Датчики температури.

03.10.2016

Датчики температури.

Контроль над температурою складають основу багатьох технологічних процесів. Вимірювання температури рідини, газу, твердій поверхні або сипучого порошку — кожен випадок має свою особливість, яку необхідно розуміти, щоб вимірювання максимально відповідали поставленої задачі. Існує безліч датчиків температури, побудованих з використанням різних фізичних законів. Одні з них чудово справляються з конкретним завданням вимірювання температури, інші призначені для універсального використання. У даній статті описані основні типи датчиків для вимірювання температури, їх особливості, слабкі і сильні сторони, задачі, для яких вони призначені.

Якщо розглядати датчики температури для промислового застосування, то можна виділити їх основні класи: кремнієві датчики температури, біметалічні датчики, рідинні та газові термометри, термоиндикаторы, термістори, термопари, термометри опору, інфрачервоні датчики температури.


Кремнієві датчики температури використовують залежність опору напівпровідникового кремнію від температури. Діапазон вимірюваних температур для таких датчиків складає від -50 С до +150 С. Всередині цього діапазону кремнієві датчики температури показують гарну лінійність і точність. Можливість виробництва в одному корпусі такого датчика не тільки самого чутливого елемента, але так само і схем підсилення та обробки сигналу датчика забезпечує хорошу точність і лінійність межах температурного діапазону. Вбудована в такий датчик енергонезалежна пам’ять дозволить індивідуально калібрувати кожен прилад. Великим плюсом можна назвати велику різноманітність типів вихідного інтерфейсу: це може бути напруга, струм, опір, або цифровий вихід, що дозволяє підключити такий датчик до мережі передачі даних. Із слабких місць кремнієвих датчиків температури можна відзначити вузький температурний діапазон і відносно великі розміри в порівнянні з аналогічними датчиками інших типів, особливо термопарами. Кремнієві датчики температури застосовуються в основному для вимірювання температури поверхні, температури повітря, особливо всередині різних електронних приладів. Наприклад можна назвати температурні реєстратори компанії Dallas semiconductor випускаються під маркою THERMOCHRON. Реєстратори мають кремнієвий датчик температури, мікросхему обробки сигналу і пам’ять для збереження результатів.


Біметалічний датчик температури. як випливає з назви, зроблений з двох різнорідних металевих пластин, скріплених між собою. Різні метали мають різний коефіцієнт розширення при тій чи іншій температурі. Наприклад, константан практично не розширюється при температурі, залізо, навпроти відчуває помітне розширення. Якщо смужки з цих металів скріпити між собою і нагріти (або охолодити), то вони зігнуться. У біметалічних датчиках пластинки замикають або розмикають контакти реле, або рухають стрілку індикатора. Діапазон роботи біметалічних датчиків від -40 С до +550 С. Біметалічні датчики використовують для вимірювання поверхні твердих тіл, рідше для вимірювання температури рідини. Основною перевагою датчиків є простота і надійність конструкції, можливість роботи без електричного струму, низька вартість. Разом з тим, біметалічні датчики температури мають великий розкид характеристик, а так само великий гістерезис перемикання, особливо при низьких температурах. Основні області застосування біметалевих температурних датчиків – автомобільна промисловість, системи опалення та нагріву води.


Рідинні і газові термометри найбільш старі типи датчиків температури. Перша шкала температури була запропонована Фаренгейтом на початку 18-го століття саме для рідинного термометра. Рідинні термометри використовують ефект розширення рідин при підвищенні температури. В якості рідини використовується спирт або ртуть в діапазоні кімнатних температур. Для вимірювання низьких температур, наприклад в кріогенній техніці, може бути використаний рідкий неон, а для вимірювання високих температур використовують галій, який знаходиться в рідкому стані вже від 20 С. У газових термометрах використовується ефект розширення, при переході речовини з рідкого в газоподібний стан. Газ тисне через мембрану і замикає електричні контакти. Діапазон вимірювань для рідинних і газових термометрів від -200 до +500 С. Термометри цього класу зазвичай застосовуються для візуального контролю температури, або як термостатів в різних нагрівачах і холодильної техніки.


Термоиндикаторы – це особливі речовини, які змінюють свій колір під впливом температури. Така зміна кольору може бути як оборотним, так і необоротним. В діапазоні кімнатних температур використовуються термоиндикаторы на основі рідких кристалів. Вони плавно змінюють свій колір при зміні температури. Ці зміни, як правило, оборотні. Виробляються вони у вигляді плівки, часто з клейкою основою, і служать для оперативного візуального контролю температури. Для низьких і високих температур проводяться в основному незворотні термоиндикаторы. Тобто, якщо температура хоча б один раз перевищила допустиму, то індикатор необоротно змінює свій колір. Такі термоиндикаторы використовують, наприклад, для контролю за замороженими продуктами. Якщо в процесі зберігання або транспортування температура хоч раз була вище допустимої, то зміна забарвлення термоиндикатора повідомить про це. Основне гідність термоиндикаторов низька вартість. Їх можна використовувати як одноразові датчики температури.


Термістором. В цьому класі датчиків використовується ефект зміни електричного опору матеріалу під впливом температури. Зазвичай в якості термісторів використовують напівпровідникові матеріали, як правило, оксиди різних металів. В результаті виходять давачі з високою чутливістю. Однак велика нелінійність дозволяє використовувати термістори лише у вузькому діапазоні температур. Термістори мають невисоку вартість і можуть виготовлятися в мініатюрних корпусах, дозволяючи збільшити тим самим швидкодію. Існує два типи термісторів, використовують позитивний температурний коефіцієнт – коли електричний опір зростає з підвищенням температури і використовують негативний температурний коефіцієнт – тут електричне опір падає при підвищенні температури. Термістори не мають певної температурної характеристики. Вона залежить від конкретної моделі приладу та області його застосування. Основними достоїнствами термісторів є їх висока чутливість, малі розміри і вага, що дозволяють створювати датчики з малим часом відгуку, що важливо, наприклад, для вимірювання температури повітря. Безумовно, невисока вартість так само є їх перевагою, що дозволяє вбудовувати датчики температури в різні прилади. До недоліків можна віднести високу нелінійність термісторів, що дозволяє їх використовувати у вузькому температурному діапазоні. Використання термісторів так само обмежена в діапазоні низьких температур. Велика кількість моделей з різними характеристиками і відсутність єдиного стандарту, змушує виробників обладнання використовувати термістори тільки однієї конкретної моделі без можливості заміни.


Інфрачервоні датчики температури або пірометри вимірюють температуру поверхні на відстані. Принцип роботи заснований на тому, що будь-яке тіло при температурі вище абсолютного нуля, випромінює електромагнітну енергію. При низьких температурах це випромінювання в інфрачервоному діапазоні, при високих температурах частина енергії випромінюється вже у видимій частині спектра. Інтенсивність випромінювання прямо пов’язана з температурою нагрітого об’єкта. Діапазон вимірювань безконтактними датчиками температур від -45 до +3000 С. Причому в діапазоні високих температур інфрачервоним датчикам немає конкуренції. Для вимірювання в різних діапазонах температур використовуються різні ділянки інфрачервоного спектра. Так при низьких температурах це зазвичай діапазон довжин хвиль електромагнітного випромінювання 7 – 14 мікрон. У діапазоні середніх температур це може бути 3 – 5 мікрон. При високих температурах використовується ділянку про районі 1 мікрон. Однак і тут є свої особливості, пов’язані з рішенням конкретної задачі. Так для вимірювання температури тонких полімерних плівок використовуються датчики, що працюють на довжинах хвиль 3,43 або 7,9 мікрометрів, а для вимірювання температури скла використовують датчики, що працюють у діапазоні 5 мікрон. Для правильного вимірювання температури необхідно ще ряд факторів. Насамперед це випромінювальна здатність. Вона пов’язана з коефіцієнтом відбиття простою формулою: E = 1 – R, де Е – випромінювальна здатність, R – коефіцієнт відбиття. У абсолютно чорного теля випромінювальна здатність дорівнює 1. У більшості органічних матеріалів, таких як дерево, пластик, папір, випромінювальна здатність знаходиться в діапазоні 0,8 – 0,95. Метали, особливо поліровані навпаки мають низьку випромінювальну здатність, яка в цьому випадку буде 0,1 – 0,2. Для правильного вимірювання температури необхідно визначити і встановити излучательую здатність вимірюваного об’єкта. Якщо значення будуть обрані неправильно, то температура буде вимірюватися невірно. Зазвичай показання занижуються. Так, якщо метал має випромінювальну здатність 0,2, а на датчику встановлений коефіцієнт 0,95 (він зазвичай використовується за замовчуванням), то при наведенні на нагрітий до 100 С металевий об’єкт датчик буде показувати температуру близько 25 С. Коригувати випромінювальну здатність можна визначивши її для різних матеріалів за довідником, або вимірюючи температуру поверхні альтернативним способом, наприклад термопарою, вносити необхідні поправки. Хороші результати при не дуже високих температурах дає забарвлення спеціальної термостійкої, чорною фарбою вимірюваної поверхні. Другою важливою характеристикою інфрачервоного датчика є оптичне відношення – це відношення відстані до об’єкта вимірювань до розміру області з якою ці вимірювання ведуться. Наприклад оптичне ставлення 10:1 означає, що на відстані 10 метрів розмір площі, з якої ведеться вимірювання температури становить 1 метр. Сучасні інфрачервоні датчики температури мають оптичне ставлення досягають 300:1. Основні переваги інфрачервоних датчиків температури: малий час відгуку. Це найбільш швидкодіючі датчики температури. Можливість вимірювання температури рухомих об’єктів. Вимірювання температури у важкодоступних і небезпечних місцях. Вимірювання високих температур, там, де інші датчики вже не працюють. До переваг можна віднести те, що відсутній безпосередній контакт з об’єктом і відповідно не відбувається його забруднення. Це може бути важливо в напівпровідникової промисловості або фармацевтиці.

Термометри опору це резистори, виготовлені з платини, міді або нікелю. Це можуть бути дротяні резистори, металевий шар може бути напиленим на ізолюючу підкладку, зазвичай керамічну або скляну. Платина найчастіше застосовується у термометрах опору з-за її високої стабільності і лінійності зміни опору з температурою. Мідь використовується в основному для вимірювання низьких температур, а нікель в недорогих датчиків для вимірювання в діапазоні кімнатних температур. Для захисту від зовнішнього середовища платинові термометри опору поміщають в захисні металеві чохли і ізолюють керамічними матеріалами, такими як оксид алюмінію або оксид магнію. Така ізоляція знижує так само вплив вібрації і ударів на датчик. Однак разом з додатковою ізоляцією зростає і час відгуку датчика на різкі температурні зміни. Платинові термометри опору одні з найбільш точних датчиків температури. Крім того, вони стандартизовані, що значно спрощує їх використання. Стандартно виробляються датчики опором 100 і 1000 Ом. Зміна опору таких датчиків з температурою дається в будь-яких тематичних довідниках у вигляді таблиць або формул. Діапазон вимірювань платинових термометрів опору становить -180 До +600 С. Незважаючи на ізоляцію, варто оберігати термометри опору від сильних ударів і вібрації.

Термопари являють собою дві з дроту різних металів, зварених між собою на одному з кінців. Термоелектричний ефект відкрив німецький фізик Зеєбек в першій половині 19-го століття. Він відкрив, що якщо з’єднати два провідника з різнорідних металів таким чином, що б вони утворювали замкнуту ланцюг і підтримувати місця контактів провідників при різній температурі, то в ланцюзі потече постійний струм. Експериментальним шляхом були підібрані пари металів, які найбільшою мірою підходять для вимірювання температури, володіючи високою чутливістю, тимчасовою стабільністю, стійкістю до впливу зовнішнього середовища. Це, наприклад, пари металів хромель-аллюмель, мідь-константан, залізо-константан, платина-платина/родій, реній-вольфрам. Кожен тип підходить для вирішення своїх завдань. Термопари хромель-алюмель (тип К) мають високу чутливість і стабільність і працюють до температур аж до 1300 С в окислювальному або нейтральній атмосфері. Це один з найпоширеніших типів термопар. Термопара залізо-константан (тип J) працює у вакуумі, або відновної інертній атмосфері при температурах до 500 С. При високих температурах до 1500 С використовують термопари платина — платина/родій (тип S або R) в керамічних захисних кожухах. Вони чудово вимірюють температуру в окислювальному, нейтральному середовищі та вакуумі.

Висновок.

Чи то платиновий термометр опору, термопари, інфрачервоний датчик, кремнієвий датчик або термістор, кожен з них володіє рядом унікальних властивостей, що дозволяють найкращим чином вирішити завдання з вимірювання температури. Висока точність і стабільність відрізняють платинові термометри опору. Перевагою кремнієвих датчиків є висока точність, нехай і у вузькому температурному діапазоні. Термістори мають високу чутливість і невисокою ціною, що дозволяє вбудовувати їх в різні електронні прилади. Інфрачервоні датчики температури дозволяють виміряти швидкодіючі температурні процеси і об’єкти з дуже високою температурою. До достоїнств термопар безсумнівно можна віднести точність і стабільність свідчень в широкому діапазоні температур, їх стійкість до несприятливих впливів зовнішнього середовища.

Оцінити статтю

Середня оцінка: 4.1

Короткий опис статті: температурний датчик

Джерело: Датчики температури.

Також ви можете прочитати