какие есть температурные датчики

Виды и принцип работы термодатчиков

Содержание статьи

Принцип работы датчика-термопары

Основной принцип работы температурных датчиков в системах автоматического управления – преобразование температуры в электрическое значение. Эффективность использования электрических величин обеспечена: удобством передачи на большие расстояния с высокой скоростью, возможностью их обратной трансформации, преобразования в цифровой код, чувствительностью измерений. Различают несколько типов устройств.

Принцип действия устройства основан на термоэлектрическом эффекте: если в замкнутом контуре из двух полупроводников или проводников места спаев (контактов) имеют разную температуру, то в нем возникает электрический ток. Спай, расположенный в среде, в которой происходит измерение температуры, называется «горячим», противоположный контакт – «холодным». Чем больше температура измеряемой среды отличается от температуры воздуха, тем больший электрический ток возникает. Эти измерительные устройства могут иметь изоляционный слой или изготавливаться без него. Во втором случае термопары могут использоваться только в схемах, не контактирующих с «землей».

Схематичное изображение термодатчика

Виды термопар

Терморезистивные датчики

Принцип действия резистивных датчиков температуры (RTD) основан на зависимости сопротивления проводника или полупроводника от температуры. Для изготовления проводников применяют материалы с высоким температурным коэффициентом сопротивления и линейным соответствием сопротивления и температуры. Указанные характеристики относятся к пластине, в несколько меньшей степени – к меди.

Преимущества проводниковых термометров сопротивления:

Полупроводниковые датчики температуры демонстрируют высокую стабильность характеристик во времени. Полупроводниковые терморезисторы имеют большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Датчики температуры с отрицательным ТКС называются термисторами (с ростом температуры сопротивление снижается), с положительным – позисторами (с возрастанием температуры сопротивление увеличивается). Обозначение термисторов – NTC, позисторов – PTC.

Аналоговые и цифровые термометры

Аналоговые

Эти устройства обычно недороги и не требуют сложного ухода. Главная их проблема – шкала. Либо она показывает температуру с высокой точностью, но измерительный интервал при этом очень мал, либо охватывает широкий температурный диапазон, но точность показаний – приблизительна.

Цифровые

Такие устройства дороже, по сравнению с аналоговыми, но их точность гораздо выше. Позволяют производить измерения в широком интервале, применяются в быту и технике.

Конструктивные составляющие цифрового термометра:

Источник

Датчик температуры – характеристика прибора электроники

Главная страница » Датчик температуры – характеристика прибора электроники

Наиболее часто в области электроники находят применение датчики определения значений температуры окружающей среды. Такого типа датчик температуры представлен приборами от простых термостатических включателей-выключателей, контролирующих систему нагрева воды, до высокочувствительных полупроводников, управляющих сложными технологическими установками. Рассмотрим существующие варианты конструкций температурных датчиков, которыми наделяется современная электроника, а также электрические системы.

О температурных датчиках в целом

Разработано и выпускается под применение обширное разнообразие температурных сенсоров. Датчик температуры как таковой обладает разными характеристиками, исходя из цели фактического применения. Между тем, датчик температуры в любом случае представляет устройство одного из двух физически выполненных типов:

Контактным температурным датчикам присуща физическая связь с измеряемым объектом, как присущ эффект проводимости в момент контроля изменений. Датчик температуры контактного вида используется, как правило, для контроля твердых веществ, жидкостей, газов в широком температурном диапазоне.

Бесконтактный датчик температуры действует по принципу конвекции (излучения) для контроля температурных изменений. Приборы такого исполнения пригодны под контроль жидкостей и газов, излучающих лучистую энергию с повышением температуры. Или же допустим принцип излучения энергии объектом инфракрасного излучения.

Помимо этой классификации, оба типа температурных датчиков подразделяются по исполнению на устройства:

Датчик температуры — термостатическая конструкция (термостат)

Термостат является электромеханическим температурным датчиком (выключателем контактного типа). Основа конструкции термостата — два разных металла (например, никель и медь или вольфрам и алюминий и т.п.), соединенные вместе, образующие биметаллическую пластину.

Различные скорости линейного расширения двух разнородных металлов способствуют механическому изгибающему движению, когда биметаллическую пластину подвергают нагреванию.

Биметаллическую пластину допустимо использовать как электрический выключатель или как механический способ управления электрическим выключателем в термостатических элементах управления. Подобный датчик температуры широко используется для управления нагревом воды:

Датчик температуры — биметаллический термостат

Биметаллический термостат состоит из двух термически различных металлов, плотно связанных один с другим. Момент, когда датчик температуры находится в холодной среде, контакты замкнуты, становится моментом прохождения тока через образованную цепь.

Датчик температуры контактного типа: 1 – электрический контакт 1; 2 – биметаллическая пластина; 3, 4 – различные металлы; 5 – контактная площадка; 6 – электрический контакт 2; 7 – направление деформации биметалла; 8 – разомкнутая цепь; 9 – поток тепла; 10 – точка крепления

Если же конструкция термостата нагревается, один из металлов расширяется больше, чем другой за счёт разницы коэффициентов расширения структуры. Биметаллическая пластина сгибается (или разгибается), разрывает контакты цепи, препятствует протеканию тока.

Существуют два основных типа биметаллических термостатов, основанных главным образом на движении биметаллических пластин при изменении температуры. При этом есть устройства мгновенного действия и замедленного действия. Первые отличаются быстротой реакции на температурные изменения, вторые обладают замедленным (плавным) действием.

Термостаты мгновенного действия часто можно встретить в конструкциях бытовых приборов:

Термостаты замедленного действия состоят из биметаллической спирали, которая медленно разжимается или сжимается при изменениях температуры. Как правило, биметаллические пластины замедленного действия более чувствительны к изменениям окружающей среды, благодаря чему более приемлемы для использования в калибровочных, циферблатных и аналогичных датчиках.

Приборы быстрого действия дёшевы и доступны в широком диапазоне рабочих характеристик. Однако быстродействующие термостаты характерны увеличенным диапазоном гистерезиса (зона между закрытием/открытием контакта). Например, термостат отрегулирован на 20ºC, но фактически открывается при 22ºC и закрывается при 18ºC.

Термистор как датчик измерения температуры

Термистор тоже относится к ряду температурных датчиков. Название «термистор» сформировано комбинацией двух слов «термический» и «резистор». Таким образом, это необычный тип резистора, способного менять физическое сопротивление под внешним температурным воздействием.

Классическое исполнение термисторов. Именно в таком виде этот вид электронных компонентов чаще всего встречается в составе электронных плат различных приборов, с указанием на корпусе класса температурного коэффициента

Термисторы обычно изготавливаются на основе керамических материалов:

Сверху материал термистора покрыт тонким слоем стекла. Основным преимуществом термисторов над переключающими приборами является скорость реакции на малейшие изменения температуры, точность и стабильность действия.

Большинство термисторов наделены отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC). То есть в этом варианте исполнения значение сопротивления термистора снижается с увеличением температуры.

Вместе с тем выпускаются термисторы, наделённые положительным температурным коэффициентом (PTC). Значение сопротивления в этом случае, соответственно, увеличивается с повышением температуры окружающей среды.

Полупроводниковый материал термистора обычно формируют мелкими прессованными дисками или шарами, тщательно герметизированными, чтобы обеспечивалась относительно быстрая реакция на малые колебания температуры.

Термисторы оцениваются следующими показателями:

Как и постоянные резисторы, датчик температуры — термистор, наделяется значениями сопротивления при комнатной температуре в диапазоне от нескольких Ом до десятков МОм.

Для целей измерения, как правило, используются экземпляры, имеющие сопротивление в несколько кОм.

Термисторы следует рассматривать пассивными резистивными устройствами. То есть, чтобы получить измеримое выходное напряжение, необходимо через этот датчик температуры пропускать электрический ток.

При построении схем термисторы обычно соединяются последовательно с резистором смещения для формирования делителя потенциалов. Подбором конкретного резистора определяется выходное напряжение в некоторой заранее определенной точке температуры.

Пример схематический термисторного сенсора

На схеме примера термистор имеет значение сопротивления 10 кОм при 25ºC и значение сопротивления 100 Ом при 100ºC. Нужно рассчитать падение напряжения на термисторе и, следовательно, выходное напряжение (Vвых) для обеих температур при последовательном соединении с резистором 1 кОм через источник питания 12 В.

Датчик температуры (термистор) и схема включения: +V – напряжение питания (12 В); R1 – термистор с отрицательным температурным коэффициентом; R2 – резистор смещения; V темп – напряжение, соответствующее конкретной температуре; ОУ – операционный усилитель; V вых – напряжение выхода

Пример расчёта под Т= 25ºС, R2=10 кОм, при напряжении питания схемы 12 В:

V вых = R2 / (R1 + R2) * xV;

В цифрах: (1000 / (10000 + 1000) * x * 12 = 1.09 В

Пример расчёта под Т= 100ºС, R2=100 Ом, при напряжении питания схемы 12В:

В цифрах: (1000 / (100 + 1000) * x * 12 = 10.9 В

Изменяя фиксированное значение резистора R2 (в примере 1 кОм) потенциометром или предварительной установкой, можно получить выход напряжения при заданной температуре.

Например, если на выходе напряжение 5 В соответствует 60°С, тогда изменением потенциометром конкретного уровня выходного напряжения можно получить более широкий температурный диапазон.

Между тем, термисторы являются нелинейными устройствами. Стандартные значения сопротивления при комнатной температуре различны для отдельных термисторов. Это обусловлено, главным образом, полупроводниковыми материалами, из которых приборы сделаны.

Термистор реагирует на экспоненциальное изменение и, следовательно, имеет константу бета-температуры, которая может быть использована для расчета сопротивления под любой заданный параметр окружающей среды.

Однако при использовании в схеме с последовательным резистором (например, в делителе напряжения или устройстве с мостом Уитстона) ток, полученный в ответ на напряжение, подаваемое на делитель (мост), линеаризуется с температурой. Соответственно, выходное напряжение на резисторе также линеаризуется.

Датчик температуры резистивный типа RTD

Другим типом измерительного датчика с электрическим сопротивлением является резистивный датчик температуры (RTD). Это прецизионные измерительные приборы, изготовленные из высокочистых проводящих металлов:

Электрическое сопротивление таких приборов изменяется в зависимости от температуры, аналогично термистору. Также доступны тонкопленочные RTD. Такого типа устройства имеют тонкую пленку платиновой пасты, осажденную на белую керамическую подложку.

Структурная схема на резистивный датчик температуры: 1 – свинцовая пломба; 2 – оболочка зонда; 3 – изолированный пакет проводов; 4 – RTD сенсор; 5 – термо-карман; 6 – пружинные крепления; 7 – съёмный стопор; 9 – терминальный блок; 9 — наконечник

Резистивные датчики температуры имеют положительные температурные коэффициенты (PTC), но в отличие от термистора, выход этих приборов предельно линейный. Поэтому получаются очень точные параметры измерения.

Тем не менее, приборы PTC имеют очень слабую тепловую чувствительность. То есть изменение температуры приводит к очень малым изменениям на выходе, например, 1 Ом на градус. Широко распространённые RTD сделаны на основе платины и называются «Platinum Resistance Thermometer» — PRT. Часто встречающийся представитель PRT — датчик Pt100.

Прибор обладает стандартным значением сопротивления 100 Ом при 0ºC. Однако платина как материал — дорогостоящая, соответственно этот тип устройства также является дорогостоящим. Как и термистор, RTD пассивные резистивные устройства.

Поскольку RTD является резистивным устройством, необходимо пропускать через него ток и контролировать результирующее напряжение. Тем не менее, любая вариация сопротивления, обусловленная нагреванием резистивных проводников при протекании через них тока (Закон Ома) вызывает ошибку в показаниях.

Чтобы этого избежать, RTD обычно подключается к схеме через мост Уитсона, который имеет дополнительные соединительные провода для компенсации. Или же применяется подключение к источнику постоянного тока.

Термопары как измерительные температурные датчики

Термопара представляет наиболее распространенный вид температурных датчиков. Термопара как датчик температуры популярна благодаря нескольким факторам:

Принцип действия термопары: J1 – горячий спай; J2 – холодный спай; 1 – металл железо; 2 – металл константан; 3 – поток тепла; V1, V2 – разница напряжений; Vвых – напряжение выхода

Одна часть соединения называется эталонным (холодным) спаем. Другая часть — измерительным (горячим) спаем. Когда оба контакта находятся под разными температурами, на стыке используется напряжение, которое используется для измерения температурного датчика, как показано ниже.

Принцип работы датчика температуры — термопары

Принцип работы термопары прост. Слияние двух разнородных металлов образует «термоэлектрический» эффект, который дает постоянную разность потенциалов всего в несколько милливольт (мВ).

Разность напряжений между двумя переходами называется «эффектом Зеебека». Поскольку градиент температуры генерируется вдоль проводящих контактов, создающих ЭДС, выходное напряжение термопары становится зависимым от изменений окружающей среды.

Если оба контакта находятся при одинаковой окружающей среде, разность потенциалов на двух переходах равна нулю. Другими словами, напряжение отсутствует, когда V1 = V2. Однако если соединения подключены внутри схемы и находятся под разными температурами, ситуация меняется.

Появляется выход напряжения относительно разницы значений между двумя переходами V1 — V2. Это различие в напряжении будет увеличиваться с температурой до тех пор, пока не будет достигнут пиковый уровень напряжения перехода. Этот момент будет определяться характеристиками двух разных разнородных металлов.

Конструкция одного из вариантов датчика на термопаре: 1 – спай; 2 – специальная проводка типа «J»; 3 – оболочка их нержавеющей стали; 4 – настраиваемый уплотнительный фитинг; 5 – армирование из нержавеющей стали

Цветовые коды позволят пользователю выбрать правильный датчик температуры на базе термопары для конкретного применения. Ниже в качестве примера приведена таблица — британский цветовой код стандартных термопар:

Три наиболее распространенных материала термопар, используемые для общего измерения окружающей среды:

Выходное напряжение от термопары очень мало, всего несколько милливольт (мВ) для изменения разности температур на 10°C. Поэтому по причине малого напряжения, на выходе обычно требуется какая-нибудь форма усиления.

Схемы усиления на датчик температуры — термопару

Тип усилителя, дискретного или операционного, необходимо тщательно подбирать, поскольку для предотвращения повторной калибровки термопары с частыми интервалами требуется стабильность дрейфа. Соответственно, предпочтительным видится применение модулятора и усилителя измерительного типа для большинства температурных зондов.

На видеоролике выше демонстрируется работа термопары, которой наделён системный датчик температуры чиллера. Также в рамках видео отмечается, как проверить работоспособность прибора и восстановить прибор в случае утери рабочего сопротивления.

Другие приборы подобного типа

Другие типы датчиков, не упомянутые здесь, включают в себя:

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Источник

Датчики температуры. Виды и принцип действия, Как выбрать

Датчики температуры нужны для того, чтобы проконтролировать температуру в помещении, жидкости, твердого объекта или расплавленного металла.

Виды и принцип действия

Основой действия температурных датчиков в автоматизированном управлении является изменение температуры в электрический сигнал. Это обуславливает преимущества электрических измерений: результаты легко передавать по сети, скорость передачи может быть достаточно высокой. Величины могут преобразовываться друг в друга и обратно. Цифровой код создает повышенную точность замера, скорость и чувствительность.

Термопары

Термопара представляет собой две проволоки из разных металлов, спаянных между собой. При разности температур между горячим и холодным концом в цепи возникает электрический ток. Величина этого электрического тока зависит от термоэлектрической силы термопары, составляет от 40 до 60 мкВ, в зависимости от материала термопары. Материал термопары может быть разным. Это могут быть никель-хромовые, хромо-алюминиевые, железо-никелевые, железо-константановые и т.д.

Термопара является высокоточным датчиком температуры, однако эту точность достаточно проблематично снять. Термопара является относительным датчиком температуры, уровень ее напряжения имеет зависимость от температурной разности между спаями. При этом холодный спай находится при комнатной температуре или при какой-либо другой.

Рассмотрим работу термопары ближе. Есть две термопары и две температуры горячего и холодного конца. Соответственно ЭДС зависит от разности температур. Температуру холодного спая необходимо компенсировать. Аппаратным способом компенсации является использование второй термопары, которая помещена в заранее известную температуру.

Программным способом компенсации является использование другого датчика температуры, на этот раз абсолютного, который помещается в изотермическую камеру вместе с холодными спаями и контролирует их температуру с заданной точностью. Имеются трудности снятия данных с термопары.

Терморезисторы

Гораздо более простым способом измерения стало применение терморезисторов. Они работают на зависимости сопротивления материалов от внешней температуры. Металлические термометры сопротивления, в частности платиновые обладают очень высокой точностью и линейностью. Термометры сопротивления определяются двумя основными характеристиками.

Это базовое сопротивление термометра при определенной температуре. В ГОСТе базовым сопротивлением считается сопротивление при 0 градусах по Цельсию. ГОСТ рекомендует использование нескольких номиналов сопротивлений в Омах и температурный коэффициент, который определяется как разность сопротивлений нашей температуры и при 0 градусов, деленной на нашу температуру и t нуля градусов, умноженную на единицу, деленную на базовое сопротивление.

Т_кс = (R_e – R_0c) / (T_e – T_0c) *1/R_0c

В ГОСТе на терморезисторы вы найдете температурный коэффициент для различных термометров из платины, меди и никеля. Кроме того, там присутствуют коэффициенты полинома для расчета температуры из текущего сопротивления резистора. Одной из проблем термометров сопротивления является очень низкий температурный коэффициент сопротивления. Однако, измерять сопротивление с высокой точностью гораздо проще, чем очень малые значения напряжения в отличие от термопар.

Одним из способов измерения сопротивления является включение нашего термосопротивления в цепь источника тока и измерение дифференциального напряжения. Использование полупроводников даст нам температурный коэффициент доли единицы процента, их гораздо проще измерять с помощью аналогоцифровых преобразователей. Есть интегральные микросхемы датчиков температуры, аналоговый выход которых уже соответствует питаемому напряжению. Такие датчики температуры можно напрямую подключать к аналогоцифровому преобразователю и спокойно оцифровывать его с помощью восьми- или десятибитного АЦП.

Комбинированный датчик

Помимо интегральных схем с выходом, существуют датчики с цифровым интерфейсом. Одним из популярных датчиков является комбинированный датчик температуры и влажности серии SHT1. Этот датчик позволяет измерять температуру с точностью + 2 градуса и влажность с точностью + 5 градусов. Главной проблемой данного датчика температуры является то, что там решили оптимизировать интерфейс. Он позволяет подключать параллельные устройства.

Цифровой датчик

Бесконтактные датчики (пирометры)

В этом датчике имеется специальная тонкая пленка, поглощающая инфракрасные излучения, тем самым нагревающаяся. Такие бесконтактные термосенсоры используются в тепловизорах. Там имеется не один тепловой датчик, а матрица. Они позволяют на расстоянии до 3 метров детектировать тепловой объект.

Кварцевые преобразователи температуры

Кварцевые датчики работают с высокой чувствительностью, разрешением, стабильностью. Эти свойства делают их перспективными в использовании. Они получили большое распространение в цифровых термометрах.

Шумовые датчики температуры

Преимуществом шумовых датчиков стала возможность измерения температуры в термодинамике на вышеописанной закономерности. Но это осложнено трудным измерением напряжения шума, так как оно мало и сравнимо с шумом усилителя.

Датчики температуры ЯКР (ядерного квадрупольного резонанса)

Термометры ЯКР работают за счет действия градиента поля тока решетки кристалла и момента ядра, которое вызвано отклонением заряда от симметрии сферы. Это создает процессию ядер. Частота имеет зависимость от градиента поля решетки. Для разных веществ имеет величину до тысяч МГц. Градиент зависит от температуры, с ее возрастанием частота ЯКР уменьшается.

Объемные преобразователи

Нижняя граница измерения преобразователей на газе определяется температурой перехода газа в жидкое состояние, верхняя граница – стойкостью баллона к воздействию температуры.

Источник