Датчики измерения температуры: Датчики температуры. Типы и виды датчиков температуры

Датчики температуры. Виды и принцип действия.

Что такое датчик температуры?

Датчик температуры — устройство для контроля температуры жидкости, твёрдого объекта или расплавленного вещества, окружающего воздуха и другое.

Параметры выбора датчика температуры.

Основными критериями при выборе датчика температуры являются:

• Диапазон рабочей температуры;
• Возможность погружения датчика в объект измерения или среду;
• Условия проведения замеров, наличие агрессивных воздействий, давления, влажности и другое;
• Ресурс – время наработки датчика до калибровки или замены;
• Величина выходного сигнала — существует несколько видов:

— сенсор — термосопротивление или термопара подключаются к прибору, контроллеру или модулю, имеющему на своём борту аналоговый вход;

— аналоговые выходные сигналы передают данные на расстояние до 800 метров.

Монтаж осуществляется в коммутационную головку нормирующего преобразователя в заданном диапазоне измеряемых температур;

— технические показатели – погрешность и разрешение измерения, напряжение, время срабатывания;

— тип корпуса.

Виды датчиков температуры и их характеристики.

1. Термопары состоят из:

1 — наконечник;

2 — переключатель;

3 — милливольтметр;

4 — электроды.

Два изолированных электрода 4 спаяны на конце. Свободные концы электродов включены в общую электрическую цепь с милливольтметром 3. Проволочки термопар (за исключением места спая) изолированы одна от другой и от наконечника 1. Термопары применяют на судах для измерения температуры выхлопных газов дизелей и котлов. Поэтому и необходим переключатель 2, к которому можно подключить несколько термопар (по количеству цилиндров двигателя). Погрешность измерения у термопар примерно 3 %. Она зависит от температуры окружающей среды.

Поэтому желательно искусственно удлинить проволочки, изготовленные из того же материала и поместить гальванометр там, где температура относительно постоянная.

2. Термометры расширения изменяют объем жидкостей и твёрдых тел при изменении температуры. Из термометров расширения наиболее широко применяют жидкостные стеклянные термометры. Подобный термометр заполняется жидкостью (ртуть, толуол, этиловый спирт и др.), которая с увеличением температуры расширяется и поднимается вверх по капилляру.

Температура, измеряемая жидкостным термометром, преобразуется в линейное перемещение жидкости. Шкала наносится прямо на поверхность капилляра или прикрепляется к нему снаружи. Технические жидкостные стеклянные термометры применяют для измерения температур от -30 до +600°С.

3. Манометрические термометры состоят из термобаллона 1, гибкого капилляра 2 и манометра 3. Устройства изменяют давления газа, пара или жидкости в замкнутом объёме при изменении температуры.

В зависимости от заполняющего вещества манометрические термометры подразделяют на газовые, парожидкостные и жидкостные. Область измерения температур манометрическими термометрами от — 60 До + 600 °С.

Термобаллон манометрического термометра помещают в измеряемую среду. При нагреве термобаллона внутри замкнутого объёма увеличивается давление, которое измеряется манометром. Шкала манометра градуируется в единицах температуры. Капилляр (обычно латунная трубка внутренним диаметром, составляющим доли миллиметра) позволяет удалить манометр от места установки термобаллона на расстояние до 40 м. Капилляр по всей длине защищен оболочкой из стальной ленты.

Манометрические термометры могут применяться во взрывоопасных помещениях. При необходимости передачи результатов измерений на расстояние более 40м манометрические термометры снабжают промежуточными преобразователями с унифицированными выходными пневматическими или электрическими сигналами.

Наиболее уязвимыми в конструкции манометрических термометров являются места присоединения капилляра к термобаллону и манометру. Поэтому монтировать и обслуживать такие приборы следует осторожно.

4. Термометры сопротивления представляют собой первичные преобразователи с удобным для дистанционной передачи сигналом — электрическим сопротивлением. Для измерения такого сигнала обычно применяют автоматические уравновешенные мосты. При необходимости выходной сигнал термометра сопротивления может быть преобразован в унифицированный. Действие термометров сопротивления основано на свойстве тел изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. У металлических термометров сопротивление с возрастанием температуры увеличивается линейно, у полупроводниковых – уменьшается.

Металлические термометры сопротивления изготавливают из тонкой медной или платиновой проволоки 1, помещённой в электроизоляционный корпус 2. Зависимость электрического сопротивления от температуры (для медных термометров от -50 до +180°С, для платиновых — от -200 до +750 °С ) весьма стабильна и воспроизводима.

Благодаря этому термометры взаимозаменяемы.

5. жидкостный. Состоит из:

1 — металлический термопатрон;

2 — капилляр;

3 — сильфонная камера.

Металлический термопатрон 1 и сильфонная камера 3 связана между собой металлическим гибким капилляром 2. Внутренняя полость их герметична и в зависимости от диапазона измеряемых температур полностью заполняется глицерином, ксилолом или ртутью. Термопатрон помещают в зону контролируемой среды. При увеличении температуры среды увеличивается объём наполнителя, и он перетекает по капилляру в камеру сильфона, что вызывает перемещение торца последнего. Выходным сигналом датчика является перемещение штока 5, движимого торцом сильфона. Перемещение пропорционально изменению температуры. При понижении температуры объём наполнителя уменьшается, и торец сильфона движется в обратном направлении под действием возвратной пружины 4. Эти датчики обладают большими перестановочными усилиями. Однако они подвержены влиянию температуры окружающей среды, которое оказывается тем больше, чем меньше разность температур окружающей и контролируемой сред.

6. Датчик с твёрдым наполнителем термометрической системы (объёмный) имеет аналогичный с жидкостным датчиком принцип действия и свойства. Выполнен датчик в виде жёстко закреплённого сильфона 1, внутренняя полость которого герметична и заполнена аморфным телом (обычно пчелиным воском). При изменении температуры среды, омывающей сильфон, объём наполнителя увеличивается, вызывая перемещение торца сильфона. Для уменьшения тепловой инерционности датчика воск перемешивают с медными опилками.

7. Дилатометрический датчик состоит из

О — опора;

В — свободный конец;

1 — пружина;

2 — поворотный рычаг;

3 — теплообменник;

4 — трубки;

5 — стержень.

Нижний конец трубки 4 спаян со стержнем 5, свободно проходящим через трубку. Верхний конец 5 трубки впаян в резьбовой штуцер, на фланце которого закреплён поворотный рычаг 2, прижимаемый к стержню пружиной 1. Датчик устанавливают на трубопроводе или теплообменнике 3, а трубку 4 погружают в контролируемую среду. Для трубки выбирают материал с высокой теплопроводностью и значительно большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала стержня. Трубки изготавливают из меди, латуни, стали, а стержни – из инвара (сплав кобальта, железа и хрома), имеющего коэффициент линейного расширения, в 5 раз меньший, чем у меди, и в 2 раза меньший, чем у стали.

Изменение температуры среды, омывающей трубку, приводит к перемещению верхнего конца стержня. Перемещение стержня 5 приводит к развороту рычага 2 относительно опоры 0 и пропорциональному перемещению его свободного конца В на расстояние, являющееся выходным сигналом датчика. Дилатометры обладают большим перестановочным усилием. Однако значение их выходного сигнала мало, а тепловая инерция значительна. Недостатком также является невысокая точность измерения.

8. Биметаллический имеет аналогичный принцип действия, что и дилатометр. Чувствительный элемент состоит из плоской или спиральной пружины 1, спаянной из двух пластин разнородных металлов. При изменении температуры обе пластины удлиняются неодинаково, вызывая изгиб или скручивание спиральной пружины. Один конец пружины закреплён неподвижно, а перемещение свободного конца является выходным сигналом датчика.

9. Термоманометрические датчики по конструкции схожи с жидкостными. По роду наполнителя термоманометрические датчики разделяют на:

• Парожидкостный. В подобном датчике термопатрон заполняют примерно на 2/3 объёма жидкостью с температурой кипения ниже измеряемой, а остальной объём занимают её пары. От диапазона измеряемых температур зависит вид жидкости: хлорметил (от – 20 °С до + 100 °С), хлорэтил (от 0 до + 125 °С), этиловый эфир (от 0 до + 150 °С), ацетон (от 0 до 170 °С), бензол (от 0 до + 200 °С). Давление паров по капиллярной трубке с внутренним диаметром около 0,3 мм дистанционно передаётся к датчику давления. Переносчиком давления является спирт или смесь глицерина с водой, которыми заполняют внутреннюю полость капилляра и датчик давления. На работы парожидкостных датчиков не влияет изменение температуры окружающей среды.
• Газовый датчик, полностью заполненный азотом или гелием, служит для измерения в широком диапазоне температур (от – 130 до + 550 °С) и имеет линейную статическую характеристику. Однако датчик подвержен влиянию внешних температурных условий. Общими недостатками датчиков с жидкими, твёрдыми и газовыми наполнителями являются их большая тепловая инерционность, трудность (часто невозможность в судовых условиях) ремонта при нарушении герметичности измерительной системы и ограниченность расстояния передачи выходного сигнала. Наиболее распространены измерительные устройства с терморезисторами и термоэлектрическими датчиками температур.

10. терморезисторы работают по принципу изменения активного сопротивления проводников и полупроводников при изменении их температуры. Диапазон температур, измеряемых терморезистором, лежит в пределах от – 50 до + 600 С. Монтируют датчик в защитном герметичном корпусе для предохранения от механических повреждений и агрессивного воздействия среды.

Терморезистор представляет собой проволоку, намотанную на изоляционный каркас. В зависимости от диапазона измеряемой температуры применяют платиновую, медную или никелевую проволоку. Полупроводниковый терморезистор представляет собой смесь из порошкообразных окислов, спрессованную при высокой температуре. Они недостаточно стабильны, что ограничивает их применение. На корпусах датчиков, серийно выпускаемых, указывают условные обозначения терморезисторов: платиновый – ТСП, медный — ТСМ, полупроводниковый — ММТ, КМТ, МКМТ и т. д

11. Термометр электроконтактный. Состоит из:

1 — нижняя часть термометра;

2 — металлические контакты, впаянные в капилляр;

3 — зажимы, соединённые с контактами.

Широкое распространение среди жидкостных ртутных термометров получили электроконтактные термометры, которые применяются для целей сигнализации и простейшего регулирования тепловыми объектами. При этом столбик ртути представляет собой замыкающий контакт. Данные термометры выпускаются с постоянно впаянными несколькими контактами (тип термометра ТЭК) или с одним, но переменным контактом, который переустанавливается внутри капилляра при помощи специальной магнитной муфты (тип ТПК). Электроконтактные термометры применяются для цепей постоянного и переменного тока. Настройка температуры контактирования осуществляется по контрольному термометру. Данные термометры могут изготавливаться прямыми и угловыми, а также иметь защитную оправку

12. комбинированный датчик температуры и влажности обеспечивает точность измерения температуры ±2 градуса и влажности ±5 градусов. Интерфейс некоторых моделей комбинированных датчиков оптимизирован для подключения параллельных устройств.

13. цифровой датчик являются на текущий момент самым оптимальным решением для работы с микроконтроллерами, если нет каких-то специфических условий. В отличии от аналоговых, цифровые могут работать в длинной проводной линии. Их сигнал более устойчив к помехам.

Рабочий интерфейс подключает одновременно несколько цифровых датчиков на линию, осуществляя покрытие большой территории датчиками, и считывая градиент изменения температур на площади. Цифровые измерители способны работать даже с самыми примитивными интерфейсами.

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

14. бесконтактный оборудован тонкой плёнкой, поглощающей инфракрасное излучение, при этом нагреваясь. Подобные бесконтактные термосенсоры применяются в тепловизорах. Устройства данного типа позволяют детектировать тепловой объект на расстоянии до 3 метров.

15. кварцевые преобразователи — это автогенераторные преобразователи с частотным выходом, использующие в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический резонатор с сильной зависимостью частоты от температуры. Преимущество использования термочувствительных кварцевых резонаторов заключается в их высокой чувствительности, высокой стабильности и простоте использования. Сигнал от резонаторов можно сразу обрабатывать в цифровой форме. Это удешевляет процесс контроля температуры.

Измерение температуры с помощью термочувствительных кварцевых резонаторов основано на использовании анизотропии кристалла кварца. Выбирая соответствующую ориентацию среза пьезоэлемента относительно кристаллографических осей, можно изменять его термочастотную характеристику (ТЧХ), которая является нелинейной функцией температуры.

16. шумовые. В основе работы шумовых датчиков температуры лежит зависимость шумовой разности потенциалов на резисторе от температуры. Для измерения температуры шумовыми датчиками, необходимо сравнить шумы двух одинаковых резисторов. Один из них находится в среде с известной температурой, второй – в среде, температуру которой нужно измерить. Диапазон температур, которые измеряются с помощью шумовых датчиков, составляет от -270 до +1100°С. Основное преимущество шумовых датчиков – возможность измерения температуры в термодинамике — осложняется крайне малым напряжением шума, сравнимым с уровнем собственных шумов усилителя. Из-за этого напряжение шума крайне сложно измерить.

17. датчики температуры ЯКР (ядерного квадрупольного резонанса). Функционирование подобных термометров происходит за счёт действия градиента поля тока решётки кристалла и момента ядра, который вызван отклонением заряда от симметрии сферы. Это создаёт процессию ядер. Частота зависит от градиента поля решётки и для разных веществ может достигать тысячи мегагерц. Градиент зависит от температуры, с возрастанием которой, частота ЯКР уменьшается. Конструктивно датчики температуры ЯКР представляют собой ампулу с веществом, помещённую в обмотку индуктивности, соединённую с контуром генератора. При замере температуры -263°С, допуск составляет ±0,02 градуса, а при 27°С – ±0,002 градуса. Несмотря на значительную нелинейность преобразующей функции, термометры ЯКР обладают неограниченной по времени стабильностью.

18. объёмные. Свойство веществ расширяться и сжиматься при изменении температуры нашло применение в объёмных датчиках. Интервал измеряемых температур зависит от стабильности свойств материалов. Обычно этот интервал составляет от -60 до +400°С при допуске от 10 до 5%. При работе с жидкостью, интервал датчика зависит от температуры закипания и замерзания. При этом, погрешность измерения составляет от 1 до 3% и зависит от температуры среды. Нижняя граница измерений при работе с газом определяется температурой перехода газа в жидкое состояние, верхняя граница – стойкостью баллона к воздействию температуры. Выделяют маятниковый, комнатный, наружный датчики.

19. канальный. К данному типу относятся все цифровые модели, использующие для передачи сигнала каналы. Канальность устройства зависит от количества задействованных «магистралей». У одной модели может быть один канал, у другой три. Делятся на:

• пассивные — представляют собой терморезистивный элемент, сопротивление которого изменяется под действием температуры. Существуют элементы как с положительной температурной зависимостью (PTC), сопротивление которых увеличивается с ростом температуры, так и элементы с отрицательной температурной зависимостью (NTC), сопротивление которых уменьшается с ростом температуры.
• активные используют терморезистивный элемент, но при этом имеют встроенный электронный преобразователь, который преобразует резистивный сигнал в сигнал 0-10В или 4…20мА, пропорциональный определённому температурному диапазону. Такие датчики требуют наличие питания 24В. Благодаря наличию в устройстве джамперов имеется возможность переключения между несколькими температурными диапазонами. Существуют также модификации активных датчиков с ЖК-дисплеем, для наглядного отображения измеряемой температуры.

20. полупроводниковые предназначены для измерения температуры от -55° до 150°С. В этот диапазон попадает огромное количество задач, как в бытовых, так и в промышленных приложениях. Благодаря широким характеристикам, простоте применения и низкой стоимости полупроводниковые датчики температуры оказываются очень привлекательными для применения в микропроцессорных устройствах измерения и автоматики.

Физический принцип работы полупроводникового термометра основан на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещённом в прямом направлении. Данная зависимость близка к линейной, что позволяет создавать датчики, не требующие сложных схем коррекции. В качестве чувствительных элементов на практике используются диоды, либо транзисторы, включенные по схеме диода. Для проведения измерений, необходимо протекание стабильного тока через чувствительный элемент. Выходным сигналом является падение напряжения на датчике.

Схемы, использующие одиночный p-n переход, отличаются низкой точностью и большим разбросом параметров, связанных с особенностями изготовления и работы полупроводниковых приборов. Промышленность выпускает множество типов специализированных датчиков, имеющих в своей основе вышеописанный принцип, но дополнительно оснащенных цепями, устраняющими негативные особенности и значительно расширяющими функционал приборов.

Полупроводниковые датчики подразделяют на следующие виды:

• аналоговые. Простые аналоговые полупроводниковые датчики практически в чистом виде реализуют идею измерения температуры, с помощью определения падения напряжения на p-n переходе. Для устранения всех отрицательных явлений, связанных с работой такого перехода, используется специальная схема, содержащая в своем составе два чувствительных элемента (транзистора) с различными характеристиками. Выходной сигнал формируется как разность падений напряжения на каждом чувствительном элементе. При вычитании значительно сокращаются негативные моменты. Дальнейшее повышение точности измерения осуществляется калибровкой датчика с помощью внешних цепей.

Основной характеристикой датчика является точность измерений. Для полупроводниковых моделей она колеблется от ±1°С до ±3.5°С. Самые точные модели редко обеспечивают точность лучше чем ±0.5°С. При этом данный параметр сильно зависит от температуры. В суженном диапазоне от -25° до 100°С точность в полтора раза выше, чем в полном диапазоне измерений -40°С до +125°С. Большинство аналоговых датчиков температуры, иначе называемых интегральными датчиками, содержит три вывода и включается по схеме диода. Третий вывод обычно используется для целей калибровки. Выходной сигнал датчика представляет собой напряжение, пропорциональное температуре. Величина изменения напряжения различна и составляет 10мВ/градус. Для точного определения значения температуры необходимо знать падение напряжения при каком-либо ее фиксированном значении. Обычно в качестве такового используется значение начала диапазона измерений либо 0°С.

• с цифровым выходом Технология изготовления полупроводниковых термометров позволяет размещать их на кристаллах интегральных микросхем. Температурные датчики встречаются в составе микропроцессоров и микроконтроллеров, служебных мониторов микропроцессорных систем, а также в других измерительных устройствах, например датчиках влажности. Возможен и противоположный вариант — добавления различных элементов к датчикам. Примером подобных изделий могут служить датчики температуры с цифровым выходом. В отличие от аналоговых вариантов, эти устройства содержат встроенный АЦП и формирователь сигналов какого-либо стандартного интерфейса. Наибольшую популярность получили интерфейсы SPI, I2C и 1-Wire. Использование термометров с цифровым выходом значительно упрощает схемотехнику измерительного устройства, при незначительном увеличении стоимости относительно аналоговых вариантов. Использование стандартных интерфейсов интегрирует датчики в различные системы управления или подключать несколько датчиков на одну шину. Программирование протокола обмена с большинством датчиков не представляется сложной задачей. Данные элементы более популярны в любительской практике и мелкосерийном производстве.

21. пирометрические датчики представляют собой бесконтактные температурные датчики. Действие их основано на зависимости температуры от количества теплового электромагнитного излучения, полученного от объекта измерения. Радиационные термометры очень широко используются в различных отраслях промышленности: металлургия, производстве стекла и керамики, полупроводников, пластика, бумаги и т. д.

Подобные датчики подразделяются на

• Яркостные позволяют визуально определить температуру нагретого тела путём сравнения его цвета с цветом эталонной нити.
• Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.
• Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) — позволяют оценивать температуру объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.
• Низкотемпературные показывают температуры объектов, обладающих даже отрицательными значениями этого параметра.
• Высокотемпературные оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют сильное смещение в пользу «верхнего» предела измерения.
• Переносные удобны в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами. Например для оценки температуры труднодоступных участков трубопроводов. Обычно снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.
• Стационарные предназначены для точной оценки температуры объектов. Используются в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков.

22. терморезистивные работают при пропускании через них электрического тока и применяются в мостовых схемах. Измеряемая температура преобразовывается в сопротивление со стабильной линейной зависимостью.

23. термобиметаллический датчик температуры. Существуют датчики с плоским термобиметаллом, со спиралью и с фигурным термобиметаллом (фото слева направо). Состоит из:

1 — корпус;

2 — термобиметалл;

3 — подвижный контакт;

4 — неподвижный контакт;

5 — нагревательная спираль.

Датчики изменяют формы биметаллической пластины при изменении температуры. Самое большое применение они получили как «аварийные» датчики перегрева двигателя, но и со стрелочными приборами они также применялись.

При работе термобиметаллического датчика со стрелочным прибором биметалическая пластина соединяется бегунком переменного резистора. При изменении температуры пластина изменяет свою конфигурацию и перемещает бегунок по резистору, увеличивая или снижая сопротивление.

Если датчик используется как «аварийный», то есть включает лампу при перегреве двигателя, то биметаллическая пластина замыкает или размыкает контакты.

24. оптический датчик состоит из трёх слоёв плёнок, нанесённых на концы оптоволокон­ного волновода со ступенчатым измене­нием показателя преломления с диамет­ром сердцевины 100 мкм, и диаметром покрытия 140 мкм. Первый слой формируется из кремния, второй из ди­оксида кремния. Пленка из FeCrAl на­носится в самом конце для защиты ни­жележащих слоёв для защиты от окисления. Подобные оптоволокна применяются при температурах до 350°С. При ис­пользовании волноводов с золотым по­крытием рабочий диапазон увеличива­ется до 650°С. В качестве источников из­лучения используют светоизлучающие диоды с длиной волны излуче­ния порядка 860нм. Анализ результи­рующего сигнала проводится при помо­щи спектрометра.

25. акустические состоят из трёх компонентов: ультразвуковых передатчика и приёмника, а также герметичной трубки, заполненной газом. Передатчик и приёмник представляют собой керамические пьезоэлектрические пластины, акустически несвязанные с трубкой. Благодаря данной конструкции звук распространяется преимущественно через газ внутри трубки. В качестве газа чаще всего используется сухой воздух. В случае, когда объём и масса внутренней среды поддерживаются постоянными, не требуется применения промежуточной трубки. Если без неё не обойтись, то её необходимо защищать от механических деформаций и потери герметичности при воздействии очень высоких температур. Подходящим материалом для трубки является инвар.

Подобные датчики температуры используют принцип модуляции (зависимости) частоты электронных генераторов, построенных на основе времязадающих элементов поверхностных акустических волн (ПАВ). Датчики являются прямыми преобразователями температуры в частоту.

26. пьезоэлектрические датчики температуры – это приборы для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия подобного преобразователя производится с помощью кварцевого пьезорезонатора. При пьезоэлектрическом эффекте наблюдается зависимость частоты вибраций кварцевого кристалла от температуры. Именно на основе этого явления и реализуются пьезоэлектрические датчики температуры. Поскольку кварц является анизотропным материалом, резонансная частота пластины сильно зависит от угла среза кристалла (его кристаллографической ориентации).

В пьезоэлектрических датчиках температуры всегда очень сложно организовать хорошую тепловую связь кристалла с объектом измерения. Поэтому они обладают худшим быстродействием по сравнению с термисторами и термоэлектрическими детекторами.

О других датчиках читайте на сайте “Промышленная Автоматизация”.

Купить датчики температуры можно в интернет-магазине “Промышленная Автоматизация”.

Оставить заявку или получить обратную связь вы можете написав нам на [email protected] или позвонив по бесплатному номеру 8 800 550-72-52. Специалисты отдела продаж подберут оборудование, проконсультируют по возникшим вопросам и проконтролируют поставку.

Датчики и методы измерения температуры

Измерение температуры — общая информация

Как можно измерить температуру?

Температура может быть измерена с помощью большого количества типов датчиков. Все они реагируют на изменение температуры изменением некоторых своих физических параметров. Можно назвать шесть основных типов температурных сенсоров, с которыми инженер, вероятно, столкнется в процессе своей работы. Это следующие типы температурных сенсоров: термопары, сенсоры сопротивления (термометры сопротивления (RTD — Resistance Temperature Detector) и термисторы), инфракрасные датчики, биметаллические устройства, жидкостные термометры (использующие свойства жидкости расширяться при изменении температуры), и сенсоры, работа которых основана на эффекте изменения состояния вещества при воздействии температуры.

Что такое термопара?
Что такое термометр с сенсором сопротивления?
Что такое инфракрасный датчик?
Биметаллические устройства.
Жидкостные термометры.
Датчики температуры, использующие эффект изменения состояния вещества.
Рекомендации по выбору типа термодатчика.

Что такое термопара?

Термопары состоят по существу из двух полос или проводов, изготовленных из различных металлов и соединённых с одного конца. На свободных концах данного устройства можно обнаружить электродвижущую силу (ЭДС), вызванную контактной разностью потенциалов двух материалов. Изменение температуры в этом соединении вызывает изменение ЭДС. Данная ЭДС увеличивается, хотя и нелинейно, вслед за повышением температуры.

Что такое термометр с сенсором сопротивления?

Термометры с сенсорами сопротивления используют свойство зависимости электрического сопротивления материала сенсора от температуры. Есть два основных типа таких сенсоров: термометры сопротивления (RTD), работа которых основана на свойстве металла изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры, и термисторы, работа которых так же основана на свойстве полупроводника изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Термометры сопротивления имеют практически линейную зависимость сопротивления от температуры. У термисторов с повышением температуры сопротивление нелинейно падает.

Что такое инфракрасный датчик?

Инфракрасные датчики являются датчиками бесконтактного типа. Они определяют температуру путем измерения величины теплового излучения, испускаемого материалом.

Биметаллические устройства используют разницу в коэффициентах теплового расширения двух различных металлов. Полоски из двух разнородных металлов скрепляются вместе. При нагревании один из металлов устройства будет расширяться больше, чем другой, и полоска будет изгибаться в сторону материала с меньшим коэффициентом теплового расширения. Степень изгиба может быть преобразована в механическое перемещение указателя температуры или в замыкание или размыкание управляющих контактов. Эти устройства достаточно компактны и им не требуется блок питания для работы, но они обычно менее точные, чем термопары или термометры сопротивления (RTD) и с их помощью трудно производить регистрацию температуры.

Жидкостные термометры используют свойства жидкости расширяться при изменении температуры. Жидкостные термометры, характерный пример — бытовые термометры, обычно представлены двумя основными классами: ртутные термометры и термометры с использованием органической жидкости, например, спирта. Также есть варианты с использованием газа вместо жидкости. Ртуть является экологически опасной жидкостью, поэтому есть строгие правила, регулирующие использование устройств, которые её содержат. Жидкостные термометры не требует внешнего электропитания, не взрывоопасны и стабильны при многократных циклах измерений. С другой стороны, их показания практически невозможно автоматически записать или передать на расстояние, и трудно изготовить термометр с изменяемой точкой срабатывания контакта, хотя существуют ртутные термометры с такой функцией.

Датчики температуры, использующие эффект изменения состояния вещества при воздействии температуры изготавливаются в виде ярлычков, шариков, мелков, лаков или жидких кристаллов, состояние которых изменяется (обычно цвет), как только достигается определенная температура. Они используются, например, с конденсаторами пара. Когда температура конденсатора превышает определенную величину, белая точка на ярлычке, приклеенном к корпусу, станет черной. Время отклика обычно занимает минуты, поэтому такие датчики не реагируют на быстрое изменение температуры и точность их значительно ниже, чем у других типов датчиков. Кроме того, изменение состояния, как правило, необратимо, кроме случаев использования жидких кристаллов. Но даже в этом случае такие датчики могут быть удобными, если требуется быть уверенным, что температура части оборудования или материала не превысила определенный уровень, например, при транспортировке.

В промышленности, наиболее широко, используются следующие температурные сенсоры — термопары, сенсоры сопротивления (термометры сопротивления и термисторы) и инфракрасные устройства.

Рекомендации по выбору типа термодатчика.

Термометры сопротивления (RTD) более устойчивы, чем термопары. С другой стороны, диапазон температур данных сенсоров не столь широк: RTD работают от приблизительно -250 до 850°C, тогда как диапазон работы термопар располагается от приблизительно -270 до 2300°C. Термисторы имеют более ограниченный температурный диапазон и широко используются между -40 и 150°C, но имеют большую чувствительность и могут обеспечить более высокую точность измерения в вышеуказанном диапазоне.

Термисторы и термометры сопротивления (RTD) имеют одно очень важное ограничение. Поскольку это сенсоры сопротивления, то для измерения величины сопротивления необходимо через них пропускать ток. Даже при использовании тока очень незначительной величины сенсор дополнительно разогревается, что вносит погрешность в измерение температуры. Особенно это важно при измерении температуры среды с малой теплопроводностью, особенно при отсутствии её движения и перемешивания.

Эта проблема не возникает с термопарами, имеющими малое внутреннее сопротивление и генерирующими ЭДС. При использовании измерителей ЭДС с большим входным сопротивлением дополнительный разогрев термопары практически отсутствует.

Инфракрасные датчики, хотя и относительно дороги, являются почти незаменимыми при измерении чрезвычайно высоких температур. Они применяются при температуре до 3000°C, значительно превосходя диапазон термопар или других устройств, измеряющих температуру контактным способом. Инфракрасный способ также привлекателен, когда нежелательно вступать в контакт с поверхностью, температура которой должна быть измерена. Таким образом, хрупкие или влажные поверхности, типа окрашенных поверхностей, выходящих из сушильного шкафа, могут быть проконтролированы таким образом. Вещества, которые являются химически активными или находящиеся под напряжением (например, металл в индукционной печи) — идеальные кандидаты на способ инфракрасного измерения. Также, таким способом выгодно измерять температуры очень больших поверхностей, типа стен зданий, которые потребовали бы большого множества термопар или RTD для проведения измерений.

4 типа датчиков температуры

В современной электронике сегодня используются четыре основных датчика температуры: термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), датчики температуры сопротивления (RTD), термопары и интегрированные полупроводниковые датчики (IC).

Датчики температуры незаменимы в повседневной жизни. Они измеряют количество тепла, выделяемого системой или объектом, и, как правило, включают сигнал тревоги, когда изменение температуры превышает нормы, установленные приложением. Таким образом, датчики температуры играют решающую роль в обеспечении времени для профилактических действий.

В этой статье мы рассмотрим четыре основных датчика температуры, рекомендации по каждому из них, а также преимущества и недостатки их использования.

Что такое датчик температуры?

Датчик температуры представляет собой электрический прибор, предназначенный для измерения температуры воздуха, жидкости и твердых тел в различных отраслях промышленности и применениях.

Датчик температуры работает, обеспечивая считываемое измерение температуры на измерителе по электрическим сигналам, производимым внутри датчика температуры. Принцип работы датчика температуры зависит от напряжения на диоде внутри датчика температуры. Изменение температуры прямо пропорционально сопротивлению диода. Например, чем выше температура, тем больше сопротивление, и наоборот.

Применение датчиков температуры

Датчики температуры чрезвычайно полезны для удовлетворения как коммерческих, так и потребительских потребностей, поэтому они используются в следующих отраслях и приложениях:

• Промышленное применение для контроля тепла электрических радиаторов.
• Медицинские приложения для контроля измерений температуры в аппаратах МРТ и ультразвуковых сканерах.
• Лабораторное применение в фармацевтической промышленности и контроль температуры окружающей среды в лабораториях.
• Бытовая техника, такая как холодильники/морозильники, микроволновые печи и духовки.
• Компьютеры для предотвращения перегрева.
• Пищевая промышленность и производство напитков для санитарных целей и минимизации отходов.

Контактные и бесконтактные датчики температуры

Прежде чем мы рассмотрим типы датчиков температуры, важно понять, какой физический тип датчика температуры требуется для вашего приложения. Существует два основных физических типа датчиков температуры:

Контактные датчики температуры

Контактные датчики температуры используются, когда возможен хороший тепловой контакт с объектом, жидкостью или газом. Они используются для определения температуры, когда ожидается, что она будет ниже 3400 °F (1700 °C) или выше -40 °F (-40 °C).

Контактные датчики температуры включают термисторы, термопары и датчики температуры сопротивления.

Бесконтактные датчики температуры

Как следует из названия, бесконтактные датчики температуры не обязательно должны находиться в прямом контакте с измеряемым объектом. Вместо этого они используют инфракрасную технологию для дистанционного измерения температуры поверхности.

Используются, когда:

• Объект измерения движется.
• Контакт может повредить датчик температуры или объект, например, если объект очень горячий или вызывает коррозию.
• Контакт мог изменить температуру.
• Необходимо измерить большую площадь.
• Объект находится далеко или труднодоступен, как в космосе.

Бесконтактные датчики температуры включают волоконно-оптические датчики, радиационные термометры, оптические пирометры и тепловизоры.

Распространенные типы датчиков температуры

В настоящее время на рынке используются четыре распространенных датчика температуры:

• Датчики температуры сопротивления (RTD)
• Термисторы (отрицательный температурный коэффициент (NTC))
• Термопары
• Полупроводниковые датчики

Датчики температуры сопротивления (RTD)

Датчики температуры сопротивления или RTD изменяют сопротивление элемента RTD непосредственно в зависимости от температуры. РДТ изготавливаются из пленки и стеклянного или керамического сердечника с намотанной на него проволокой для большей точности. Хотя платиновые RTD (PRTD) дороже, они являются наиболее точными датчиками температуры. Помимо высокой точности, ПТРД обеспечивают стабильные показания, воспроизводимые отклики и могут использоваться в широком диапазоне температур (от -200 до 600°С).0003° С).

Platinum RTD доступны с сопротивлением 100 Ом и 1000 Ом при 0 °C, поэтому они обозначаются как PT100 и PT1000.

Датчики RTD, изготовленные из никеля и меди, также используются из-за их более низкой стоимости, но они не так стабильны или воспроизводимы, как PRTD.

По сравнению с другими типами датчиков температуры термометры сопротивления обычно имеют более высокую тепловую массу, поэтому обычно они медленнее реагируют на изменения температуры, чем датчики температуры с термопарами. RTD также требуют, чтобы ток возбуждения протекал через измеритель для расчета сопротивления.

Конфигурации RTD включают двух-, трех- и четырехпроводные варианты:

• Двухпроводные: Используется, когда длина провода достаточно мала, чтобы сопротивление не влияло на точность.
• Трехпроводная схема: В этой конфигурации добавляется щуп RTD для передачи тока возбуждения, что позволяет компенсировать сопротивление провода.
• Четырехжильный: Этот провод устраняет сопротивление провода за счет включения отдельных силовых и измерительных проводов. Это самая точная конфигурация.

Термисторы (отрицательный температурный коэффициент)

Термисторы аналогичны термометрам сопротивления, поскольку их сопротивление зависит от температуры. Поскольку термисторы имеют нелинейную температурную зависимость, они требуют корректировки для точной интерпретации данных. Это соотношение означает, что термисторные датчики температуры могут обеспечивать большое изменение сопротивления в небольшом рабочем диапазоне температур, поэтому они используются для измерения температуры в высокотехнологичных приложениях и приложениях с заданными значениями.

Обычно они изготавливаются из полимера или керамики, покрытых стеклянной поверхностью, поэтому они дешевле и менее точны, чем термометры сопротивления. Тем не менее, термисторы по-прежнему точны по сравнению с другими типами датчиков температуры из-за их воспроизводимости и быстрой реакции на изменения температуры.

Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) чаще всего используются для измерения температуры. Сопротивление термистора NTC уменьшается при повышении температуры. Термисторы со стеклянным корпусом имеют рабочий диапазон от -72,4 до 482·9.0003° F (от -50 до 250 ° C) и стандартные термисторы имеют диапазон до 302 ° F (150 ° C).

Термопары

Термопарные датчики температуры чаще всего используются в промышленности, автомобилестроении и в быту в вашем доме. Поскольку они имеют автономный источник питания, они не требуют возбуждения, имеют быстрое время отклика и могут работать в самом широком диапазоне температур (от -328 до 3182 °F/от -200 °C до 1750 °C).

Термопары изготавливаются путем соединения двух разнородных металлических проводов, электрически соединенных в двух точках. Соединительный конец называется «горячим спаем», а другой конец известен как «холодный спай». Различное напряжение между двумя металлами отражает пропорциональные изменения температуры.

Принцип работы очень прост. Когда две разнородные металлические проволоки сплавляются, они создают термоэлектрический результат, который обеспечивает постоянную разность потенциалов. Напряжение между металлами называется эффектом Зеебека. Если обе части имеют одинаковую температуру, разность потенциалов равна нулю и, следовательно, выходное напряжение отсутствует. Но когда детали имеют разную температуру, выходное напряжение зависит от разницы температур.

Термопары изготавливаются из различных материалов, что позволяет датчику температуры измерять различные диапазоны температур и чувствительности. Чаще всего используется датчик термопары типа K, и все остальные термопары также обозначаются буквами (J, R и T).

Самым большим недостатком использования датчика термопары является его низкое выходное напряжение, что затрудняет измерение температуры объекта или вещества. Из-за малого напряжения и компенсации холодного спая (CJC) термопарам требуются прецизионные эталоны с низким уровнем шума, и часто требуются некоторые решения по усилению.

Поскольку термопары также нелинейны, им требуется таблица преобразования для расчета температуры.

Полупроводниковые интегрированные датчики (ИС) 

Полупроводниковые датчики температуры обычно встраиваются в интегральную схему (ИС). Два идентичных диода с чувствительными к температуре напряжениями контролируют изменения температуры. Интегральные датчики имеют линейную характеристику, однако у них самая низкая точность среди датчиков температуры. Это связано с тем, что ИС имеют самый медленный отклик в узких диапазонах температур (- -70 град.от 0003°С до 150°С).

Существует два типа интегральных схем:

• Локальные датчики температуры: Измеряют температуру, используя физические свойства транзистора. Они могут использовать аналоговый или цифровой выход.
• Удаленные цифровые датчики температуры: Измерение температуры внешнего транзистора. Транзистор расположен вдали от микросхемы датчика.

Какой датчик температуры самый точный?

Если вам нужен наиболее точный датчик температуры, термометр сопротивления — лучший выбор. Датчики температуры RTD являются наиболее точными и стабильными электронными устройствами для измерения температуры. Здесь, в Atlas Scientific, мы предлагаем только высококачественные платиновые датчики температуры RTD, чтобы всегда обеспечивать высокоточные показания и низкую задержку.

Резюме

В зависимости от области применения или отрасли, в которой вы работаете, будет зависеть, какой датчик температуры использовать. Датчики с платиновым резистивным датчиком температуры (PRTD) являются наиболее точными, однако также широко используются термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), датчики с термопарами и интегрированные датчики (ИС) на основе полупроводников.

Если у вас есть какие-либо вопросы относительно датчиков температуры или вы не уверены, какой датчик температуры лучше всего соответствует вашим потребностям, не стесняйтесь обращаться к команде мирового класса в Atlas Scientific.

Датчики и датчики температуры

7 основных типов датчиков для измерения температуры

Об авторе:

Роб Д. Янг — профессиональный автор статей. Персональный сайт rdywriting.com, также посетите страницу его блога searchenginejournal.com.

Температура определяется как энергетический уровень материи, о котором можно судить по некоторым изменениям в этой материи. Датчики для измерения температуры бывают самыми разными и имеют одну общую черту: все они измеряют температуру, регистрируя некоторые изменения физических характеристик.

 

Семь основных типов датчиков для измерения температуры или устройств для контроля температуры, обсуждаемых здесь, – это термопары, резистивные датчики температуры (терморезисторы, термисторы), инфракрасные излучатели, биметаллические устройства, устройства расширения жидкости, молекулярные датчики изменения состояния и кремниевые диоды.

 

1. Термопары

Термопары представляют собой устройства измерения напряжения, которые измеряют температуру при изменении напряжения. По мере повышения температуры выходное напряжение термопары увеличивается — не обязательно линейно.

 

Часто термопара располагается внутри металлического или керамического экрана, защищающего ее от воздействия различных сред. Термопары в металлической оболочке также доступны со многими типами внешних покрытий, например, с тефлоновым, для безотказной работы в кислотах и ​​растворах сильных щелочей.

 

СВЯЗАННЫЕ: Термопары и датчики температуры

2. Резистивные устройства для измерения температуры

Резистивные устройства для измерения температуры также являются электрическими. Вместо того, чтобы использовать напряжение, как это делает термопара, они используют другую характеристику вещества, которая изменяется с температурой, — его сопротивление. Компания OMEGA Engineering, Inc. в Стэмфорде, штат Коннектикут, имеет дело с двумя типами резистивных устройств: металлическими резистивными термометрами (RTD) и термисторами.

 

Как правило, термометры сопротивления более линейны, чем термопары. Они увеличиваются в положительном направлении, при этом сопротивление увеличивается с повышением температуры. С другой стороны, термистор имеет совершенно другую конструкцию. Это чрезвычайно нелинейное полупроводниковое устройство, сопротивление которого уменьшается при повышении температуры.

3. Инфракрасные датчики

Инфракрасные датчики являются бесконтактными датчиками. Например, если вы поднесете типичный инфракрасный датчик к передней части стола без контакта, датчик сообщит вам температуру стола благодаря своему излучению — вероятно, 68 ° F при нормальной комнатной температуре.

 

При бесконтактном измерении ледяной воды ее температура будет немного ниже 0°C из-за испарения, что немного занижает ожидаемое показание температуры.

СВЯЗАННЫЕ: Инфракрасные и каталитические шариковые технологии для датчиков газа: плюсы и минусы

4. Биметаллические устройства

Биметаллические устройства используют расширение металлов при нагревании. В этих устройствах для контроля температуры два металла соединены вместе и механически связаны со стрелкой. При нагревании одна сторона биметаллической полосы расширяется больше, чем другая. И при правильном приспособлении к указателю отображается измерение температуры .

 

Преимуществами биметаллических устройств являются портативность и независимость от источника питания. Однако они обычно не так точны, как электрические устройства, и вы не можете легко записать значение температуры, как с электрическими устройствами, такими как термопары или термометры сопротивления; но портативность является определенным преимуществом для правильного приложения.

5. Термометры

Термометры – это хорошо известные устройства расширения жидкости, которые также используются для измерения температуры. Вообще говоря, они делятся на две основные категории: ртутные и органические, обычно красные, жидкие. Разница между ними заметна, потому что ртутные устройства имеют определенные ограничения, когда речь идет о том, как их можно безопасно транспортировать или перевозить.

 

Например, ртуть считается загрязнителем окружающей среды, поэтому ее поломка может быть опасной. Обязательно ознакомьтесь с действующими ограничениями на авиаперевозку ртутных продуктов перед отправкой.

 

6. Датчики изменения состояния

Датчики температуры изменения состояния измеряют именно это – изменение состояния материала, вызванное изменением температуры, как при переходе от льда к воде и потом париться. Коммерчески доступные устройства этого типа имеют форму этикеток, шариков, цветных карандашей или лаков.

 

Например, этикетки можно использовать на конденсатоотводчиках. Когда ловушку нужно отрегулировать, она становится горячей; тогда белая точка на этикетке укажет на повышение температуры, став черной. Точка остается черной, даже если температура возвращается к норме.

 

Метки изменения состояния указывают на измерение температуры в °F и °C. В устройствах такого типа белая точка становится черной при превышении указанной температуры; и это необратимый датчик, который остается черным после изменения цвета. Этикетки температуры полезны, когда вам нужно подтверждение того, что температура не превышала определенного уровня, возможно, по техническим или юридическим причинам во время транспортировки. Поскольку устройства с изменением состояния не являются электрическими, как и биметаллическая пластина, они имеют преимущество в некоторых приложениях. Некоторые формы этого семейства сенсоров (лак, мелки) не меняют цвет; следы, сделанные ими, просто исчезают. Пеллетный вариант визуально деформируется или полностью тает.

 

Ограничения включают относительно медленное время отклика. Поэтому, если у вас есть резкий скачок температуры вверх, а затем очень быстро снижается, видимой реакции может и не быть. Точность также не так высока, как у большинства других устройств, обычно используемых в промышленности. Однако в области применения, где вам нужна нереверсивная индикация, не требующая электропитания, они очень практичны.

 

Другие двусторонние этикетки работают по совершенно другому принципу, используя жидкокристаллический дисплей. Дисплей меняет цвет с черного на оттенок коричневого, синего или зеленого, в зависимости от достигнутой температуры.

 

Например, типичная этикетка полностью черная, если температура ниже измеряемой. По мере повышения температуры в точке, скажем, 33°F появляется цвет — сначала синий, затем зеленый и, наконец, коричневый, когда он достигает заданной температуры. В любом конкретном жидкокристаллическом устройстве вы обычно увидите два цветных пятна, расположенных рядом друг с другом: синее чуть ниже индикатора температуры и коричневое чуть выше. Это позволяет вам оценить температуру, скажем, между 85° и 9°С.0°F.

 

Несмотря на то, что он не является абсолютно точным, его преимущества заключаются в том, что он представляет собой небольшой прочный неэлектрический индикатор, который постоянно обновляет показания температуры.