Датчики температури. Загальний огляд.

03.10.2016

Датчики
Датчики температури. Загальний огляд.

Для вимірювання температури різних фізичних об’єктів людство придумало величезна кількість типів пристроїв і ще більше варіантів їх реалізації. Незважаючи на це, вибрати потрібний тип датчика для микроконтроллерного проекту не так складно, достатньо знати особливості декількох основних принципів вимірювання. Нижче будуть коротко розглянуті основні типи температурних датчиків, що мають практичну цінність для автоматичних систем вимірювання.

Термометри опору.

Конструктивно, термометр опору являє собою мініатюрну котушку з мідного або платинового дроту, упаковану в захисний кожух. Для отримання оптимальних характеристик вимірювання, провід намагаються взяти якомога більшої довжини. Для зручності застосування всі термометри стандартизуються за так званого нульового опору, тобто опору при температурі 0 град.Цельсія. Промисловість випускає термометри з нульовим опором 50,100,500,1000 Ом. Маркуються термометри за типом металу, що використовується для вимірювання та нульовій температурі. Наприклад, велике поширення мають мідні датчики ТСМ100 і платинові ТСП100 і Pt100. Характеристики двох останніх дещо відрізняються, що необхідно враховувати.

Термометри опору знаходять застосування для вимірювання температур від -50 до 200 град.Цельсія. До їх переваг слід віднести високу точність вимірювань при невисокій вартості. Для виробів промислового застосування величина похибки знаходиться в районі 0.1 градуса. Використання термометрів опору передбачає створення спеціальних схем, що дозволяють визначити опір датчика з високою точністю.

Терморезистори


Принцип дії терморезисторів аналогічний термометрам опору. Відрізняються вони в першу чергу технологією виробництва та конструктивними особливостями. За зовнішнім виглядом часто нагадують звичайні резистори. Терморезистори існують з позитивним ТКС-позистор, і негативним ТКС-термістори.

Нульовий опір терморезисторів може досягати десятків килоом. Використання їх аналогічно термометрам опору. До недоліків можна віднести значну нелінійність характеристики цих елементів.

Термопари.


Принцип дії термопари заснований на виникненні термоерс (ефекті Зеєбека) в місці спаю двох різнорідних металів. Величина ЕРС пропорційна різниці температур між «гарячими» кінцем або спаем і «холодним» кінцем, що представляє собою точку підключення провідників до вимірювального пристрою. У нашій країні найбільше поширення одержали пари металів хромель — алюмель ( міжнародне позначення — K, вітчизняне — ХА), хромель — копель (тип L або ТХК), платинородий — платина (т іп S або ТПП). Також існують і деякі інші типи термопр.

Вихідним сигналом термопари є напруга, величина якої вимірюється в мВ. Це означає, що для повноцінних вимірювань необхідно використовувати підсилювач. Другою особливістю використання термопар стає необхідність компенсації температури холодного спаю. У загальному випадку термопара являє собою спай двох різнорідних провідників. Точки підключення даних провідників до вимірювального пристрою в свою чергу утворюють аналог спаю, вносить похибку вимірювання. Для її обліку в місці, максимально наближеному до точки контакту встановлюють додатковий датчик температури, показання якого віднімають показань основного. Третя особливість полягає в необхідності використання з’єднувальних кабелів спеціального типу, як правило виконуються з того ж матеріалу, що і термопара. Нехтування цим вимогою призводить до збільшення похибки вимірювань, за рахунок появи додаткових спаїв.

Головним достоїнством термопар є можливість вимірювання високих температур. Так для типу ХА діапазон вимірювань становить від -180 до 1300 градусів. Для деяких спеціальних моделей, верхнє значення може досягати 1800 градусів. Поряд з широким діапазоном, термопари характеризуються порівняно високою похибкою виміру, приблизно рівної 1 градусу. Також, особливо при великому діапазоні вимірюваних температур, потрібно враховувати нелінійність термопар.

Напівпровідникові датчики температури

Температурною залежністю володіють не тільки метали, а й p-n перехід. Падіння напруги на ньому при протіканні струму в прямому напрямку буде змінюватися приблизно на 2мВ із зміною температури на 1 градус. Використовуючи дану залежність можна організувати вимірювання температури в діапазоні приблизно від -55 до 150 градусів. В якості датчиків можуть використовуватися звичайні діоди або один з p-n переходів транзистора. Схемотехніка вимірювальних схем з використанням подібних пристроїв повторює варіанти з терморезисторами. Існують і спеціалізовані вироби, що являють собою закінчені вимірювальні пристрої з аналоговим вихідним сигналом, пропорційним температурі. Такі пристрої дуже зручно застосовувати спільно з АЦП мікроконтролера. Поряд з аналоговими датчиками, можна знайти напівпровідникові мікросхеми, що містять вбудований АЦП і цифровий інтерфейс зв’язку (SPI, I2C, 1-Wire). Такі датчики дозволяють створювати найбільш прості схеми, але при цьому відрізняються відносно низькою точністю. Більш докладно з даними приладами можна ознайомитися на сторінці Напівпровідникові датчики температури .

Інші датчики температури.

Крім вищеназваних можна відзначити і деякі інші принципи побудови температурних датчиків. У системах автоматики можуть зустрічатися контактні датчики-сигналізатори. Принцип їх дії може бути різний. Вихідний сигнал реалізований з допомогою механічного контакту, спрацьовування якого відбувається при заданій температурі. Найбільш цікавим датчиком може стати датчик випромінювання або пірометр. Його принцип дії заснований на вимірюванні енергії, випромінюваної яким-небудь тілом в навколишнє середовище. Такий принцип не вимагає безпосереднього контакту з об’єктом, але відрізняється досить низькою точністю. Більшість пірометрів являє собою складні прилади з високою вартістю, хоча останнім часом з’явилися і мініатюрні датчики з різним типом виходів.

Вибір датчиків температури

Першим параметром, визначальним вибір датчика температури, вважається діапазон вимірювання. Якщо підходить декілька варіантів, то можна користуватися таким правилом: номінальна вимірюване значення має лежати в діапазоні від половини до двох третин шкали. Так, наприклад, не бажано використовувати термопару для вимірювання кімнатної температури, і навпаки для температур вище 200 градусів термопара буде гарним вибором.

Короткий опис статті: температурний датчик Датчики температури — загальний огляд типів, що застосовуються спільно з мікроконтролерами Датчик температури, пірометр, термопара, термометр опору

Джерело: Датчики температури. Загальний огляд.

Також ви можете прочитати