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 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.
