УДК 621.311.2

Логвинова Дарья Романовна,

учащаяся 11 класса,

МБОУ СОШ № 11 им. Г.М. Пясецкого,

Россия, г. Орёл

Марков Владимир Владимирович,

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева»,

Россия, Орёл

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ – ДОСТУПНЫЙ И ЭФФЕКТИВНЫЙ ОБЪЕКТ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Аннотация: В данной статье показано, что датчики температуры могут эффективно использоваться для организации научно-исследовательской деятельности. Датчики температуры сочетают простоту, доступность и эффективность. С помощью датчиков температуры можно исследовать прямые и обратные эффекты в преобразователях, провести демонстрацию различных тепловых эффектов, научиться конструировать датчики.

Ключевые слова: температура; терморезистивный преобразователь; термоэлектрический преобразователь; термопара; термистор; тепловые эффекты; датчик температуры; термостат; термоэлектрический эффект.

Logvinova Darya Romanovna,

11-th grade student,

MBOU Secondary school N. 11 named after G.M. Pyasetsky,

Russia, Oryol

Markov Vladimir Vladimirovich,

candidate of technical sciences, associate professor,

FSBEI HE "Orel State University named after I. S. Turgenev",

Russia, Orel

TEMPERATURE SENSORS – AN ACCESSIBLE AND EFFECTIVE

OBJECT OF RESEARCH ACTIVITIES

Abstract: this article shows that temperature sensors can be effectively used for organizing research activities. Temperature sensors combine simplicity, affordability and efficiency. Temperature sensors can be used to investigate the forward and reverse effects in transducers, demonstrate various thermal effects, and learn how to design sensors.

Keywords: temperature; thermoresistive converter; thermoelectric converter; thermocouple; thermistor; thermal effects; temperature sensor; thermostat; thermoelectric effect.

Актуальность, цель и задачи проекта. Развитие цифровых технологий и возросшая интенсивность информационных потоков способствуют созданию новой мировой экономики и нового технологического уклада – «Индустрия 4.0» или «Цифровое производство» [1]. В цифровом производстве очень большое внимание уделяется обратной связи между машиной и человеком – системам диагностики состояния оборудования. Основным элементом системы диагностики является датчик – преобразователь состояния машины в электрический сигнал. Для расширения осведомлённости будущих инженеров необходимо изучать датчики ещё в школе, а самыми удобными для изучения в школе являются датчики температуры. Они отличаются простотой, доступностью и при этом широкими измерительными возможностями.

Тема проекта направлена на решение актуальной проблемы – демонстрацию возможностей использования датчиков температуры для организации научно-исследовательской деятельности в школе.

Цель проекта: доказать, что датчики температуры можно эффективно использовать для организации научно-исследовательской деятельности, для создания опытных установок и демонстрации различных тепловых явлений.

Задачи проекта: собрать информацию о видах датчиков температуры, их особенностях и технических возможностях; изучить физические явления, которые лежат в основе работы датчиков температуры; изучить особенности типичных датчиков температуры (термопар); провести опыты по применению термопар; обобщить полученные результаты исследования и сделать выводы.

Результаты социологического опроса. Для оценки целесообразности выполнения проекта проведён предварительный социологический опрос. В результате проведения опроса, получена информация о том, насколько известны и популярны среди жителей города Орла датчики температуры и как хорошо людям известны возможности теплового контроля.

В опросе приняли участие 60 человек – по 20 человек в трёх возрастных группах: от 14 до 18 лет, от 19 до 29 лет, от 30 лет и старше. Всем участникам опроса было предложено ответить на пять вопросов: вопрос №1 – используете ли вы датчики температуры; вопрос №2 – если «да», то какие; вопрос №3 – с какими целями вы используете датчики температуры; вопрос №4 – какие дефекты можно обнаружить с помощью датчиков температуры; вопрос №5 – на какие группы можно разделить датчики температуры?

Результаты социологического опроса, полученные при статистической обработке ответов на вопросы, показаны на рисунке 1.

Результаты социологического опроса позволяют сделать вывод: людям всех возрастных групп интересны датчики температуры: почти все респонденты используют датчики температуры и понимают их значение для жизни. Но имеющихся знаний не хватает, особенно школьникам и студентам.

Поэтому проекты, которые позволят сделать знания о применении датчиков температуры доступными и интересными для школьников, студентов и всех заинтересованных людей, очень нужны.

Теоретические исследования. Преобразователи температуры – это один из наиболее широко распространённых классов первичных измерительных преобразователей (датчиков). Первыми в истории человечества появились преобразователи объёмного расширения, в которых чувствительным элементом служит столб термочувствительной жидкости – ртути или спирта [2-5].

В настоящее время начинается широкое использование электрических датчиков температуры, которые можно разделить на параметрические и генераторные. У параметрических датчиков под действием температуры изменяется сопротивление, поэтому их называют терморезисторами. У металлических терморезисторов эффект зависимости сопротивления от температуры был открыт в XIX веке Г.С. Омом [2], как побочный эффект, искажающий связь между сопротивлением, напряжением и силой тока, известная формула которого в настоящее время названа в честь этого учёного. Особенность металлических терморезисторов – увеличение сопротивления при нагреве; наибольшую чувствительность к температуре и линейность функции преобразования имеют такие металлы, как медь и платина.

Полупроводниковый терморезистор был изобретён в 1930-м году, а его изобретателем считается известный ученый Самуэль Рубен [2]. Различают два типа полупроводниковых терморезисторов – термисторы и позисторы; у термисторов при нагреве сопротивление уменьшается, а у позисторов – увеличивается. Материалами для термисторов и позисторов служат соединения кремния, легированного различными примесями. Функция преобразования позисторов имеет несколько перегибов, что не позволяет их использовать в измерительной технике; они нашли применение в автоматике. Термисторы имеют монотонную функцию преобразования, очень высокую чувствительность, малую стоимость, и поэтому широко используются для измерения температуры, а область их применения постоянно расширяется.

Терморезистивный эффект также положен в основу работы болометра – бесконтактного преобразователя электромагнитного излучения инфракрасного (ИК) диапазона длин волн. Чувствительным элементом в болометре служит очень тонкая платиновая или полупроводниковая пластина, сопротивление которой изменяется под действием теплового ИК-излучения. Болометры входят в состав тепловизоров и бесконтактных термометров.

У генераторных преобразователей под действием температуры появляется электродвижущая сила (ЭДС). Примером генераторных датчиков температуры является термопара – паяное соединение двух проводников из разных материалов, например «медь-алюминий». Термопары интересны тем, что их состояние описывается целой группой физических эффектов: эффект Зеебека или прямой термоэлектрический эффект (сформулирован в 1821-м году Т.И. Зеебеком); эффект Пельтье или обратный термоэлектрический эффект (сформулирован в 1834-м году Ж.Ш. Пельтье); эффект Томсона (сформулирован в 1954-м году У. Томсоном, 1-м лордом Кельвиным).

Очень большие перспективы открывает метод естественной термопары, предложенный Е. Гербертом и К. Готвейном [3]. Метод естественной термопары вообще не требует датчика для измерения температуры – датчиком служит само изделие, температуру которого необходимо контролировать.

Таким образом, среди многих датчиков температуры для научно-исследовательской деятельности наибольший интерес представляет термопара, так как при её работе можно проверить несколько физических эффектов, а также оценить чувствительность термопары к изменению температуры, которая зависит от термоэлектрических свойств материалов их проводов.

Исследование серийных датчиков температуры. Данные исследование проведено с  целью изучения характера и степени влияния температуры на различные виды серийных датчиков: медный терморезистор ТСМ-50, термистор ТК-20 и термопару ХК-12. В качестве нагревательного прибора использован термостат с верхним пределом диапазоном температуры до 200 ^оС. Измерительными приборами служили: цифровой прецизионный омметр Щ-34, прибор комбинированный цифровой Щ-301-1, мультиметр цифровой ДТ-838, цифровой прецизионный термометр с диапазоном измерений -20…299,9 ^оС.

Внешний вид установки, датчиков и приборов показан на рисунке 2.

В процессе проведения эксперимента повышали температуру в термостате от 20 до 50 ^оС, прибором Щ-34 измеряли сопротивление медного терморезистора (Rт), прибором ДТ-838 измеряли сопротивление термистора (Rп), прибором Щ-301-1 измеряли ЭДС термопары (E). Графики функций преобразования датчиков показаны на рисунке 3.

Графики, показанные на рисунке 3, а, позволяют сделать выводы:

1) у медного терморезистора и термистора информацию о температуре несёт электрическое сопротивление;

2) у медного терморезистора при нагреве сопротивление увеличивается, а у термистора, наоборот – уменьшается;

3) термистор более чувствителен к температуре, так как при нагреве от 25 до 50 ^оС его сопротивление уменьшается более чем в 3 раза – от 153 до 52 ^оС; сопротивление медного терморезистора в таких же условиях изменяется менее чем на 10% – от 112 до 118 ^оС; значит, термисторы более эффективны при измерении температуры, по крайней мере, в диапазоне средних температур.

Исследование термопары собственного изготовления. В опыте с термопарой было проведено дополнительное исследование – изготовили собственную термопару из двух отрезков медного и алюминиевого проводов, измерили ЭДС серийной (хромель-копель – Х-К) и собственной (алюминий-медь – Al-Cu) термопар, построили графики (рисунок 3, б) и сделали выводы:

1) у двух термопар с увеличением температуры (точнее, разности температур между спаянным и свободными концами) ЭДС увеличивается, зависимости монотонные и почти линейные;

2) серийная термопара более чувствительна к температуре, так как при нагреве от 25 до 50 ^оС генерируемая ей ЭДС увеличивается от 0 до 0,85 мВ (850 мкВ); ЭДС собственной термопары в таких же условиях изменяется только от 0 до 42 мкВ – диапазон изменения в 20 раз меньше; значит, на эффективность термопары большое влияние оказывает материал проводов;

3) при пропускании тока через спай алюминиевого проводов место спая нагревается – значит, в электротехнике такие провода соединять нельзя, так как место соединения очень быстро перегорит.

Цель проекта достигнута: мы убедились, что датчики температуры можно эффективно использовать для организации научно-исследовательской деятельности: для их исследования можно собрать относительно простую и доступную экспериментальную установку, можно продемонстрировать различные тепловые эффекты и явления, можно проводить социологические исследования по изучению осведомлённости людей в области датчиков.

Список литературы:

1 Звягина, Е.А. Организация практико-ориентированного обучения на кафедре инженерного образования Ливенского филиала ОГУ им. И.С. Тургенева / Е.А.Звягина, Д.А. Тупикин // В сборнике: Профессиональное образование: актуальные проблемы и пути их решения. – Материалы региональной научно-практической Интернет-конференции. – Орёл, 2019. – С. 150-154

2 Позистор: определение электронного элемента [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://zetsila.ru.

3 Основы теории резания материалов: Экспериментальные методы исследования тепловых процессов при резании [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.sites.google.com/site/cuttingofmaterials/5-2.

4 РБК тренды: Что такое индустрия 4.0 и что нужно о ней знать [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://trends.rbc.ru/trends/industry.

5 Термопары: устройство и принцип работы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://electro-nagrev.ru/primenenie/promyshlennyy-nagrev.