Датчик температуры: виды, назначение, устройство, типовые схемы

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)

Принцип работы

Основная функция микросхемы DS18B20 — трансформация показаний встроенного датчика температуры в цифровой код. Это преобразование зависит от разрешения преобразования, установленного пользователем, которое варьируется от 9 до 12 бит (0,5°–0,625°С). Если настройки не производились, то установка регистра конфигурации соответствует 12 битам.

В начальном состоянии DS18B20 находится в состоянии покоя или иными словами в низком энергетическом уровне. Для начала измерений микроконтроллер подает сигнал [0х44], после чего полученные данные сохраняются в регистр, а сам датчик переходит в режим «покоя».

При работе цифрового датчика температуры DS18B20 от независимого источника питания микроконтроллер способен контролировать процесс выполнения команды [0х44], которая осуществляет измерение температуры. Таким образом, датчик температуры DS18B20 сформирует логический «0» во время трансформации показаний температурного режима и логическую «1» в случае окончания процесса преобразования.

Если питание микросхемы осуществляется при помощи «паразитного метода», то контроль логических «0» и «1» невозможен, поскольку на шине будет постоянно дежурить высокий уровень напряжения питания.

После снятия и обработки сигнала с датчика температуры в микросхеме DS18B20 полученные данные в градусах Цельсия сохраняются в виде 16-битного числа с признаком (S), который отвечает за знак «+» или «-» температуры. Структура регистра температуры будет выглядеть так, как показано ниже.

Если показания температуры выше «0», то показатель S=0, если же значение температуры отрицательное, то S=1. Ниже представлена таблица соответствия данных и температуры.

На что необходимо обратить внимание при выборе датчиков температуры

1. Температурный диапазон.
2. Можно ли погружать датчик в измеряемую среду или объект? Если расположение внутри среды недопустимо, то стоит выбирать акустические термометры и пирометры.
3. Каковы условия измерений!? Если используется агрессивная среда, то необходимо использовать либо датчики в корозийнозащитных корпусах, либо использовать бесконтактные датчики. Кроме того, необходимо предусмотреть другие условия: влажность, давление и тд.
4. Как долго датчик должен будет работать без замены и калибровки. Некоторые типы датчиков обладают относительно низкой долговременной стабильностью, например термисторы.
5. Какой выходной сигнал необходим. Некоторые датчики выдают выходной сигнал в величине тока, а некоторые автоматически пересчитывают его в градусы.
6. Другие технические параметры, такие как: время срабатывания, напряжение питания, разрешение датчиков и погрешность. Для полупроводниковых датчиков, важным также являет тип корпуса.

Виды датчиков температуры

Температурные датчики представлены широким разнообразием приборов, каждый из которых адаптирован к той или иной сфере деятельности. Ниже дано краткое описание, а более полно с ними можно ознакомиться на соответствующих страницах.

Важный момент: датчики делятся на первичные преобразователи и реализованные на их основе сложные электронные устройства с адаптацией к тому или иному эксплуатационному профилю. Вторые имеют стандартизированные выходные сигналы и легко встраиваются в промышленные АСУ.

Термосопротивления. Первичный преобразователь. Основаны на изменении электрического сопротивления материалов под воздействием температуры.

Термопары. Первичный преобразователь. Использует эффект возникновения термо-ЭДС в зависимости от разности температур «холодного» и «горячего» спаев.

Преобразователи температуры и влажности (датчики температуры воздуха). Электронные приборы с аналоговыми/цифровыми выходами (+ дисплей), сочетающие в себе функции датчика влажности и температуры. Лучшее применение находят в системах вентиляции и кондиционирования, в помещениях разных типов.

Многоточечные преобразователи температуры. Предназначены для температурного контроля по всему объему в больших резервуарах. Лучшее применение находят в пищевой промышленности и с/х, где используются в силосах с зерном и подобным продуктом.

Бесконтактные датчики температуры. Используются с удаленными/труднодоступными объектами в широком диапазоне t °C, в опасных для человека условиях. К ним также относятся:

• Датчики горячего металла. Разновидность бесконтактных датчиков для соответствующих отраслей производства.
• Дистанционные датчики температуры.
• Инфракрасные датчики температуры.

Датчики температуры с аналоговым выходом. Обширный класс приборов, объединяемых способом передачи информации. Включает в себя, например, гигиеничные датчики TER8 и общепромышленные датчики серий Кл и DIN.

Термопара

В состав температурного датчика входят две проволоки, изготовленные из разных металлов. Концы этих проволочек образуют контакт, формируемый посредством скручивания, сваркой встык либо путем формирования узкого сварного шва. Этот контакт называют горячим спаем.

К свободным концам крепятся компенсационные провода, используемые для присоединения измерительного прибора либо автоматического устройства управления. Контакт, образующийся в этих точках соединения, называют холодным спаем.

Когда концы проводов оказываются в зонах, нагретых до различной температуры, внутри термодатчика формируется электрический ток. Его сила напрямую зависит от материалов, которые использовались при изготовлении термопары, и может варьироваться в широком диапазоне.

Наибольшее распространение получили термопары:

• Хромоалюминиевые;
• Железоникелевые;
• Медно-константановые и другие.

Внимание! Стоимость термопары напрямую зависит от вида материала, который использовался для изготовления проволок.

Термопара позволяют определять температуру с достаточно высокой точностью. Однако получить искомый параметры бывает достаточно сложно. Принцип работы датчика предполагает наличие разности температур между разъемами. Используется так называемый термоэлектрический эффект. Горячий спай должен находиться внутри вещества, степень нагрева которого предстоит проконтролировать. Холодный — в окружающей среде.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Рис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

• И – один спай, изолированный от корпуса;
• Н – один соединённый с корпусом спай;
• ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
• 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
• ИН – два спая, один из которых заземлён;
• НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Терморезисторы

Для подобных приборов характерен более простой принцип работы. Они используют зависимость сопротивления материала от степени нагрева окружающего воздуха. Делятся на отрицательные (NTC) и положительные (PTC). Наибольшую точность демонстрируются температурные датчики, для изготовления которых использовалась платина.

Параметры работы терморезисторов определяются двумя характеристиками:

• базовое сопротивление;
• температура, при которой был найден первый параметр.

Согласно ГОСТ базовое сопротивление должно определяться при 0 °С с использованием нескольких номинальных сопротивлений и температурным коэффициентом, зависящим от значения сопротивления при искомой и нулевой температуре. Для расчета используется специальная формула.

В нормативном документе также можно найти табличное значение температурного коэффициента для термопар, изготовленных из никеля, платины и меди, и коэффициенты полинома, позволяющие рассчитать температуру объекта в зависимости от действительного значения сопротивления.

Проблемой терморезистора считается низкий температурный коэффициент сопротивления. Порядок использования напрямую зависит от комплектации конкретной модели. Базовые включаются в цепь с источника и контролируемого дифференциального напряжения. Для более точного определения предпочтительно использование аналого-цифровых преобразователей. При наличии в датчике аналогового выхода оцифровка значение осуществляется путем подключения терморезистора к преобразователю.

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.

Цифровые

Имеют трехвыводную микросхему. Для считывания показателей используются несколько датчиков, работающих параллельно. Они снимают показания с достаточно высокой точностью. Около 0.5 °С. Могут эксплуатироваться в широком температурном диапазоне. Однако для получения искомого значения необходимо много времени, порядка 750 секунд. Уменьшить время можно путем регулировки параметров.

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.

Бесконтактные

В состав устройства входит тонкая пленка, нагреваемая под воздействием инфракрасных лучей. Такие термодатчики устанавливаются внутрь пирометров, позволяющих определить степень нагрева объекта на расстоянии. Это актуально при измерении температуры тел, разогреваемых до достаточно высокой температуры. В такой ситуации использование контактных устройств становится невозможным. Однако точность показаний в этом случае остаточно низкая.

Существуют также бесконтактные датчики для измерения степени нагрева металла. Благодаря такому прибору, подключенному к специальному оборудованию, удается проконтролировать состояния сплава, нагретого до температуры более 1000 °С. Это подходящий вариант для литейных и прокатных предприятий, кузнечнопрессового производства и ряда специализированных предприятий, занимающихся выпуском огнеупорных материалов.

Шумовые датчики температуры

В основе работы шумовых датчиков температуры лежит зависимость шумовой разности потенциалов на резисторе от температуры. На практике, для измерения температуры шумовыми датчиками, нужно сравнить шумы двух одинаковых резисторов, один из которых находится в среде с известной температурой, второй – в среде, температуру которой нужно измерить. Диапазон температур, которые можно измерить с помощью шумовых датчиков составляет от -270 до +1100 градусов.
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.

Ядерного квадрупольного резонанса

Биметаллический терморегулятор использует момент ядра, образующегося при отклонении заряда от симметрии сферы и градиент поля тока решетки кристалла. На частоту влияет градиент поля решетки, который может меняться в достаточно широком диапазоне в зависимости от вещества. Чем выше степень нагрева объекта, тем выше частота.

ЯКР образует ампулу, внутрь которой помещено вещество. Она помещается внутрь обмотки индуктивности для дальнейшего соединения с контуром генератора. При совпадении частот энергия, излучаемая генератором, поглощается. Если измерения производятся на морозе, погрешность составляет 0.02 градуса. При нагреве до 27 °С точность измерения повышается. К преимуществам стоит отнести стабильность показателей. Однако преобразующая функция является нелинейной.

Объемные

Принцип работы иного рода биметаллического термометра построен на свойстве веществ расширяться и сжиматься в зависимости от действующей температуры. Диапазон действия преобразователя определяется в зависимости от стабильности материала. Датчик может использоваться при температурах от -60 до +400°С. Погрешность составит от 1 до 5%.

При определении температуры датчиками на жидкости погрешность падает до 1-3% в зависимости от температурной среды. Температура закипания и замерзания жидкости также будет влиять на интервал работы датчика.

Если датчик измеряет преобразователи на газе, то граница измерения зависит от точки перехода газа в жидкое состояние и стойкостью баллона в воздействующей температуре.

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.

Полупроводниковые термодатчики

Этот тип датчиков работает на принципе изменения характеристик p-n перехода под воздействием температуры. Так как зависимость напряжения на транзисторе от температуры всегда пропорциональна, можно сделать датчик с высокой точностью измерения. Несомненными плюсами такого решения является дешевизна, высокая точность данных, и линейность характеристик на всем диапазоне измерения. Кроме того, их можно монтировать прямо на полупроводниковой подложке, что делает этот тип датчиков незаменимым для микроэлектронной промышленности.

Примером такого устройства может стать датчик LM75A. Температурный диапазон — от -55 С° до +150 С°, погрешность измерений – ±2 С°. Шаг измерения – всего 0,125 С°. напряжение питания – от 2.5 до 5.5 В, а время преобразования сигнала – до 0.1 секунды.

Пирометры (тепловизоры)

Бесконтактный тип термодатчиков, считывающих излучение, которое исходит от нагретых тел. Этот тип устройств позволяет измерять температуру дистанционно, без приближения к среде, в которой производятся замеры. Это позволяет работать с большими температурами и сильно разогретыми объектами без опасного сближения.

Все пирометры по принципу работы подразделяют на интерферометрические, флуоресцентные и датчики на основе растворов, меняющих цвет в зависимости от температуры.

Пьезоэлектрические датчики температуры

Все датчики этого типа работают при помощи кварцевого пьезорезонатора. Вся суть работы – прямой пьезоэффект, то есть изменение линейных размеров пьезоэлемента под воздействием электрического тока. При попеременной подаче разнофазного тока с определенной частотой, пьезорезонатор колеблется, при этом частота его колебаний зависит от температуры. Зная эту зависимость, можно легко преобразовать данные о частоте колебаний резонатора в температуру.

Ещё одно видео о разновидностях термодатчиков:

Благодаря широкому диапазону измерений и высокой точности, такие датчики применяют в основном при проведении исследований и опытов, где нужна высокая надежность и долговечность.

Основные виды датчиков влажности

Емкостные — использует эффект изменения емкости в зависимости от влажности окружающей среды. Такие датчики, представляющие собой конденсаторы с воздухом как диэлектриком.

Резистивные — данные датчики основаны на изменении сопротивления в зависимости от влажности. По сути это обычные резисторы с переменным сопротивлением. Резистивные датчики измеряют величину протекающего тока и стоят недорого.

Оптические — самый точный тип устройств, основанный на таком физическом понятии как «точка росы». Основной принцип действия основан на измерении силы света при помощи фоторезистора. В качестве источника света используется светодиод.

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;

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
Термистор	В пределах 50°C от заданной центральной температуры Общий диапазон: от -40° до 125°	1	Низкая стоимость Надежность Небольшие размеры	Нелинейный выход Медленный отклик	Измерение температуры окружающей среды
Термопара	от -200° до 1450°	2	Высокое разрешение Небольшие размеры Широкий температурный диапазон	Строго рекомендуется калибровка Требуется два показания температуры: горячее соединение и холодное соединение	Промышленное использование
RTD	от -260° до 850°	1	Линейный выход Точность	Высокая стоимость Хрупкость: часто помещаются в защищенные пробники	Промышленное использование
Аналоговая микросхема	от -40° до 125° (TMP36)	2	Простое взаимодействие Простота использования Линейный выход	Значительно дороже термисторов Ограниченный температурный диапазон	Внутренний термостат Цифровой термометр
Цифровая микросхема	от -55° до 125° (DS18B20)	0,5	Просто использовать с микроконтроллерами Точность Линейный выход	Требуется микроконтроллер или что-то подобное Значительно дороже термисторов Ограниченный температурный диапазон	Внутренний термостат Цифровой термометр Бытовая электроника

Как вам статья?