Датчик температуры контактный


ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

   В этой статье мы обсудим различные типы датчиков температуры и возможность их использования в каждом конкретном случае. Температура - это физический параметр, который измеряется в градусах. Она является важнейшей частью любого измерительного процесса. К областям требующим точных измерений температуры относится медицина, биологические исследования, электроника, исследования различных материалов, и тепловых характеристик электротехнической продукции. Устройство, используемое для измерения количества тепловой энергии, позволяющее  нам обнаружить физические изменения температуры известно как датчик температуры. Они бывают цифровые и аналоговые.

Основные типы датчиков

   В целом, существует два методы получения данных:

   1. Контактный. Контактные датчики температуры находятся в физическом контакте с объектом или веществом. Они могут быть использованы для измерения температуры твердых тел, жидкостей или газов.

   2. Бесконтактный. Бесконтактные датчики температуры производят обнаружение температуры, перехватывая часть инфракрасной энергии, излучаемой объектом или веществом и чувствуя его интенсивность. Они могут быть использованы для измерения температуры только в твердых телах и жидкостях. Измерять температуру газов они не в состоянии из-за их бесцветности (прозрачности).

Типы датчиков температуры

   Есть много различных типов датчиков температуры. От простых контролирующих процесс вкл/выкл термостатического устройства, до сложных контролирующих системы  водоснабжения, с функцией её нагрева применяемых в процессах выращивания растений. Два основных типа датчиков, контактные  и бесконтактные далее подразделяются на резистивные, датчики напряжения и электромеханические датчики. Три наиболее часто используемых датчика температуры это:

  • Термисторы
  • Термопреобразователи сопротивления
  • Термопары

   Эти датчики температуры отличаются друг от друга с точки зрения эксплуатационных параметров.

Термистор

   Термистор - это чувствительный резистор, изменяющий свое физическое сопротивление с изменением температуры. Как правило, термисторы изготавливаются из керамического полупроводникового материала, такого как кобальт, марганец или оксид никеля и покрываются  стеклом. Они представляют собой небольшие плоские герметичные диски, которые сравнительно быстрое реагируют на любые изменения температуры.

   За счет полупроводниковых свойств материала, термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC), т.е. сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Однако, есть также термисторы, с положительным температурным коэффициентом (ПТК), их сопротивление возрастает с увеличением температуры.

График работы термистора

Преимущества термисторов

  • Большая скорость реагирования на изменения температуры, точность.
  • Низкая стоимость.
  • Более высокое сопротивление в диапазоне от 2,000 до 10,000 ом.
  • Гораздо более высокая чувствительность (~200 ом/°C) в пределах ограниченного диапазона температур до 300°C.

Зависимости сопротивления от температуры

   Зависимость сопротивления от температуры выражается следующим уравнением:

   где A, B, C - это константы (предоставляются условиями расчёта), R - сопротивление в Омах, T - температура в Кельвинах. Вы можете легко рассчитать  изменение температуры от изменения сопротивления или наоборот.

Как использовать термистор?

   Термисторы оцениваются по их резистивному  значению при комнатной температуре (25°C). Термистор-это пассивное резистивное  устройство, поэтому оно требует производства контроля текущего выходного напряжения. Как правило, они соединены последовательно с подходящими стабилизаторами, образующими делитель напряжения сети.

   Пример: рассмотрим термистор с сопротивлением значение 2.2K при 25°C и 50 Ом при 80°C. Термистор подключен последовательно с 1 ком резистором через 5 В питание.

   Следовательно, его выходное напряжение может быть рассчитано следующим образом:

   При 25°C, RNTC = 2200 Ом;

   При 80°C, RNTC = 50 Ом;

   Однако, важно отметить, что при комнатной температуре стандартные значения сопротивлений различны для различных термисторов, так как они являются нелинейными. Термистор имеет экспоненциальное изменение температуры, а следовательно-бета постоянную, которую используют, чтобы вычислить его сопротивление для заданной температуры. Выходное напряжение на резисторе и температура  линейно связаны.

Резистивные датчики температуры

   Температурно-резистивные датчики (термопреобразователи сопротивления) изготовлены из редких металлов, например платины, чье электрическое сопротивление изменяется от соответственно изменению температуры.

   Резистивный детектор температуры имеет положительный температурный коэффициент  и в отличие от термисторов, обеспечивает высокую точность измерения температуры.  Однако, у них слабая чувствительность. Pt100 являются наиболее широко доступным датчиком со стандартным значение сопротивления 100 Ом при 0°C. Основным недостатком является высокая стоимость.

Преимущества таких датчиков

  • Широкий  диапазон  температур от -200 до 650°C
  • Обеспечивают высокий выход по току падения
  • Более линейны по сравнению с термопарами  и термосопротивлениями

Термопары

   Наиболее часто используются датчики температуры-термопары, потому что они точны, работают в широком диапазоне температур от -200°C до 2000°C, и стоят сравнительно недорого. Термопара с проводом и штепсельной вилкой на фото далее:

Работа термопар

   Термопара изготовляется из двух разнородных металлов, сваренных вместе, что даёт эффект разности потенциалов от температуры. От разницы температур между двумя спаями, образуется напряжение, которое используется для измерения температуры. Разность напряжений между двумя спаями называется “эффект Зеебека”.

   Если оба соединения имеют одинаковую температуру, потенциал различия  в разных соединениях равен нулю, т.е. V1 = V2. Однако, если спаи имеют разную температуру,  выходное напряжение относительно разности температур между двумя спаями будет равно их разности V1 - V2.

Типы термопар

   В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, виброустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и другие.

el-shema.ru

Датчики температуры

Используемые в промышленности датчики температуры можно разделить по типу измерения на контактные и бесконтактные датчики температуры.

Бесконтактные датчики температуры (пирометры)применяются там, где затруднен доступ к измеряемым деталям, а также необходима мобильность и малая инерционность измерений. Кроме того, бесконтактные датчики температуры незаменимы там, где необходимо измерять высокие температуры – от 1500 до 3000 С. К особому виду ИК-датчиков температуры можно отнести ИК-камеры, которые позволяют получать картину распределения температуры на поверхности измеряемого объекта. Бесконтактные датчики используют принцип измерения энергии инфракрасного излучения, идущего от каждого объекта, будь то расплавленный металл или кусок льда. Инфракрасное излучение с длиной волны 3 – 14 мкм от измеряемого объекта попадает на чувствительный элемент бесконтактного датчика температуры и преобразуется в электрический сигнал, который затем усиливается, нормируется, а в новых моделях датчиков и оцифровывается для передачи по сети.

Интересны также модели бесконтактных датчиков температуры, разработанные для измерения температуры прозрачных объектов – стекла и пластиковой пленки, датчики для работы в запыленной или задымленной среде, датчики для измерения температуры пищевых продуктов в холодильных камерах.

Контактные датчики температуры

Термопары

Термопары представляют собой две проволоки из различных металлов, сваренных между собой на одном из концов. Термоэлектрический эффект открыл немецкий физик Зеебек в первой половине 19-го века. Он открыл, что если соединить два проводника из разнородных металлов таким образом, что бы они образовывали замкнутую цепь и поддерживать места контактов проводников при разной температуре, то в цепи потечет постоянный ток. Экспериментальным путем были подобраны пары металлов, которые в наибольшей степени подходят для измерения температуры, обладая высокой чувствительностью, временной стабильностью, устойчивостью к воздействию внешней среды. Это например пары металлов хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений-вольфрам. Каждый тип подходит для решения своих задач. Термопары хромель-алюмель (тип К) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают до температур вплоть до 1300 С в окислительной или нейтральной атмосфере. Это один из самых распространенных типов термопар. Термопара железо-константан (тип J) работает в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере при температурах до 500 С. При высоких температурах до 1500 С используют термопары платина- платина/родий (тип S или R) в керамических защитных кожухах. Они прекрасно измеряют температуру в окислительной, нейтральной среде и вакууме.

Термометры сопротивленияэто резисторы, изготовленные из платины, меди или никеля. Это могут быть проволочные резисторы, либо металлический слой может быть напыленным на изолирующую подложку, обычно керамическую или стеклянную. Платина чаще всего применяется в термометрах сопротивления из-за ее высокой стабильности и линейности изменения сопротивления с температурой. Медь используется в основном для измерения низких температур, а никель в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур. Для защиты от внешней среды платиновые термометры сопротивления помещают в защитные металлические чехлы и изолируют керамическими материалами, такими как оксид алюминия или оксид магния. Такая изоляция снижает так же воздействие вибрации и ударов на датчик. Однако вместе с дополнительной изоляцией растет и время отклика датчика на резкие температурные изменения. Платиновые термометры сопротивления одни из самых точных датчиков температуры. Кроме того, они стандартизированы, что значительно упрощает их использование. Стандартно производятся датчики сопротивлением 100 и 1000 Ом. Изменение сопротивления таких датчиков с температурой дается в любых тематических справочниках в виде таблиц или формул. Диапазон измерений платиновых термометров сопротивления составляет -180 С +600 С. Несмотря на изоляцию, стоит оберегать термометры сопротивления от сильных ударов и вибрации.

Термисторы.

Вэтом классе датчиков используется эффект изменения электрического сопротивления материала под воздействием температуры. Обычно в качестве термисторов используют полупроводниковые материалы, как правило, оксиды различных металлов. В результате получаются датчики с высокой чувствительностью. Однако большая нелинейность позволяет использовать термисторы лишь в узком диапазоне температур. Термисторы имеют невысокую стоимость и могут изготавливаться в миниатюрных корпусах, позволяя увеличить тем самым быстродействие. Существует два типа термисторов, использующих положительный температурный коэффициент – когда электрическое сопротивление растет с повышением температуры и использующих отрицательный температурный коэффициент – здесь электрическое сопротивление падает при повышении температуры. Термисторы не имеют определенной температурной характеристики. Она зависит от конкретной модели прибора и области его применения. Основными достоинствами термисторов является их высокая чувствительность, малые размеры и вес, позволяющие создавать датчики с малым временем отклика, что важно, например, для измерения температуры воздуха. Безусловно, невысокая стоимость так же является их достоинством, позволяя встраивать датчики температуры в различные приборы. К недостаткам можно отнести высокую нелинейность термисторов, позволяющую их использовать в узком температурном диапазоне. Использование термисторов так же ограничено в диапазоне низких температур. Большое количество моделей с различными характеристиками и отсутствие единого стандарта, заставляет производителей оборудования использовать термисторы только одной конкретной модели без возможности замены.

Полупроводниковые датчикитемпературы используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур для таких датчиков составляет от -50 С до +150 С. Внутри этого диапазона кремниевые датчики температуры показывают хорошую линейность и точность. Возможность производства в одном корпусе такого датчика не только самого чувствительного элемента, но так же и схем усиления и обработки сигнала, обеспечивает датчику хорошую точность и линейность внутри температурного диапазона. Встроенная в такой датчик энергонезависимая память позволит индивидуально откалибровать каждый прибор. Большим плюсом можно назвать большое разнообразие типов выходного интерфейса: это может быть напряжение, ток, сопротивление, либо цифровой выход, позволяющий подключить такой датчик к сети передачи данных. Из слабых мест кремниевых датчиков температуры можно отметить узкий температурный диапазон и относительно большие размерами по сравнению с аналогичными датчиками других типов, особенно термопарами. Кремниевые датчики температуры применяются в основном для измерения температуры поверхности, температуры воздуха, особенно внутри различных электронных приборов.

Термоиндикаторы– это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Такое изменение цвета может быть как обратимым, так и необратимым. В диапазоне комнатных температур используются термоиндикаторы на основе жидких кристаллов. Они плавно изменяют свой цвет при изменении температуры. Изменения эти, как правило, обратимые. Производятся они в виде пленки, часто с клейкой подложкой, и служат для оперативного визуального контроля температуры. Для низких и высоких температур производятся в основном необратимые термоиндикаторы. То есть, если температура хотя бы один раз превысила допустимую, то индикатор необратимо меняет свой цвет. Такие термоиндикаторы используют, например, для контроля за замороженными продуктами. Если в процессе хранения или транспортировки температура хоть раз была выше допустимой, то изменившаяся окраска термоиндикатора сообщит об этом. Основное достоинство термоиндикаторов низкая стоимость. Их можно использовать как одноразовые датчики температуры.

studfiles.net

Датчики измерения температуры: типы, принцип работы

Практически в любой современной аппаратуре есть датчики температуры. Это устройство, которое позволяет измерить температуру объекта или вещества, используя при этом различные свойства и характеристики измеряемых тел или среды. Не смотря на то, что все термодатчики призваны измерять температуру, разные типы датчиков делают это абсолютно по-разному. Давайте подробнее разберем принцип работы и характеристики основных видов термодатчиков.

Классификация термодатчиков по принципу работы

По принципу измерения все датчики измерения температуры подразделяются на:

  • Термоэлектрические (термопары);
  • Терморезистивные;
  • Полупроводниковые;
  • Акустические;
  • Пирометры;
  • Пьезоэлектрические.

Термоэлектрические датчики температуры (термопары)

Принцип работы этой группы датчиков основан на том, что в замкнутых контурах проводников или полупроводников возникает электрический ток, если места спайки различаются по температуре. Для измерения температуры, один конец термопары помещают в среду измерения, а другой служит для снятия значений. Единственным, но существенным недостатком этого вида измерителей является их довольно большая погрешность, что недопустимо для многих технологических процессов.

Примером такого датчика может служить датчик ТСП Метран-246, который предназначен для измерения температуры твердых тел.

Он применяется в металлообработке, и служит для контроля температуры подшипников. Диапазон измерения от -50 до +120 градусов по Цельсию, выходной сигнал для считывания – аналоговый.

Видео о датчиках температуры смотрите ниже:

Терморезистивные датчики

Как следует из названия, этот тип датчиков работает по принципу изменения сопротивления проводника при изменении его температуры. Благодаря простой и надежной конструкции, датчики этого типа широко применяются в электронике и машиностроении. Неоспоримым плюсом этих измерителей является высокая точность, чувствительность и простые устройства считывания.

Примером терморезистивного датчика может служить модель 700-101BAA-B00, которая имеет начальное сопротивление в 100 Ом, и диапазон измерений от -70 С° до +500 С°.

Выполнен он с применением платиновой пластинки и никелевых контактов. Широко используется в электронике и промышленных автоматах.

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.

Акустические датчики температуры

Принцип работы этих устройств – разная скорость звука в среде при разной температуре. Зная изначальные данные, можно рассчитать изменения температуры по скорости прохождения звуковой волны в веществе. Это бесконтактный метод, позволяющий измерять температуру в закрытых полостях, а также в среде, недоступной для прямого измерения. Используются такие датчики в медицине и промышленности – там, где проникновение к измеряемому веществу невозможно.

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.

pue8.ru

Бесконтактные датчики температуры

Бесконтактные датчики температуры созданы для обеспечения контроля температуры удаленных или труднодоступных объектов. Отсутствие необходимости соприкосновения позволяет бесконтактным датчикам измерять очень большие диапазоны температур.

Варианты исполнения бесконтактных датчиков температуры

В качестве датчиков с бесконтактным измерением температуры применяются переносные датчики с инфракрасным излучением. Они отличаются диапазоном измеряемых температур, используемыми материалами и временем отклика.

Область применения бесконтактных датчиков измерения температуры

Бесконтактные датчики применяются для контроля температуры во многих отраслях, где требуется удаленный контроль состояния объектов и возможность оценки температуры без непосредственного контакта:

  • энергетическая отрасль, включая тепло- и электроснабжение,
  • металлургия и металлообработка,
  • производство электронных компонентов,
  • машиностроение и автомобилестроение,
  • сфера строительства и жилищно-коммунального хозяйства,
  • транспортная отрасль, включая диагностику работы транспорта,
  • производство продуктов питания,
  • фармацевтика,
  • складские комплексы различных отраслей.

Помимо этого, бесконтактные датчики используются для контроля температуры различных производственных процессов.

Задачи, решаемые с помощью бесконтактных датчиков температуры

Возможность измерения температуры без непосредственного контакта позволяет решать несколько задач:

  • контроль температуры отдаленных и малодоступных объектов,
  • определение температуры движущихся частей машин и механизмов,
  • измерение температуры элементов под напряжением или в опасных условиях,
  • контроль высокотемпературных производственных процессов,
  • непрерывное отслеживание изменения температуры,
  • контроль элементов и поверхностей объектов, недоступных для стандартных способов измерения,
  • работа с объектами из материалов с невысокой теплопроводностью или низкой теплоемкостью.

Преимущества использования бесконтактного датчика температуры

Неоспоримые достоинства бесконтактных датчиков температуры обеспечивают большое число преимуществ перед любыми контактными способами температурного контроля:

  • измерение температуры удаленных и малодоступных объектов и их поверхностей, включая работу в опасных условиях,
  • измерение очень высоких значений температур, при которых другие датчики не способны работать,
  • датчик всегда чистый, т.к. отсутствует необходимость контакта с объектом контроля,
  • малое время отклика, что позволяет обеспечить высокую скорость получения результатов измерения,
  • возможность работы с любыми материалами.

При этом бесконтактные датчики очень просты в использовании.

Возможные недостатки работы с бесконтактными датчиками температуры

Основным недостатком работы бесконтактных датчиков является необходимость тщательной настройки работы прибора для обеспечения высокой точности результатов. При этом необходимо вносить поправочные коэффициенты, учитывая тип контролируемой поверхности.

Для получения наиболее точных результатов измерения необходимо тщательно подбирать бесконтактный датчик температуры для работы в конкретных условиях и с заданными контролируемыми объектами и поверхностями.

Принцип работы бесконтактного датчика температуры

Современные бесконтактные датчики температуры по своему принципу работы являются детекторами инфракрасного излучения. Датчик способен определять температуру благодаря определению уровня электромагнитной энергии, излучаемой объектом контроля в инфракрасном диапазоне. При этом датчик может определять как очень низкие температуры до -45oC, так и очень высокие – вплоть до +3000oC.

Для работы с различными материалами и температурами необходимо проводить настройку прибора в зависимости от конкретных условий работы. Точность результатов измерения зависит от характеристик датчика, включая диапазон измеряемой длины волны, и излучательной способности объекта контроля. Эти параметры влияют на коэффициенты настройки датчика.

Современные бесконтактные датчики температуры способны определять температуру на большом удалении. Некоторые модели датчиков могут быть дополнительно снабжены лазерным указателем, позволяющим более точно захватывать объект для измерения.

rusautomation.ru


Смотрите также