Датчик температуры- типы, виды, как работает

Методы измерений температур

Физические тела благодаря своим свойствам зависят от температуры, и если знать, как влияет температура на тот или иной материал. Выбор метода и материала для измерений определяется диапазоном измеряемых температур, требований к условиям работы, чувствительности и точности измерения.

Существует два варианта измерений: контактные и бесконтактные.

Бесконтактные – осуществляют измерения на основе теплового излучения тел. Такой метод позволяет проводить измерения, находясь на удалении. Помимо этого они применяются для измерения высочайших температур, при которых контактные датчики работать не смогут. Однако к проблемам таких измерителей относят низкую точность измерения низких температур. Нередко и вовсе становиться невозможно, измерить такие температуры.

Контактные – проводят измерения, основываясь на принципе теплового равновесия между измеряемым объектом и чувствительным элементом измерительного прибора. К таким относятся термопары, терморезисторы и др.

Термопары обладают очень высоким диапазоном измеряемой температуры, практически от самого абсолютного нуля до показателей достигающих отметки в три тысячи градусов Цельсия. Однако в виду особого свойства работы термопары (она измеряет разницу между двумя спаями) для измерения второго спая придется придумать иной способ замера.

Проблемы с точностью измерений термопары создает и используемые материал, наличие в нем примесей и способ обработки. Всё это может влиять на термоэдс прибора в целом.

Терморезисторы использует проволочный и полупроводниковый метод измерения. В зависимости от изменения сопротивления металла во время нахождения в определенной температурной среде. Иными словами от изменений температуры окружающей среды, изменяется число сопротивляемости измерительного элемента.

К минусам терморезисторов относят не очень высокую точность и подверженность к износу измерительного материала вызывающее еще большее падение точности со временем.

Существуют датчики в виде микросхем. Они имеют встроенной к чувствительному элементу структурой формирования исходящего сигнала. Такие датчики бывают аналоговые и цифровые. Подключение таких аппаратов к микроконтроллерам является очень простым. Аналоговые подключаются к ADC, а цифровые с любой популярный интерфейс (чаще IC).

Подобные устройства обладают неплохой точностью и малой ценой. Их использование удобно в большинстве случаев и имеет свою нишу, где используют только их. Однако есть и недостатки такие как – зависимость от питания, большое количество выводов требует большого количества проводников. Питающий их ток снижает точность измерений. Область температур сильно ограничена вышеназванными условиями, и рассчитана на температуры не ниже -55 и не выше 125 градусов Цельсия.

Области применения датчиков температуры

Применяются датчики температуры практически везде. Любая сфера или производство, где температура объекта влияет на качество работы и итоговой продукции, требует пристального температурного контроля. Например:

• Нефтегазовая, топливная индустрия, энергетика
• Химия, строительство, образование
• Металлургическая промышленность (литейное, прокатное производство, производство металлических изделий, металлообработка)
• Транспортная индустрия, автомобили, спецтехника
• Пищевая промышленность, фармацевтика
• Машиностроение
• Сельское хозяйство (зерно, комбикорма)

Назначение датчиков температуры

Датчиков температуры существует множество типов, каждый из которых характеризуется своими особенностями и предназначением. Но главной задачей остается:

• Измерение температур требуемых объектов с необходимыми точностью, быстродействием и передача информационного либо управляющего сигнала далее в систему
• Реализация обратных связей в АСУТП, предупреждение выхода из строя оборудования
• Отдельные приборы могут служить источниками энергии (основанные на термопарах)

Типы датчиков температуры

При измерении температуры происходит перенос небольшого количества тепловой энергии от объекта измерения к датчику, который преобразует эту энергию в электрический сигнал. Существует два основных метода измерения: равновесный и прогнозируемый. При равновесном способе измерение температуры производится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом датчика наступает тепловое равновесие, т.е. не наблюдается между ними значимой разности температур. При прогнозируемом методе измерения такого теплового равновесия не наступает, а конечное значение температуры определяется по скорости изменения температуры датчика.

Типов датчиков температуры всего два: контактные и бесконтактные. Здесь все очень просто: контактные датчики температуры измеряют при непосредственном физическом контакте с объектом измерения. Такие датчики подойдут для измерения температуры твердых тел, жидкостей и газов.

Бесконтактные датчики температуры «снимают» излучаемое объектом тепло в инфракрасном диапазоне без непосредственного контакта с измеряемым объектом. Такие температурные датчики могут использоваться для измерения температуры твердых тел и жидкостей, но не подходят для измерения температуры газов. Бесконтактные датчики температуры не такие универсальные как контактные и на точность их измерения действует большое количество факторов: материал объекта измерения, его цвет, расстояние до объекта измерения, запыленность и т.п.

Виды датчиков температуры

Наиболее распространенными видами датчиков температуры являются:

• терморезистивные датчики;
• термоэлектрические преобразователи (термопары);
• оптические датчики температуры;
• инфракрасные датчики (пирометры);
• акустические датчики температуры.

Терморезистивные

Такие датчики температуры выполняются на основе терморезисторов – устройств с определенной зависимостью сопротивления от степени нагрева основного материала. С повышением температуры, изменяется и проводимость резистора, благодаря чему вы можете следить за состоянием нужного объекта.

Основным недостатком терморезистивного датчика  является малый диапазон измеряемой температуры, но он способен обеспечивать хороший шаг измерений и высокую точность в десятых и сотых долях градусов Цельсия. Из-за чего их нередко включают в цепь с применением усилителя, расширяющего рабочие пределы.

Резистивные датчики температуры (RTD)

Резистивные датчики температуры, также известные как резистивные термометры, являются, пожалуй, самыми простыми для понимания датчиками температуры. RTD похожи на термисторы, поскольку их сопротивление изменяется с изменением температуры. Однако вместо использования специального материала, чувствительного к изменениям температуры (как в термисторах), RTD используют катушку из проволоки, накрученную вокруг сердечника из керамики или стекла.

Провод в RTD выполнен из чистого материала, как правило, из платины, никеля или меди, и этот материал обладает точной зависимостью сопротивления от температуры, которая используется для определения измеряемой температуры.

Термоэлектрические

В основе работы термоэлектрического датчика лежит принцип термопары (см. рисунок 1) – у всех металлов существует определенная валентность (количество свободных электронов на внешних атомарных орбитах, не задействованных в жестких связях). При воздействии внешних факторов, сообщающих свободным электронам дополнительную энергию, они могут покинуть атом, создавая движение заряженных частиц. В случае совмещения двух металлов с различным потенциалом выхода электронов и последующим нагреванием места соединения возникнет разность потенциалов, получившая название эффекта Зеебека.

Рис. 1. Устройство термопары

На практике применяется несколько разновидностей термоэлектрических датчиков температуры, так, согласно п.1.1  ГОСТ Р 50342-92 они подразделяются на:

• вольфрамрений — вольфрамрениевые (ТВР) – применяется в средах с большой рабочей температурой порядка 2000°С;
• платинородий — платинородиевые (ТПР) – отличаются высокой себестоимостью и высокой точностью измерений, применяются я в лабораторных измерениях;
• платинородий — платиновые (ТПП) – оснащаются защитной трубкой из металла и керамической изоляцией, обладают высоким температурным пределом;
• хромель-алюмелевые (ТХА)  — широко применяются в промышленности, способны охватывать диапазон температуры до  1200°С, используются в кислых средах;
• хромель-копелевые (ТХК) –  характеризуются средним температурным показателем, монтируются только в неагрессивных средах;
• хромель-константановые (ТХК) — актуальны для газовых смесей и разжиженных аэрозолей нейтрального или слабокислого состава;
• никросил — нисиловые (ТНН) – применяются для устройств среднего температурного диапазона, но обладают длительным сроком эксплуатации;
• медь-константановые (ТМК) – характеризуется наименьшим пределом измерений до 400°С, но отличается устойчивостью к влаге и некоторым категориям агрессивных сред;
• железо-константановые (ТЖК) – применяются в среде с разжиженной атмосферой или вакуумного пространства.

Такое разнообразие температурных датчиков на основе термопары позволяет охватывать любые сферы человеческой деятельности.

Цифровой датчик

Цифровой датчик, работающий в параллели со множеством датчиков, обеспечивает точность измерений до 0,5 градусов. Температурный интервал составляет от -55 до +125 градусов Цельсия. Вычисления с максимальной точностью занимают у датчика 750 мс, что делает его не очень быстродейственным.

Бесконтактные датчики

Бесконтактные датчики или пирометры оборудованы тонкой пленкой, поглощающей инфракрасное излучение, при этом нагреваясь. Подобные бесконтактные термосенсоры применяются в тепловизорах. В них установлен не один тепловой датчик, а матрица. Такие устройства позволяют детектировать тепловой объект на расстоянии до 3 метров.

Инфракрасные датчики температуры (пирометры)

Любой объект излучает инфракрасный свет, при этом энергия этого света повышается с повышением температуры объекта. Попадая на элемент детектора ИК датчика излучение создает пропорциональный ему электрический сигнал, который усиливается, обрабатывается и отображается на дисплее.

Классификация ИК датчиков температуры

ИК датчики температуры могут быть:

• оптические – позволяют измерять температуру объекта путем сравнения его цвета с цветом эталонной металлической нити, нагреваемой электрическим током в специальных лампах накаливания.
• радиационные – на основе мощности теплового излучения объекта измерения.
• цветовые – рассчитывают температуру на основании результатов сравнения его теплового излучения в различных участках спектра.

Преимущества и недостатки инфракрасных датчиков (пирометров)

Комбинированные

В состав устройства входит несколько проводников, формирующих единое устройство. У некоторых моделей имеется встроенный цифровой интерфейс. К комбинированным датчикам прибегают, если надо подключить устройства параллельно. Такое устройство позволяет произвести расчеты с погрешностью в 2 °С. Однако необходимо оптимизировать интерфейс.

Кварцевые

Актуальны для объектов, уровень нагрева которых выходит за стандартные значения. Они востребованы, если температура колеблется в интервале от −80 °С до 250 °С. Их принцип работы основан на использовании частотной зависимости. Может выполнять несколько функций, зависящих от расположения среза по осям кристалла.

Для датчиков кварцевого типа характерна высокая стабильность, разрешение и точность определения искомого параметра. Считаются более предпочтительными при измерении искомого параметра. Чаще всего устанавливаются внутрь цифровых термометров.

Объемные

Биметаллическое устройства в своей работе использует способность материала расширяться и сжиматься при изменении температуры. Диапазон действия напрямую зависит от стабильности материала. Температура может варьироваться от −60 °С до +400 °С. Погрешность варьируется в интервале 1–5 %.

Если устройство используется для измерения степени нагрева жидкости, точность измерения повышается и погрешность снижается до 1–3 %, зависит от среды. На интервал работы также влияет температура, при которой закипает либо замерзает жидкость.

Канальный

Все цифровые термометры относятся к канальным, так как для передачи сигналов они используют каналы. В зависимости от количества таких “магистралей” определяется канальность устройства. Так термометр Testo 925 относится к 1-канальным, в основе работы лежит термопара, как и у термометра Testo 735-2 – 3-канального. А Testo 810 – 2-канальный прибор с инфракрасным термометром.

Шумовые

Позволяет снять показания, используя разность потенциалов на резисторе. Последняя зависит от степени нагрева устройства. Для использования подобного прибора надо знать одну из температур. Сравнивая два полученных шума, от известной и найденной температуры, определяются искомый параметр.

Благодаря принципу работы такого датчика можно менять температуру в интервале от −270 °С до +1100 °С. При этом имеется возможность изменения показателей в термодинамике, однако реализовать данный способ на практике достаточно сложно.

Акустические датчики температуры

Акустические датчики температуры применяются для измерения средних и высоких температур там, где невозможно разместить контактные датчики и использовать пирометры, например, в ядерных реакторах, в криогенных камерах и т.п. Конструктивно такие датчики состоят их разнесенных друг от друга излучателя и приемника акустических волн. При измерении температуры излучатель испускает ультразвуковой сигнал, который проходит через измеряемую среду. Зная базовую скорость распространения ультразвука в данной среде при известной температуре, вычисляется данная температура среды.

Преимущества и недостатки инфракрасных датчиков (пирометров)

Сравнение типов температурных датчиков

В приведенной ниже таблице показано сравнение разных типов температурных датчиков, описанных в данной статье. Однако имейте в виду, что эту информацию следует воспринимать как обобщение. Таблица предназначена в первую очередь для тех, у кого нет большого опыта и/или знаний о датчиках температуры.

Таблица 1. Краткое сравнение температурных датчиков Тип датчика Типовой диапазон температур (°C)Точность (+/- °C)Достоинства Недостатки Применение

Как работают современные датчики температуры

Блок-схема датчика температуры типа DS18B20 выглядит следующим образом:

Исходя из вышеприведенной структуры, рассматриваемый датчик состоит из:

• регистра конфигурации, программируемого пользователем (9–12 разрядов);
• датчика температуры;
• верхнего Th и нижнего Tl порога срабатывания сигнала тревоги;
• 64-битной памяти типа ROM и блока обработки протокола 1-Wire;
• внутреннего источника питания, способного работать как от внешнего источника, так и от «паразитных» импульсов.

Параметры выбора датчика температуры

Измеряемая среда

• Измеряемая среда (выхлопные газы, морская вода, бензин и т.п.)
• Диапазон рабочих температур измеряемой среды
• Давление измеряемой среды
• Скорость потока измеряемой среды.

Окружающая среда

• Температура окружающей среды
• Влажность
• Наличие агрессивных сред
• Взрывоопасная зона.

Диапазон рабочей температуры

Необходимо знать, в каких температурах будет задействован термометр. Также нужно определить, какая погрешность будет приемлемой при получении результатов. Если диапазон температур небольшой, то подойдут термисторы. В самых суровых условиях работоспособны преимущественно шумовые приборы.

Условия проведения замеров

Возможно ли поместить термометр в среду или материал, который нужно заменить. Если нет, то получить данные можно при помощи радиационных термометров, которые замеряют температуру сквозь препятствия.

Время работы до калибровки или замены

Установить условия работы датчика. Окружающая обстановка может быть стандартной, с высокой влажность, окислительной, пожароопасной и так далее.

Величина сигнала выхода

Сигнал выхода должен соответствовать возможностям электроизмерительных приборов для дальнейшей обработки получаемых данных. Зависит это от полученных показателей температуры, преобразуемых в энергию.

Как работает датчик температуры двигателя?

Как и во многих подобных устройствах, принцип работы основан на свойствах некоторых материалов менять свое сопротивление при нагревании. Поэтому датчики температуры охлаждающей жидкости представляют собой корпус из цветного металла, легко проводящего тепло, и термистора, который плотно прижат к внешней оболочке. Сигнал передается по проводам либо на термометр на передней панели, либо напрямую в блок управления.

Датчики температуры двигателя погружаются в антифриз. Когда охлаждающая жидкость нагревается, то нагревается и датчик. При этом повышается и сопротивление термистора. Блок управления посылает на термистор сигнал, измеряет напряжение вернувшегося сигнала. Результат измерения сравнивается с эталонной таблицей в памяти устройства, и на экран выводится температура двигателя.

Терморезистор в блоке питания компьютера

Термисторы из-за своей доступности чаще находят свое использование для таких бытовых устройств, как блок питания (БП). Он защищает электрическую цепь в случае резкого нагрева, контролируя температуру до безопасного уровня.

Как блоки питания, так и выпрямители, у которых есть конденсаторные фильтры, обладают существенным недостатком. При включении устройства конденсатору требуется незначительный промежуток времени на его зарядку. Этого времени хватает на кратковременный бросок тока, превышающий рабочие параметры БП в несколько раз.

Естественно, любое превышение токовых нагрузок нежелательно для электронных схем.

Одно из решений этой проблемы — когда в электронную цепь входит среднетемпературный NTC -терморезистор.

Приведенная выше схема актуальна для БП мощностью не выше 800 Вт.

В режиме ожидания (при выключенном питании) терморезисторы с естественной температурой, которая есть в помещении.

Когда БП включается, всплеск тока гасится сопротивлением NTC-термистора. В дальнейшем эта деталь нагреется и выйдет на рабочий режим, который не влияет на работу схемы питания.

Установка датчика наружной температуры — что нужно учесть?

Так как этот прибор применяются для того, чтобы корректно измерять температуру на улице- стоит исключить все факторы, способные повлиять на точность измерений. Крепить датчик температуры наружного воздуха можно:

• только на северной части дома, чтобы солнечные лучи не попадали на него;
• на неметаллической поверхности (металл имеет низкую теплоизоляцию);
• избегая сырых, зараженных плесенью участков;
• в отдаленном месте от вентиляции, дымохода, дверей;

Помогла ли вам статья?