре T₂ = 0°С.