Датчики температуры. Виды и принцип действия.
Что такое датчик температуры
Датчик температуры — прибор для измерения температуры любого вещества: жидкости, твёрдого объекта, расплавленного вещества, окружающего воздуха и др.
Как выбрать датчик температуры.
При подборе датчика температуры основными параметрами являются:
- Диапазон рабочей температуры;;
- Возможность погрузить датчик в измеряемую среду или вещество, если это необходимо;
- Условия, при которых проводятся измерения температуры: агрессивные воздействия, высокое или низкое давления, влажность и другие;
- Ресурс датчика– сколько времени он проработает до возникновения необходимости калибровки или замены;
- Тип выходного сигнала - в датчиках измеряемая температура преобразуется в электрическую величину, потому что электрический сигнал легче передается и обрабатывается контроллерами. Существует три вида выходного сигнала:
- сенсор - термосопротивление или термопара подключаются к контроллеру или модулю, имеющему в комплекте аналоговый вход;
- аналоговые выходные сигналы передаются на расстояние до 800 метров. Устанавливаются в коммутационную головку нормирующего преобразователя в заданном диапазоне измеряемых температур;
- цифровой выходной сигнал RS-485. Используются при необходимости получать данные от большого количества термодатчиков. Длина линии связи составляет до 1200 м, и она самая помехоустойчивая из трёх. На один интерфейс RS-485 подключается до 32 устройств, а с повторителями до 256.
- технические показатели – погрешность и разрешение измерения, напряжение, время срабатывания;
- тип корпуса. датчика.
26 видов датчиков температуры и их характеристики
1. Термопары применяют на судах для измерения температуры выхлопных газов дизелей и котлов. Поэтому и необходим переключатель, 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.
Термопары состоят из:
наконечника;
переключателя;
милливольтметра;
электродов.
2. В термометрах расширения меняется объем содержащихся веществ при изменении температуры. Из термометров этого вида самыми распространенными являются жидкостные стеклянные термометры. Они заполняются жидкостями (ртуть, толуол, этиловый спирт), которые по мере увеличения температуры расширяется.
Измеряемая температура преобразуется в линейное перемещение жидкости. Шкала наносится на поверхность капилляра или закреплена на нем снаружи. Технические жидкостные стеклянные термометры измеряют температуры от -30 до +600 С.
3. Манометрические термометры состоят из термобаллона 1, гибкого капилляра 2 и манометра 3. По используемому веществу термометры этого типа подразделяются на газовые, парожидкостные и жидкостные. Этими устройствами измеряются температуры от - 60 до + 600 С.
Термобаллон погружается в измеряемую среду. При повышении температуры внутри термобаллона поднимается давление, которое измеряется манометром. Шкала манометра размечена в единицах температуры.
Капилляр этого термометра позволяет установить манометр на расстояние до 40 м от термобаллона. Если требуется передача результатов измерений дальше 0 м, манометрические термометры снабжаются промежуточными преобразователями с унифицированными выходными пневматическими или электрическими сигналами.
Манометрические термометры обычно используются во взрывоопасных помещениях.
4. Термометры сопротивления - это первичные преобразователи, которые передают сигнал удобным для передачи способом — электрическим сопротивлением. Измеряется этот сигнал автоматическими уравновешенными мостами. Если нужно, выходной сигнал такого термометра может преобразовываться в унифицированный. Действие термометров этого типа основано на изменении телами электрического сопротивления при изменении температуры. У металлических термометров сопротивление по мере роста температуры увеличивается, у полупроводниковых – уменьшается.
Металлические термометры сопротивления производятся из тонкой медной или платиновой проволоки 1, помещённой в электроизоляционный корпус 2. Зависимость электрического сопротивления от температуры (для медных термометров от -50 до +180С, для платиновых — от -200 до +750 С ) стабильна и воспроизводима.
5. жидкостный измеритель температуры состоит из трех деталей:
1 - металлический термопатрон;
2 - капилляр;
3 - сильфонная камера.
Металлический термопатрон 1 и сильфонная камера 3 соединены металлическим гибким капилляром 2. Герметичная внутренняя полость в зависимости от диапазона измеряемых температур заполнена глицерином, ксилолом или ртутью. Термопатрон размещается в контролируемой среде. При повышении температуры среды увеличивается объём наполнителя, он перетекает по капилляру в камеру сильфона, это вызывает смещение его торца. Перемещение пропорционально изменению температуры. Выходным сигналом датчика является перемещение штока 5, движимого торцом сильфона. При снижении температуры объём наполнителя уменьшается, и торец сильфона смещается в обратном направлении возвратной пружиной 4. Эти датчики подвержены влиянию температуры окружающей среды. Чем она больше, чем меньше разница температур окружающей и контролируемой сред.
6. Датчик с твёрдым наполнителем термометрической системы (объёмный) использует похожий на жидкостный принцип действия. Он состоит из жёстко закреплённого сильфона 1, внутренняя полость которого герметична и заполнена аморфным телом (как правило пчелиным воском). При изменении окружающий сильфон температуры среды наполнитель расширяется, вызывая перемещение торца сильфона. Для снижения тепловой инерционности датчика воск в нем смешивается с медными опилками.
7. Дилатометрический термодатчик состоит из:
О - опора;
В - свободный конец;
1 - пружина;
2 - поворотный рычаг;
3 - теплообменник;
4 - трубки;
5 - стержень.
Нижний конец трубки 4 соединен со стержнем 5, проходящим через трубку. Верхний конец 5 трубки впаян в резьбовой штуцер, на фланце которого закреплён поворотный рычаг 2, прижимаемый к стержню пружиной 1. Датчик устанавливается на трубопроводе или теплообменнике 3, а трубку 4 погружают в измеряемую среду. Трубка изготавливается из материала с намного большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала стержня. Трубки производят из меди, латуни, стали, а стержни – из инвара (сплав кобальта, железа и хрома), обладающего коэффициентом линейного расширения в 5 раз меньше меди и в 2 раза меньше у стали.
Изменение температуры среды, окружающей трубку, вызывает перемещение верхнего конца стержня 5, которое приводит к развороту рычага 2 относительно опоры 0 и пропорциональному перемещению его свободного конца В. Расстояние последнего перемещения и является выходным сигналом датчика.
Значение выходного сигнала этих датчиков мало, а тепловая инерция значительна. Также стоит отметить низкую точность измерения данных измерительных приборов.
8. Биметаллический термодатчик использует аналогичный с дилатометром метод функционирования. Чувствительный элемент состоит из пружины 1, спаянной из двух пластин разнородных металлов. При колебании температуры длина пластин изменяется на разную величину, что влечет изгиб или скручивание спиральной пружины. Один конец пружины закреплён неподвижно, а перемещение свободного конца является выходным сигналом датчика.
9. Термоманометрические датчики конструктивно схожи с жидкостными. По наполнителям термоманометрические датчики подразделяют на:
- Парожидкостный. В таком измерителе термопатрон заполняют примерно на 2/3 объёма жидкостью с температурой кипения ниже измеряемой, остальной объём занимают её пары. От диапазона измеряемых температур зависит используемая жидкость: 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 дистанционно передаётся датчику давления. На показатели парожидкостных датчиков не воздействует изменение температуры окружающей среды.
- Газовый датчик заполняется полностью азотом или гелием, и измеряет широкий диапазон температур (от – 130 до + 550 С). Однако данный датчик подвержен влиянию внешней температуры.
Общими недостатками датчиков этого вида являются их значительная тепловая инерционность, сложность ремонта при нарушении герметичности измерительной системы, ограниченное расстояние передачи выходного сигнала. Наиболее популярны измерительные устройства с терморезисторами и термоэлектрическими датчиками температур.
10. Терморезисторы используют принцип изменения активного сопротивления проводников и полупроводников при колебаниях их температуры. Диапазон температур, измеряемых терморезистором, составляет от – 50 до + 600 С. Монтируется такой датчик в герметичном корпусе для защиты от механических повреждений и воздействия агрессивной среды.
Терморезистор состоит из проволоки, намотанной на изоляционный каркас. В зависимости от диапазона измеряемой температуры применяют платиновую, медную или никелевую проволоку. На корпусах таких датчиков размещаются условные обозначения: платиновый – ТСП, медный - ТСМ, полупроводниковый - ММТ, КМТ, МКМТ и т. д.
Применение таких датчиков ограничивает их низкая стабильность.
11. Электроконтактный термометр состоит из следующих деталей:
1 - нижняя часть термометра;
2 - металлические контакты, впаянные в капилляр;
3 - зажимы, соединённые с контактами.
Электроконтактные термометры применяются для сигнализации и простейшего регулирования тепловых объектов. Столбик ртути представляет собой замыкающий контакт. Данные контроллеры выпускаются с несколькими постоянными контактами (термометры типа ТЭК) или с одним переменным контактом, который переустанавливается внутри капилляра при помощи специальной магнитной муфты (тип ТПК). Электроконтактные термометры применяются в цепях и постоянного, и переменного тока. Данные термометры бывают прямыми и угловыми.
12. Комбинированный датчик температуры и влажности обеспечивает точность измерения температуры ±2 градуса и влажности ±5 процентов. Некоторые модели комбинированных датчиков могут подключать параллельные устройства.
13. Цифровой датчик является оптимальным решением для работы с микроконтроллерами в стандартных условиях. В отличие от аналоговых, цифровые датчики могут работать в длинной проводной линии и передают более устойчивый к помехам сигнал.
Можно подключить одновременно несколько цифровых датчиков на линию для покрытия большей территории датчиками и считывая изменения температур на площади.
Датчики этого типа, работающие параллельно с другими, обеспечивают точность измерений до 0,5 градусов. Рабочий диапазон температур составляет от -55 до +125 С.
14. Главная деталь бесконтактного термодатчика - тончайшая плёнка, которая поглощает инфракрасное излучение и одновременно нагревается. Такие бесконтактные термодатчики используются в тепловизорах. В промышленности такие устройства способны обнаруживать тепловой объект на дистанции до 3 метров.
15. Кварцевые преобразователи - автогенераторные преобразователи с частотным выходом, применяющие в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический резонатор с сильной зависимостью частоты от температуры. Преимущество таких устройств - в их высокой чувствительности, большой стабильности и простоте применения. Сигнал от резонаторов можно обрабатывать в цифровой форме, что удешевляет контроль температуры.
При измерении температуры с помощью термочувствительных кварцевых резонаторов используется анизотропии кристалла кварца. Выбирая соответствующую ориентацию среза пьезоэлемента относительно кристаллографических осей, можно изменять его термочастотную характеристику (ТЧХ), которая является нелинейной функцией температуры.
16. Шумовые датчики. Метод использования данных датчиков базируется на зависимости шумовой разности потенциалов на резисторе от температуры. Для измерения температуры шумовыми датчиками сравниваются шумы двух идентичных резисторов. Один из них помещается в среду с известной температурой, другой – в среду с измеряемой температурой. Диапазон температур, измеряемых этим типом датчиков, составляет от -270 до +1100 С. Основное достоинство шумовых датчиков – возможность измерения температуры в динамике. Однако их работа осложняется крайне малым напряжением шума, сравнимым с уровнем собственных шумов усилителя. Из-за этого напряжение шума крайне сложно замеряется.
17. Датчики температуры ЯКР (ядерного квадрупольного резонанса). Работа этих термометров основана на 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 снижается. Конструктивно данные датчики представляют собой емкость с веществом, помещённую в обмотку индуктивности, соединённую с контуром генератора. Несмотря на значительную нелинейность преобразующей функции, термометры ЯКР обладают неограниченной по времени стабильностью.
18. Объёмные. Их механизм функционирования основан на свойстве веществ расширяться и сжиматься при колебаниях температуры. Интервал измеряемых температур зависит от свойств материалов и составляет от -60 до +400 С. При работе с жидкостью интервал датчика зависит от температуры закипания и замерзания. Выпускаются маятниковые, комнатные, наружные датчики этого типа.
19. Канальный. Это все цифровые модели, использующие для передачи сигнала каналы. Канальность устройства зависит от количества задействованных «магистралей». Данные датчики делятся на:
- пассивные - терморезистивный элемент, сопротивление которого изменяется под действием температуры. Производятся элементы как с положительной температурной зависимостью (PTC), сопротивление которых растет с увеличением температуры, так и элементы с отрицательной температурной зависимостью (NTC), сопротивление которых снижается при повышении температуры.
- активные используют терморезистивный элемент, но при этом имеют встроенный электронный преобразователь, который преобразует резистивный сигнал в сигнал 0-10В или 4...20 мА, пропорциональный определённому температурному диапазону. Для этих датчиков необходимо наличие электропитания 24В. Устройства могут переключаться между несколькими температурными диапазонами. Производятся также модификации активных датчиков с ЖК-дисплеем для отображения измеряемой температуры.
20. Полупроводниковые температурные датчики измеряют температуры от -55 до 150 С. В этот диапазон попадает огромное количество бытовых и производственных задач. Широкие диапазоны характеристик, простота применения и низкая стоимость полупроводниковых датчиков температуры сделали их привлекательными для применения в микропроцессорных устройствах измерения и автоматики.
Механизм действия полупроводникового термометра основан на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещённом в прямом направлении. Данная зависимость почти линейная, что позволяет создавать датчики без сложных схем коррекции. В качестве чувствительных элементов используются диоды или транзисторы, включенные по схеме диода. Для проведения измерений через чувствительный элемент должен протекать постоянный ток. Выходным сигналом является падение напряжения на датчике.
Сегодня выпускается множество моделей полупроводниковых датчиков, оснащенных дополнительными деталями, устраняющими недостатки и расширяющими функционал приборов.
Полупроводниковые датчики подразделяют на следующие виды:
- - Аналоговые. Простые аналоговые полупроводниковые датчики максимально соответствуют концепции измерения температуры путем определения снижения напряжения на p-n переходе. Для устранения отрицательных явлений устройства используется специальная схема из двух чувствительных элементов (транзисторов) с различными характеристиками. Выходной сигнал формируется как разность падений напряжения на каждом чувствительном элементе. Повышение точности измерения осуществляется калибровкой датчика с использованием внешних цепей.
Для полупроводниковых моделей точность изменений колеблется от ±1С до ±3.5С. Наиболее точные модели редко обеспечивают точность выше ±0.5С. При этом данный параметр сильно зависит от температуры. В суженом диапазоне от -25 до 100 С точность в полтора раза выше, чем в полном диапазоне измерений -40С до +125С.
Большинство аналоговых датчиков температуры, также называемых интегральными датчиками, содержит три вывода и включается по схеме диода. Третий вывод обычно используется для калибровки. Выходной сигнал датчика - это напряжение, пропорциональное температуре.
- - Цифровым Технология изготовления полупроводниковых термометров позволяет размещать их на кристаллах интегральных микросхем. Температурные датчики встречаются в составе микропроцессоров и микроконтроллеров, служебных мониторов микропроцессорных систем и в других измерительных устройствах. Используется и противоположный вариант - добавления различных элементов к датчикам. Например, в датчике температуры с цифровым выходом. В отличие от аналоговых моделей, эти устройства содержат встроенный АЦП и формирователь сигналов стандартного интерфейса. Наиболее распространены интерфейсы SPI, I2C и 1-Wire. Использование термометров с цифровым выходом упрощает схемотехнику измерительного устройства. Использование стандартных интерфейсов позволяет интегрировать датчики в различные системы управления или подключать несколько датчиков на одну шину.
21. Пирометрические (радиационные) датчики - разновидность бесконтактных температурных датчиков. Действие основано на зависимости температуры от количества теплового электромагнитного излучения, полученного от объекта измерения. Радиационные термометры широко используются во многих отраслях промышленности: металлургия, производстве стекла и керамики, полупроводников, пластика, бумаги и т.д.
Датчики этого типа подразделяются на:
- Яркостные позволяют визуально определить температуру нагретого тела путём сравнения его цвета с цветом эталонной нити.
- Радиационные. Оценивают температуру путем пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.
- Цветовые (мультиспектральные, спектрального отношения) позволяют оценивать температуру объекта, на основе результатов сравнения его теплового излучения в различных спектрах.
- Низкотемпературные показывают температуры объектов с отрицательными значениями.
- Высокотемпературные оценивают температуру сильно нагретых тел, и обычно имеют сильное смещение в сторону верхнего предела измерения.
- Переносные аппараты удобны в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошей мобильностью. Например, для измерения температуры труднодоступных участков трубопроводов. Обычно оснащаются небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.
- Стационарные аппараты выдают более точные данные о температуре. Используются в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков.
22. Терморезистивные основаны на пропуске через них электрического тока. Измеряемая температура преобразовывается в сопротивление со стабильной линейной зависимостью.
23. Термобиметаллические температурные датчики бывают трех видов: с плоским термобиметаллом, со спиралью и с фигурным термобиметаллом. Контроллеры этого типа состоят из:
1 - корпус;
2 - термобиметалл;
3 - подвижный контакт;
4 - неподвижный контакт;
5 - нагревательная спираль.
В датчике изменяется форма биметаллической пластины при изменении температуры. Наибольшее распространение они получили как аварийные датчики перегрева двигателя, но и используются также со стрелочными приборами. В таком случае биметаллическая 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. Первый слой формируется из кремния, второй из диоксида кремния. Третья пленка из железо-кремний-алюминиевого сплава наносится для защиты нижних слоёв от окисления. Подобные датчики применяются при температурах до 350С. У волноводов с золотым покрытием рабочий диапазон увеличивается до 650С. Источниками излучения являются светоизлучающие диоды. Полученный сигнал анализируется спектрометром.
25. Акустические контроллеры состоят из трёх деталей: ультразвуковых передатчика, приёмника, и заполненной газом герметичной трубки. Передатчик и приёмник - это керамические пьезоэлектрические пластины, акустически не связанные с трубкой. В данной конструкции звук распространяется по большей части через газ внутри трубки. В качестве газа обычно используется сухой воздух. Если объём и масса внутренней среды поддерживаются постоянными, можно обойтись без промежуточной трубки. При использовании данной трубки в конструкции ее необходимо защищать от механических деформаций и потери герметичности при воздействии очень высоких температур.
Эти 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 – приборы для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на работе кварцевого пьезорезонатора. При пьезоэлектрическом эффекте наблюдается зависимость частоты вибраций кварцевого кристалла от температуры. На основе этого явления функционируют пьезоэлектрические датчики температуры. Поскольку кварц является анизотропным материалом, резонансная частота пластины сильно зависит от угла среза кристалла (его кристаллографической ориентации).
В датчиках температуры этого типа проблематично обеспечить надежную 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”.
Оставить заявку или получить обратную связь вы можете написав нам на info@industriation.ru или позвонив по бесплатному номеру 8 800 550-72-52. Специалисты отдела продаж подберут оборудование, проконсультируют по возникшим вопросам и проконтролируют поставку.
