Виконання багатьох технологічних процесів поліграфічного виробництва супроводжуються нагріванням До них відносять сушку відбитків, тиснення, тер-мостатірованіе барвистого апарату, термосилового закріплення відбитка при ксерокопіюванні, нагрів клею в обладнанні післядрукарської обробки продукції, термостатирование паперу і т п У процесі роботи поліграфічних машин необхідно стежити за температурою деяких механічних вузлів і деталей, наприклад підшипників, вузлів кріплення опор циліндрів друкарського апарата тощо, проводиться контроль таких технологічних параметрів як температура масла в гідросистемах висекального обладнання, одноножових різальних машинах, повітря в вакуум-насосах і компресорах і т п Необхідний контроль нагріву і електродвигунів, електромагнітних муфт, напівпровідникових перетворювачів, живлять їх і т п Для виконання температурного контролю і регулювання необхідні датчики температури Серед них можна виділити наступні основні класи: кремнієві датчики температури, біметалеві датчики, рідинні та газові термометри, термоіндикатори, термістори, термопари, термометри опору, інфрачервоні датчики температури

Сучасний датчик температури носить назву інтелектуального, оскільки крім чутливого елемента в ньому є схема посилення і обробки сигналу, енергонезалежна память, що дозволяє індивідуально відкалібрувати кожен прилад, і різноманітність типів вихідного інтерфейсу: напруга, струм, опір або цифровий вихід, що дозволяє підключити датчик до мережі передачі даних, або світлову індикацію

Кремнієві датчики температури використовують залежність опору напівпровідникового кремнію від температури Діапазон вимірюваних температур

для таких датчиків становить -50 .. +150 ° С У цьому діапазоні вони показують досить хорошу лінійність і точність

Біметалічний датчик температури виготовлений з двох різнорідних металевих пластин, скріплених між собою по всій довжині широкої стороною Різні метали мають неоднаковий коефіцієнт розширення і тому при нагріванні (охолодженні) вона зігнеться При цьому переміщенні кінець біметалічної пластини замикає-розмикає механічний контакт, повертає стрілку індіікатора і т п Діапазон температур, в яких працюють біметалеві датчики, становить -40 .. +550 ° С Основною перевагою датчика є проста і надійна конструкція, можливість роботи без електричного струму, низька вартість, але мають великий розкид характеристик і великий гістерезис перемикання, особливо при низьких температурах

Рідинні та газові термометри використовують ефект розширення рідин при підвищенні температури Як рідин використовується спирт або ртуть в діапазоні кімнатних температур У газових термометрах використовується ефект розширення при переході речовини з рідкого в газоподібний стан Газ тисне через мембрану і замикає електричні контакти Діапазон температур, вимірюваних такими датчиками, становить -200 .. +500 ° С

Термоіндикатори – це особливі речовини, що змінюють свій колір під впливом температури Така зміна кольору може бути як оборотним, так і необоротним У діапазоні кімнатних температур використовуються термоіндикатори на основі рідких кристалів Вони плавно змінюють свій колір при зміні температури Виробляються термоіндикатори у вигляді плівки, часто з клейкою підкладкою, і служать для оперативного візуального контролю температури Для низьких і високих температур виробляються, в основному, незворотні термоіндикатори, якщо температура хоча б один раз перевищила допустиму, то індикатор необоротно змінює свій колір . Основна перевага термоіндикаторів – низька вартість

У термисторах використовується ефект зміни електричного опору матеріалу під впливом температури В якості термисторов використовують напівпровідникові матеріали, як правило, оксиди різних металів У результаті виходять датчики з високою чутливістю, але з великою нелінійністю, що звужує діапазон вимірюваних температур Конструктивна мініатюризація термістора дозволяє отримати високу швидкодію і невисоку вартість Існує два тина термисторов: використовують позитивний температурний коефіцієнт – коли електричний опір розрахунок з підвищенням температури, і негативний температурний коефіцієнт – в цьому випадку електричний опір падає при підвищенні температури Температурна характеристика термістора залежить від конкретної моделі приладу та області його застосування

Інфрачервоні датчики температури або пірометри вимірюють температуру поверхні на відстані Принцип їх роботи заснований на тому, що будь-яке тіло при температурі вище абсолютного нуля випромінює електромагнітну енергію При низьких температурах це випромінювання в інфрачервоному діапазоні, при високих температурах частина енергії випромінюється у видимій частині спектру Інтенсивність випромінювання безпосередньо повязана з температурою нагрітого обєкта Діапазон вимірювань температур безконтактними датчиками -45 .. +3000 ° С Для вимірювання в різних діапазонах температур використовуються різні ділянки інфрачервоного спектра Так, при низьких температурах це зазвичай діапазон довжин хвиль електромагнітного випромінювання 7 .. 14 мкм У діапазоні середніх температур це може бути 5 мкм При високих температурах використовується ділянку в районі 1 мкм Для правильного вимірювання температури необхідний ще ряд факторів, одним з яких є ізлучателная здатність Вона повязана з коефіцієнтом відображення простою формулою: Е = I – К, де Е – ізлучателная здатність, К – коефіцієнт відбиття У абсолютно чорного тіла випромінювальна здатність дорівнює 1 У більшості органічних матеріалів, таких як дерево, пластик, папір, випромінювальна здатність знаходиться в діапазоні 0,8 .. 0,95 Метали, особливо поліровані, навпаки, мають низьку випромінювальну здатність, яка в цьому випадку складе 0,1 .. 0,2 Другим фактором є оптичне відношення – це відношення відстані до обєкта вимірювань до розміру області, з якою ці виміри ведуться Наприклад, оптичне відношення 10:1 означає, що на відстані 10 м розмір площі, з якої ведеться вимір температури, становить 1 м Сучасні інфрачервоні датчики температури мають оптичне відношення, що досягає 300:1 Інфрачервоні датчики самі швидкодіючі датчики температури Датчики дозволяють вимірювати температуру рухомих обєктів, температуру у важкодоступних і небезпечних місцях, високі температури там, де інші датчики вже не працюють

Термометри опору – це резистори, виготовлені з платини, міді або нікелю Вони виготовляються або з дроту, або напиленням металевого шару на ізолюючу підкладку, керамічну або скляну Платина найчастіше застосовується в термометрах опору за високої стабільності, лінійності і точності (0,001%) вимірювання значень температури Мідь використовується, в основному, для вимірювання низьких температур, а нікель – в недорогих датчиках для вимірювання в діапазоні кімнатних температур, що спрощує їх використання Діапазон вимірювань платинових термометрів опору складає -180 .. +600 ° С Звичайні термометри опору виготовляються з опором 100 і 1000 Ом, а опір тонкоплівкових досягає 10 000 Ом Габаритні розміри самих датчик обчислюються в міліметрах і частках міліметра Самонагрев датчика при робочому струмі 0,1 .. 0,7 А знаходиться на рівні 0,3 мВт / ° С

Термопари являють собою дві дроту з різних металів, зварених між собою на одному з кінців Експериментальним шляхом були підібрані пари металів, які найбільшою мірою підходять для вимірювання температури, володіючи високою чутливістю, тимчасової стабільністю, стійкістю до впливу зовнішнього середовища Це пари металів хромель-аллюмель, мідь-константан, залізо-константан, платіна-платіна/родій, реній-вольфрам та інші Термопари хромель-аллюмель (тип К) мають високу чутливість і стабільність і працюють аж до температур 1300 ° С в окислювальному або нейтральній атмосфері Термопара залізо-константан (Тип J) працює у вакуумі, в відновлювальної або інертній атмосфері при температурах до 500 ° С При високих температурах до 1500 ° С використовують термопари платина-платина-родій (тип S або R) в керамічних захисних кожухах

де U – напруга на переході до – постійна Больцмана

Прикладом інтелектуального датчика може служити пристрій, схема якого наведена на рис 137 У ньому використані три мікросхеми: датчик температури, операційний підсилювач та / VC-контролер марки РКЛ 6L872, програмне забезпечення якого виконує необхідні завдання вимірювання, перетворення та індикації Як чутливого елемента застосований термодатчик ВК на основі тонкопленочного термометра опору з платини Вихідний сигнал термодатчика операційним підсилювачем DA, согласующим його по крутизні і амплітуді з входом АЦП (20 мВ), надходить на вхід AND мікроконтролера Напруга живлення датчика ± 5 В Програма мікроконтролера виконує управління АЦП, перетворення двійкового коду в код для знакосінтезірующіх семисегментний індикатора, визначення переповнення і виходу температури за робочий діапазон Виходи RBO .. RB6 мікроконтролера управляють розрядом одиниць індикатора, вихід RC1 – розрядом десятків, a RB1 – розрядом сотень

Рис 137 Інтелектуальний датчик температури

Прикладом інтелектуального датчика може служити інтегральний датчик температури (ІДТ) Фізична основа роботи ІДТ закладена в температурній залежності падіння напруги на зміщеному в прямому напрямку кремнієвому / 7-/7-переходе Ця залежність описується наступною формулою

Т – абсолютна температура q – заряд електрона I струм через перехід

Is – Зворотний струм насичення, значення якого залежить від конфігурації і температури переходу

Вищенаведену залежність безпосередньо використовувати для точного вимірювання температури можна Тому для вимірювання температури ІДТ використовують різницю напруг двох / -/7-переходов, А саме напруг база-емітер ПБЕ двох транзисторів 17 \ і (72, яка визначиться з виразу

де /, | і 7, 2 – щільність струму емітерів транзисторів

Практична схема вимірювання температури з температурним коефіцієнтом вихідної напруги 10 мВ / ° К наведена на рис 138 Необхідне значення коефіцієнта досягається певним співвідношенням опорів резисторів R4 і R5

Рис 138 Схема вимірювання температури

Діапазон температур, вимірюваний ІДТ, становить -60 .. +200 ° С, мінімальна похибка вимірювань досягає десятих часток градуса Випускаються ІДТ з аналоговим виходом, величина напруги на якому пропорційна вимірюваної температурі в градусах Кельвіна або Цельсія, і з цифровим виходом ІДТ з аналоговим виходом можуть використовуватися не тільки для вимірювання температури, але і для її регулювання (режим термостатування) На рис 139 приведена функціональна схема і епюри напружень, що пояснюють роботу ІДТ

Рис 139 Інтегральний аналоговий датчик температури (а) і епюри його напруги в режимі термостатування (б)

На вхід 2 ІДТ подають Ua, а на вхід – 3 Ut\, Напруги перемикання компараторів VTI і 172, відповідні заданим температурам, тобто межі в яких повинна змінюватися вимірювана температура Якщо температура перевищує значення відповідне Ut\, То на виході 7 формується напруга Uouti низького рівня Якщо температура знижується нижче значення відповідне Ut 1, то на виході 7 формується напруга Uouti високого рівня Аналогічно працює вихід 6, напруга Uouti-Напруга / Летр на виході 5 мікросхеми, пропорційно вимірюваної температурі в градусах Цельсія Напруги, що знімаються з виходів 2 і 3, використовуються для управління комутаційної апаратури, керуючої нагрівальними елементами, а напруга виходу 5 – наприклад, для візуалізації вимірюваної температури

Розглянемо приклад ІДТ з цифровим виходом Вони можуть мати послідовний або паралельний інтерфейси На рис Е40 наведена функціональна схема ІДТ з послідовним інтерфейсом

Рис 140 Функціональна схема ІДТ з послідовним інтерфейсом

Прийом-передача даних здійснюється за 32 такту сигналу SC, з яких перші 16 відводяться передачі даних на контролер, а другі – прийому Управління роботою датчика проводиться шляхом запису даних в конфігураційний регістр, для ідентифікації ІДТ і зчитування результатів вимірювань служать регістр ідентифікації і температурний регістр, що працюють в режимі читання Такі ІДТ апаратно сумісні з будь-якими микроконтроллерами Для коректної роботи апаратних засобів сучасних пристроїв автоматики і систем обробки інформації необхідний постійний моніторинг температури цих пристроїв, для чого і застосовуються ІДТ

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р