Датчик температури: принцип роботи, вимірювання і температурний діапазон

Сучасне виробництво просто немислимо без автоматизації різних технологічних процесів. Починаючи від атомної станції і закінчуючи автомобілями, всюди можна виявити елементи автоматичного контролю і регулювання необхідних параметрів. Тиск, кутова і лінійна швидкості, температура і багато інших параметрів необхідно контролювати для більш ефективної роботи всього виробництва або машини.

Серед загального різноманіття контрольованих параметрів близько половини займає вимір і контроль температури. причому однією з найбільш важливих деталей всієї системи є датчик. Виходячи з того, що умови і діапазони температур можуть сильно варіюватися, датчики і первинні перетворювачі виконуються з різними властивостями і якостями в залежності від технологічних вимог.

Сам по собі датчик вимірювання температури є пристроєм, здатним отримувати вимірювану величину і перетворювати її в сигнал для подальшої обробки і регулювання контролюючим приладом. Простіше кажучи, він є перетворювачем однієї величини (температури) в іншу величину (електричний струм, опір), яку здатний обробити прилад (наприклад, регулятор температури) і на підставі отриманих даних виконати дії, для яких створюється сам цей прилад. Наприклад, при досягненні температури вище заданої прилад може відключити виконавчий механізм для зупинки джерела (середовища) нагрівання.

Види датчиків температури

З огляду на те що умови і діапазони вимірювань для різних завдань можуть сильно відрізнятися, а вимоги до вимірювання різних температурних параметрів бути різними, відповідно, і для виконання тих чи інших завдань термоперетворювач повинен відповідати цим умовам і певним вимогам. Тому вони можуть бути різними і використовувати в роботі різні властивості матеріалів. Таким чином, датчики бувають:

• напівпровідникові;
• терморезистивного;
• акустичні;
• термоелектричні;
• п'єзоелектричні;
• Пірометри.

Коротко опишемо особливості кожного з них, щоб можна було уявляти, в яких випадках необхідно використовувати той чи інший прилад.

напівпровідникові термоелектричні

Термоперетворювачі цього типу затребувані в виробництвах, так як є недорогими і досить точними приладами з низькою похибкою. Під впливом температури такий датчик реєструє зміни у властивостях p-n переходу. Тут може використовуватися практично будь-який діод або ж біполярний транзистор. Висока точність напівпровідникових термодатчиков досягається за рахунок залежності напруги на транзисторі від абсолютної температури.

Терморезистивного термоелектричні перетворювачі

Основними позитивними сторонами подібних термодатчиков є їх довговічність, стабільність і висока чутливість. Вони прекрасно вписуються практично в будь-яку схему.

Робота таких термоперетворювачів грунтується на зміні опору під дією температури на провідник або напівпровідник. Простіше кажучи, вони містять в своїй конструкції терморезистор, Який реагує на зміну заміряє середовища.

Залежно від матеріалу, використовуваного в терморезистивних термодатчиків, їх поділяють на:

1. Кремнієві резистивні, які відрізняються довгострокової стабільністю і високою точністю.
2. Резистивні детектори температури, що відрізняються високою стабільністю, міцністю і точністю. В основі їх роботи закладена здатність металів змінювати свій опір при впливі температури. Найчастіше в таких датчиках використовують платину або мідь, а при контролі особливо високих температур – вольфрам.Єдиним їх недоліком є ​​відносно висока вартість.
3. Робота термисторов заснована на використанні металооксидних сполук. Застосовують їх лише для замірів абсолютних температур. Основним з мінусів можна виділити необхідність калібрування і недовговічність.

Акустичні безконтактні пристрої

Такий тип температурного датчика застосовується переважно для вимірювання високих температур. Принцип дії їх заснований на зміні характеристик звуку при різних температурах. складається такий термодатчик з приймача і випромінювача. Звук, проходячи через досліджувану середу, потрапляє в приймач, де фіксуються його параметри, і на їх основі визначається температура.

Акустичні термодатчики часто використовуються в медицині і там, де неможливо виміряти температуру контактними способами. Одним з основних їх недоліків є низька точність вимірюваних температур і висока похибка внаслідок додаткових особливостей.

термоелектричні датчики

Термоелектричні датчики, або, простіше кажучи, термопари відрізняються широким спектром вимірюваних показників – від -200 до 2200 градусів Цельсія. При цьому їх можливості залежать від використаних матеріалів. Так, термопари з неблагородних металів дозволяють вимірювати температуру до 1100 ° C, з благородними до 1600 ° C, А для виміру особливо високих терморежіме використовуються термопари з тугоплавкими металами типу вольфраму.

Принцип роботи термоелектричних датчиків заснований на ефекті Зеєбека, т. Е. Використовуються спаи різнорідних металів, що утворюють замкнутий контур, в якому виникає електричний струм, коли місця спаїв мають різну температуру. Складається термопара з двох кінців: робочий і вільний. Перший занурюється безпосередньо в робоче середовище, а другий ні. Таким чином, виникає різниця температур, що відображається у вигляді вихідної напруги, яке фіксується мультівольтметром, часто входять в комплект з термоелектричним датчиком.

П'єзоелектричні кварцові прилади

Принцип роботи датчика температури п'єзоелектричного заснований на використанні кварцового пьезорезонатора. Використовуваний в ньому пьезоматеріал виконує роль резонатора. Коли на нього подається електричний струм, то цей матеріал починає коливатися при впливі різних терморежіме, і частота коливань також змінюється, що і покладено в основу п'єзоелектричних датчиків.

Безконтактні термопреобразователи пірометри

Безконтактні датчики, здатні фіксувати теплове випромінювання від нагрітих тіл, називаються пірометрами. Зручність подібних приладів полягає в тому, що немає необхідності поміщати його безпосередньо в середу. Однак без прямого контакту точність їх показань відносно низька, адже тут можуть бути присутніми побічні явища, що впливають на показання.

Існує три типи пірометрів:

1. інтерферометричні пірометри випускають два променя, які проходять один через середу, а другий є контрольним. Два цих променя потрапляють на кремнієвий чутливий елемент, після чого порівнюється переломлення і довжина променів, безпосередньо залежать від нагрівання середовища.
2. флуоресцентні термодатчики працюють по більш складного принципу: на поверхню, де необхідно заміряти кількість тепла, наносяться компоненти на основі фосфору. Після цього об'єкт піддається ультрафіолетовому імпульсного випромінювання, в результаті чого відбуваються певні реакції, а випромінювання піддається аналізу.
3. Датчики, які містять розчини, Здатні змінювати забарвлення під впливом температур. Хлорид кобальту, що застосовується в подібних пірометрах, при контакті з вимірюваним середовищем здатний змінювати колірний спектр в залежності від ступеня нагріву. Таким чином, величина світла, що проходить через розчин, дозволяє вимірювати необхідні термопараметри.

Правила вибору

Всі перераховані вище датчики чудово виконують свої функції в заданих межах. Однак потрібно розуміти, що вибирати і використовувати їх необхідно виходячи з вимог в конкретно взятому випадку.

Тому при виборі того чи іншого термопреобразователя варто приділяти увагу наступним моментам:

1. Величина температурного діапазону.
2. Можливість занурити датчик в вимірювану середу. Якщо така можливість відсутня, то варто вдатися до допомоги пірометрів або акустичних датчиків.
3. Умови вимірювання є одним з найбільш важливих моментів при виборі датчика. Тут варто враховувати не тільки агресивність середовища, але і такі параметри, як: тиск, вологість і т. Д. Тому вибирати варто або безконтактні датчики, або в корозійностійких корпусах.
4. Природа вихідного сигналу завжди також повинна враховуватися. Адже одні термоперетворювачі можуть відразу перерахувати сигнал в градуси, а інші видають його лише у величині струму.
5. Деякі датчики досить нестабільні і недовговічні, що також варто брати до уваги. Тому якщо потрібна довга робота без заміни та калібрування, то цей нюанс також повинен бути врахований.
6. Незайвим буде при виборі датчика під певні потреби звертати увагу і на час спрацьовування, дозвіл і похибка, робоча напруга живлення, тип корпусу.

Врахувавши всі перераховані вище нюанси, можна підібрати датчик, повністю відповідний за своїми характеристиками в окремо взятій ситуації і для конкретно поставлених завдань.