Измерение температуры является одной из наиболее распространенных задач в различных областях науки и техники. Точные и надежные датчики температуры критически важны для множества приложений — от бытовой техники и промышленных процессов до медицинского оборудования и научных исследований.
Существует множество различных принципов и технологий построения датчиков для измерения температуры. Каждый тип датчиков имеет свои преимущества и недостатки, оптимален для конкретных условий эксплуатации.
В этой статье мы рассмотрим основные виды температурных датчиков, такие как термисторы, термопары, резистивные датчики, аналоговые и цифровые датчики. Для каждого типа будут подробно разобраны принцип действия, конструкция, параметры и характеристики, особенности применения.
Содержание
Термисторы
Термисторы являются одним из самых распространенных типов датчиков температуры благодаря простоте использования, низкой стоимости и широкому температурному диапазону.
Принцип действия термисторов основан на сильной зависимости электрического сопротивления материала от температуры. В качестве материала чувствительного элемента чаще всего используются оксиды металлов, например оксид марганца Mn2O3.
Различают два основных типа термисторов:
- NTC (negative temperature coefficient) — с отрицательным температурным коэффициентом. Сопротивление уменьшается при повышении температуры.
- PTC (positive temperature coefficient) — с положительным температурным коэффициентом. Сопротивление увеличивается при нагреве.
График зависимости сопротивления NTC термистора от температуры имеет экспоненциальный нелинейный вид.
Для линеаризации характеристики используют два основных метода:
- Резистивный метод — подключение номинального резистора параллельно термистору.
- Метод напряжения — включение термистора в делитель напряжения.
Термисторы имеют высокую чувствительность до 0.01°С. Диапазон измеряемых температур обычно от -50 до +300 °С. Точность измерений составляет 0.1-1°С.
Основное преимущество термисторов — простота и низкая стоимость. К недостаткам относят нелинейность, сильную зависимость от внешних факторов.
Термисторы широко используются в бытовой технике, системах отопления и вентиляции, автомобильной промышленности.
В данной статье мы рассмотрели лишь основные моменты, касающиеся принципа действия и классификации этих датчиков температуры. Более подробно о термисторах, включая разновидности, детали работы и методы тестирования, можно прочитать в отдельной статье «Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность«.
Термопары
Термопары используются для измерения высоких температур (сотни и тысячи градусов) в промышленности, энергетике, металлургии.
Принцип действия термопар основан на эффекте Зеебека — возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутом контуре, составленном из двух разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.
Величина ЭДС напрямую зависит от разности температур двух контактов (спаев), а также от материала проводников. Чем больше перепад температур, тем выше ЭДС.
Существует несколько типов термопар, различающихся используемыми материалами:
- Хромель-копель (L-тип) — для температур до +600°C.
- Хромель-алюмель (K-тип) — наиболее распространенный тип, для температур до +1300°C.
- Железо-константан (J-тип) — до +750°C.
- Платина-платинородий (B-тип) — до +1800°C.
Преимущества термопар — высокий диапазон измеряемых температур, простота конструкции, малые габариты. К недостаткам относятся нелинейность характеристики, низкий выходной сигнал.
Области применения: печи, сушилки, котлы, системы контроля пожарной безопасности. С помощью термопар можно измерять температуру жидких, твердых и газообразных сред.
Более подробную информацию о разновидностях термопар, их конструкции и характеристиках можно найти в отдельной статье «Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы».
Резистивные датчики (RTD) — термометры сопротивления
Резистивные датчики температуры основаны на свойстве металлов менять электрическое сопротивление в зависимости от температуры.
Конструктивно RTD представляет собой катушку или пленку из чистого металла (платина, медь, никель) на керамической или стеклянной подложке.
Наиболее распространены платиновые RTD — датчики на основе чистой платины, обладающей стабильным и воспроизводимым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).
Популярным типом RTD датчиков являются датчики Pt100 на основе платинового чувствительного элемента. Термоменты сопротивления Pt100 имеют сопротивление 100 Ом при 0°С. Они отличаются высокой точностью, стабильностью и широким диапазоном измеряемых температур.
Датчики с типом сенсора Pt100 применяются для точных измерений в химической, нефтехимической, авиационной и космической технике, высокоточном промышленном оборудовании. Существуют различные конструктивные исполнения датчиков Pt100 — на каркасе, с минеральной изоляцией, герметичные и др. Они отличаются способом монтажа и защиты чувствительного элемента.
Зависимость сопротивления платинового RTD от температуры близка к линейной в широком диапазоне и описывается уравнением Каллендара-Ван Дюзена.
Преимущества RTD датчиков — высокая точность (до 0,01°С), стабильность, широкий диапазон (-200…+850°С).
К недостаткам относятся более высокая стоимость и меньший диапазон температур по сравнению с термопарами.
RTD широко используются в системах точного контроля температуры, калибровочном оборудовании, приборах точной диагностики.
Более подробно ознакомиться с разновидностями, конструкцией, характеристиками и применением RTD можно в отдельной статье «Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды».
Линейные аналоговые микросхемы датчиков температуры
Аналоговые микросхемы датчиков температуры интегрируют в одном корпусе чувствительный элемент, усилитель сигнала и схему линеаризации выходного напряжения.
Принцип действия основан на использовании температурозависимого кремниевого транзистора. Выходное напряжение таких датчиков практически линейно зависит от температуры с заданным температурным коэффициентом.
Основные преимущества аналоговых датчиков:
- Простота использования, не требуют калибровки
- Высокая точность, погрешность менее 1°C
- Линейный выходной сигнал напряжения или тока
- Широкий диапазон рабочих температур
- Низкая стоимость
К недостаткам можно отнести сильную зависимость точности от напряжения питания и ограниченный максимальный выходной ток в единицы миллиампер.
Популярные микросхемы аналоговых датчиков температуры:
- LM35 — выход 10 мВ/°C, погрешность ±0.4°C в диапазоне -55…+150°C.
- TMP35/TMP36 — диапазон -40…+125°C, точность ±1°C, выход 10 мВ/°C.
- LM134 — рабочий ток 4-20 мА, диапазон -25…+100°C, погрешность ±1.5°C.
Аналоговые датчики температуры применяются в системах промышленной автоматизации, измерительных приборах, контрольно-измерительном оборудовании.
Цифровые датчики температуры
Цифровые датчики температуры выполняют преобразование измеренного значения в цифровой код внутри микросхемы.
В отличие от аналоговых датчиков, они имеют на выходе не напряжение, а последовательный цифровой сигнал.
Основные преимущества цифровых датчиков:
- Высокая точность измерений, погрешность менее 0.5°C.
- Широкий диапазон рабочих температур.
- Наличие цифровых интерфейсов — SPI, I2C, 1-Wire.
- Программируемая разрядность АЦП и частота измерений.
- Возможность калибровки и настройки датчика по интерфейсу.
- Повышенная помехозащищенность.
Популярные микросхемы цифровых датчиков:
- DS18B20 — интерфейс 1-Wire, разрешение 9-12 бит, погрешность ±0.5°C.
- MAX31855 — выход SPI, разрядность 14 бит, диапазон -270…+1800°С.
- MCP9808 — датчик с выходом I2C, разрешение 0.0625°С, погрешность ±0.25°C.
Цифровые датчики используются в высокоточных измерительных системах, медтехнике, авионике и другом оборудовании, где важна точность и стабильность показаний.
Заключение
Измерение температуры необходимо во многих областях науки, техники и промышленности. Для этих целей используется широкая номенклатура датчиков температуры, основанных на различных физических принципах.
Датчики температуры делятся на контактные (термопары, термосопротивления) и бесконтактные (пирометры, ИК-датчики).
По способу выходного сигнала различают аналоговые (с токовым или напряжением выходом) и цифровые (с последовательным интерфейсом) датчики.
Важнейшие параметры при выборе датчика — диапазон измерений, погрешность, быстродействие, надежность, стоимость.
Правильный подбор датчика температуры в соответствии с требованиями задачи позволяет создавать эффективные системы контроля технологических процессов и обеспечивать необходимые условия в различных отраслях промышленности.
Похожие статьи:
Загрузка...