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 «Управле-
ние в технических системах» и магистрантов направлений подготовки 15.04.04 
«Автоматизация технологических процессов и производств» и 09.04.01 «Ин-
форматика и вычислительная техника», изучающих дисциплины «Датчики 
АСОИУ», «Технические средства автоматизации и управления». 
Подготовлено на кафедре систем автоматизации и управления технологиче-
скими 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 автомати-
зации и управления», которые относятся к дисциплинам профессио-
нального 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 форми-
рования измерительных сигналов в составе указанных систем. 
В данном учебно-методическом пособии описаны принципы 
работы различных датчиков температуры и ряда механических вели-
чин, также сформулированы задания и порядок выполнения работ по 
экспериментальному определению рабочих характеристик техниче-
ских средств указанных типов и подробно расписан порядок их реа-
лизации 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 элек-
трический ток
TI . Электрическая цепь, составленная таким образом, 
называется термоэлементом, термопарой или термоэлектрическим 
преобразователем, а разнородные ветви этой цепи – термоэлектро-
дами. 

 
 
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 отношению 
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 термо-
электродов потому, что он, обладая смешанной электронно-дырочной 
проводимостью, имеет нулевой значение коэффициента термо-
ЭДС. 
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 тер-
мопары имеют одинаковую температуру (если 
A
T =
B
T ), то возни-ка-
ющие в них контактные разности потенциалов будут иметь одинако-
вую 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 при-
ведет 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 свобод-
ных электронов, диффундирующих через поверхность контакта, к – 
постоянная Больцмана и ε  – заряд электрона. Для свободных элек-
тронов 
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 ) зафиксиро-
вать, то образовавшаяся термо-ЭДС становится однозначной функ-
цией 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 кон-
тролируемым объектом, называется рабочим (или горячим). 

Второй процесс, участвующий в формировании так называемой 
объемной составляющей термо-ЭДС, по существу является побоч-
ным. Он обусловлен переносом тепла по термоэлектродам от более 
нагретого спая термопары к менее нагретому. Но, поскольку меха-
низм теплопроводности в металлах осуществляется в основном дви-
жением 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 электри-
ческое 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 раз-
ность 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 тер-
моэлектрического преобразователя, на величину и характер измене-
ния его полезного выходного сигнала является воздействие на потоки 
заряженных частиц в термоэлектродах звуковых волн, неизбежно по-
рождаемых в проводниках градиентами температуры. Эти волны рас-
пространяются по термоэлектродам от более нагретых к менее нагре-
тым их концам, передавая энергию соответствующим потокам носи-
телей 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 преоб-
разователей: ТПП (платина-платинародий: 90 % платина +10 % ра-
дия), 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 термоэлектриче-
скими преобразователями невелики (измеряются милливольтами), 
для их изменения требуются высокочувствительные измерительные 
приборы: милливольтметры магнитоэлектрического типа или элек-
тронные потенциометры. Первые из них при измерении термо-ЭДС 
непосредственно включаются в цепь термоэлектрических преобразо-
вателей, а вторые реализуют компенсационный метод измерения. 
В состав систем автоматизации (АСК, АСУТП или АСР) тер-
моэлектрические преобразователи могут быть включены совместно 
со специальными нормирующими усилителями, обеспечивающими 
преобразование термо-ЭДС в унифицированные сигналы постоян-
ного 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) ис-
пользуются в основном в качестве образцовых средств, так как они 
обладают повышенной химической стойкостью и, следовательно, вы-
сокой стабильностью статической характеристики. Они допускают 
длительную работу при температурах контролируемых сред до 
1300 °С, но имеют невысокую чувствительность. 
Существенно большей чувствительностью обладают термо-
электрические датчики с первичными преобразователями типов ТХА 
и ТХК. Они дешевле, доступнее, но обладают значительно меньшей 
стойкостью к внешним воздействиям и поэтому используются глав-
ным образом в качестве рабочих средств измерения. Наибольшей 
чувствительностью (6,9 мВ/°С) обладают датчики с преобразовате-
лями температуры типа ТХК (рабочий диапазон от −50 до 600 °С); за 
ними следуют датчики с преобразователями типа ТХА (рабочий диа-
пазон 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, мо-
жет быть подключен как между свободными концами термоэлектро-
дов, так и в разрыв одного их них (рис. 1.3).  
 

 
 
Рис. 1.3. Возможные варианты съема выходного сигнала термопары 
 
Примерная конструкция термоэлектрических преобразовате-
лей представлена на рис. 1.4. 
Электроды термоэлектрических преобразователей изготавли-
вают, как правило, из проволоки круглого сечения. Диаметр выбира-
ется из условий одновременного обеспечения минимального тепло-
отвода электрода, малой инерционности преобразователя и достаточ-
ной его механической прочности. 
Для изоляции термоэлектродных проводов обычно применя-
ются кварцевые или фарфоровые двух- или четырехканальные трубки 
или бусы, а для защиты рабочих спаев иногда применяют специаль-
ные керамические наконечники.