Датчики температуры и ряда механических величин

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
А. А. Рыжова, В. В. Кузьмин 
 
 
 
 
 
 
ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ И РЯДА 
МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2018 

УДК 681.586.6(07)
ББК 32.96–04я7

Р93

 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф К. Х. Гильфанов 
канд. техн. наук, доц. В. В. Петровский 
 
 
 

Р93 

Рыжова А. А.
Датчики температуры и ряда механических величин : уч.-метод. 
пособие / А. А. Рыжова, В. В. Кузьмин; Минобрнауки России, 
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2018. – 116 с.

ISBN 978-5-7882-2466-4

 
Рассмотрены принципы работы и основные технические характеристики 
датчиков температуры, частоты вращения, углового положения и бесконтактных 
конечных выключателей. Представлены задания и порядок выполнения работ по 
снятию их экспериментальных характеристик. 
Предназначено для бакалавров направления подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах» и магистрантов направлений подготовки 15.04.04 
«Автоматизация технологических процессов и производств» и 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника», изучающих дисциплины «Датчики 
АСОИУ», «Технические средства автоматизации и управления». 
Подготовлено на кафедре систем автоматизации и управления технологическими процессами. 
 

 
 
 

ISBN 978-5-7882-2466-4
© Рыжова А. А., Кузьмин В. В.,  2018
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2018

УДК 681.586.6(07)
ББК 32.96–04я7

 
 

Введение 

 
В данном пособии рассматриваются вопросы, изучаемые по 
дисциплинам «Датчики АСОИУ», «Технические средства автоматизации и управления», которые относятся к дисциплинам профессионального цикла и изучаются в обязательном порядке магистрантами 
направления 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и 
производств» по программе «Автоматизация процессов контроля и 
управления потоками энергоносителей» и бакалаврами направления 
27.03.04 «Управление в технических системах». 
Объектом изучения дисциплин являются автоматизированные 
системы обработки информации и управления (в частности, АСУТП), 
а предметом – специальная аппаратура, предназначаемая для формирования измерительных сигналов в составе указанных систем. 
В данном учебно-методическом пособии описаны принципы 
работы различных датчиков температуры и ряда механических величин, также сформулированы задания и порядок выполнения работ по 
экспериментальному определению рабочих характеристик технических средств указанных типов и подробно расписан порядок их реализации в условиях учебной лаборатории каф. САУТП. 

3

1. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ 

 

1.1. Термоэлектрические преобразователи 
 
Действие термоэлектрических преобразователей основывается 
на термоэлектрическом эффекте, эффекте Зеебека. Сущность этого 
эффекта заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух 
последовательно соединенных разнородных проводников 
1
M  и 
2
M  
(рис. 1.1), при условии неравенства температур в местах контактов А 
и В, появляется термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) 
Te  и электрический ток
TI . Электрическая цепь, составленная таким образом, 
называется термоэлементом, термопарой или термоэлектрическим 
преобразователем, а разнородные ветви этой цепи – термоэлектродами. 

 
 
Рис. 1.1. Термоэлектрическая цепь 
 
Величина термо-ЭДС зависит от абсолютных значений температур 
A
T  и 
B
T , от их разности 
B
A
T
T
T
−
=
∆
 и от природы материалов, из которых изготовлены термоэлектроды. Ее значение определяется формулами [1] 

,

,

2
,1

,2
1
∫
=

−
=

A

B

T

T
T

T

dT
e

dT
de

α

α

 
 (1.1) 

где 
,2
1
α
 






К
мкВ  – коэффициент термо-ЭДС металла 
1
M  по отноше
нию к металлу 
2
M , определяемый свойствами обоих металлов в их 
взаимодействии: 

2
1
1
α
α
α
−
=
,2
, 

1
α  и 
2
α – абсолютные коэффициенты термо-ЭДС металлов 
1
M  и 

2
M  по отношению к свинцу или химически чистой платине. Этот металл иногда выбирается в качестве репера для тестирования термоэлектродов потому, что он, обладая смешанной электронно-дырочной проводимостью, имеет нулевой значение коэффициента термоЭДС. 
В некотором ограниченном интервале температур (в частности, 
в интервале 0÷100 °С) зависимость термо-ЭДС от разности температур 
B
A
T
T
T
−
=
∆
 достаточно хорошо аппроксимируется линейной 
функцией вида 

.
1
T
e
,2
T
∆
α
=
  
(1.2)  

Направление тока 
TI  в цепи термоэлемента определяется следующим образом: в более нагретом спае он течет от металла с меньшим значением абсолютного коэффициента α  к металлу, у которого 
этот коэффициент выше. На рис. 1.1 в качестве примера представлен 
случай, когда 
1
α >
2
α . 
Значения абсолютных коэффициентов термо-ЭДС определяются физическими свойствами материалов, из которых изготовлены 
термоэлектроды, концентрацией, энергией и механизмом рассеяния 
носителей зарядов (электронов и «дырок») и интервалами рабочих 
температур. 
В механизме образования термо-ЭДС можно выделить три отдельных взаимообусловленных физических процесса, каждый из которых вносит определенный вклад в ее величину и в форму зависимости (1.2). Из этих процессов главным и определяющим является 
диффузия свободных электронов через поверхности соприкоснове

ния термоэлектродов и формирование в местах их спайки, так называемой внутренней контактной разности потенциалов 
K
Te  [2]. 
Интенсивность указанного диффузионного процесса зависит от 
разности концентраций свободных электронов в материалах 
1
M  и 

2
M  и от их средней кинетической энергии, которая, как известно, 
определяется температурным фактором. Поэтому, если оба спая термопары имеют одинаковую температуру (если 
A
T =
B
T ), то возни-кающие в них контактные разности потенциалов будут иметь одинаковую величину и по причине противоположной полярности полностью 
скомпенсируют друг друга. Но если 
A
T ≠
B
T , то будут неодинаковы и 
внутренние контактные разности потенциалов в спаях А и В. Это приведет к нарушению электрического равновесия в цепи термоэлемента 
и к появлению контактной термо-ЭДС 

∫
∫
−
=
=
A

B

A

B

T

T

K
K
T

T

K
T
dT
dT
e
)
(
2
1
12
2
,1
α
α
α
.  
(1.3) 

Здесь 
T
EF
K
∂
∂
−
=
ε
α
1
 – коэффициент контактной разности по
тенциалов между электродами 
1
M  и 
2
M  при температурах 
A
T  и 
B
T  
соответственно, 
F
E
 – наивысший энергетический уровень свободных электронов, диффундирующих через поверхность контакта, к – 
постоянная Больцмана и ε  – заряд электрона. Для свободных электронов 
K
α  линейно изменяется с изменением температуры. 

Очевидно, что 
K
Te  является функцией разности температур 
A
T  
и 
B
T . Но, если одну из этих температур (например, 
A
T ) зафиксировать, то образовавшаяся термо-ЭДС становится однозначной функцией температуры 
B
T . 
Спай термопары, температура которого в процессе ее работы 
содержится в изотермальной области, обычно называют свободным 
(или холодным). А второй спай, который приводится в контакт с контролируемым объектом, называется рабочим (или горячим). 

Второй процесс, участвующий в формировании так называемой 
объемной составляющей термо-ЭДС, по существу является побочным. Он обусловлен переносом тепла по термоэлектродам от более 
нагретого спая термопары к менее нагретому. Но, поскольку механизм теплопроводности в металлах осуществляется в основном движением электронов проводимости, в термоэлектродах образуется их 
диффузионный поток, направленный против градиента температуры 
(рис. 1.2). В результате концентрация электронов на более нагретом 
участке уменьшается, а на менее нагретом – увеличивается. По этой 
причине внутри каждого электрода (в его теле) генерируется электрическое поле, которое противодействует дальнейшей поляризации. 
 

 
 
Рис. 1.2. Возникновение объемной составляющей термо-ЭДС  
в однородном материале вследствие пространственной  
неоднородности температуры 
 
Напряженность этого поля 

dx
dT
ET
α
=
 

определяется величиной продольного градиента температуры, а разность потенциалов 

,
T
T
∆
∆
α
ϕ
=
 

обусловленная указанным процессом – разностью температур

B
A
T
T
T
−
=
∆
 и степенью зависимости концентрации и подвижности 
носителей заряда в материале электродов от температурного фактора. 
Данный процесс порождает электрическое поле во всем объеме 
термоэлектродов и действует ослабляющим образом на контактную 
термо-ЭДС. 
Еще одним фактором неблагоприятного влияния на работу термоэлектрического преобразователя, на величину и характер изменения его полезного выходного сигнала является воздействие на потоки 
заряженных частиц в термоэлектродах звуковых волн, неизбежно порождаемых в проводниках градиентами температуры. Эти волны распространяются по термоэлектродам от более нагретых к менее нагретым их концам, передавая энергию соответствующим потокам носителей зарядов и способствуя формированию еще одной «паразитной» 
составляющей термо-ЭДС. 
Таким образом, следуют констатировать, что результирующее 
значение выходного сигнала термопары, формируемые под воздействием разности температур рабочего и свободного спаев, представляет собой алгебраическую сумму электродвижущих сил, возникающих в результате трех взаимообусловленных физических процессов 
и порождающих противоположные полярности. Указанное обстоятельство указывает на то, что сама природа термоэлектричества устанавливает существенные ограничения по точности для данного метода, и с этим необходимо считаться при организации соответствующих метрологических процедур и составлении правил практического 
применения термоэлектрических преобразователей. 
Необходимо отметить, что термоэлектроды в зависимости от 
знака потенциала, которые они образуют в контакте с химически чистой платиной при 
p
T >
c
T , подразделяются на термоположительные 

и термоотрицательные, и для обеспечения максимальной чувствительности термоэлектрического преобразователя один из них выбирается из числа положительных, а другой – из числа отрицательных. 
Материалами для изготовления термоэлектродов обычно служат платина и платинородиевый сплав, хромель (89 % никеля, 
9,8 % хрома, 1 % железа, 0,2 % марганца), алюмель (94 % никеля, 
2,5 % марганца, 2 % алюминия, 1 % кремния, 0,5 % железа), копель 
(55 % меди, 45 % никеля). 

Наиболее распространенные типы термоэлектрических преобразователей: ТПП (платина-платинародий: 90 % платина +10 % радия), ТПР (платина-платинародий: 70 % платина + 30 % радия), 
ТХА (хромель-алюмелевые), ТХК (хромель-копелевые). 
Зависимость термо-ЭДС стандартных термопреобразователей 
от температуры рабочих спаев близка к линейной. 
Поскольку значения термо-ЭДС, развиваемые термоэлектрическими преобразователями невелики (измеряются милливольтами), 
для их изменения требуются высокочувствительные измерительные 
приборы: милливольтметры магнитоэлектрического типа или электронные потенциометры. Первые из них при измерении термо-ЭДС 
непосредственно включаются в цепь термоэлектрических преобразователей, а вторые реализуют компенсационный метод измерения. 
В состав систем автоматизации (АСК, АСУТП или АСР) термоэлектрические преобразователи могут быть включены совместно 
со специальными нормирующими усилителями, обеспечивающими 
преобразование термо-ЭДС в унифицированные сигналы постоянного тока 0–5 мА, 4–20 мА или напряжения 0–10 В. Совокупность 
термоэлектрического и нормирующего преобразователей образуют 
по существу термоэлектрический датчик температуры. 
Термоэлектрические датчики с первичными измерительными 
преобразователями из благородных металлов (типов ТПП и ТПР) используются в основном в качестве образцовых средств, так как они 
обладают повышенной химической стойкостью и, следовательно, высокой стабильностью статической характеристики. Они допускают 
длительную работу при температурах контролируемых сред до 
1300 °С, но имеют невысокую чувствительность. 
Существенно большей чувствительностью обладают термоэлектрические датчики с первичными преобразователями типов ТХА 
и ТХК. Они дешевле, доступнее, но обладают значительно меньшей 
стойкостью к внешним воздействиям и поэтому используются главным образом в качестве рабочих средств измерения. Наибольшей 
чувствительностью (6,9 мВ/°С) обладают датчики с преобразователями температуры типа ТХК (рабочий диапазон от −50 до 600 °С); за 
ними следуют датчики с преобразователями типа ТХА (рабочий диапазон от −50 до 1000 °С). 

Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте 
и включить в него один или несколько разнородных проводников. Но 
если все появившиеся при этом места соединений имеют одинаковую 
температуру, то никаких паразитных термо-ЭДС не возникает. Это 
означает, что прибор для измерения выходного сигнала термопары 
или устройство для преобразования его в более удобный  формат, может быть подключен как между свободными концами термоэлектродов, так и в разрыв одного их них (рис. 1.3).  
 

 
 
Рис. 1.3. Возможные варианты съема выходного сигнала термопары 
 
Примерная конструкция термоэлектрических преобразователей представлена на рис. 1.4. 
Электроды термоэлектрических преобразователей изготавливают, как правило, из проволоки круглого сечения. Диаметр выбирается из условий одновременного обеспечения минимального теплоотвода электрода, малой инерционности преобразователя и достаточной его механической прочности. 
Для изоляции термоэлектродных проводов обычно применяются кварцевые или фарфоровые двух- или четырехканальные трубки 
или бусы, а для защиты рабочих спаев иногда применяют специальные керамические наконечники.