Как работает датчик температуры: принцип действия и виды

Содержание:

Принцип работы датчика температуры
Основные функции датчиков
Виды датчиков температуры
Критерии выбора
Сферы применения
Преимущества установки датчиков
Погрешности оборудования
Особенности калибровки
Правила эксплуатации

Датчик температуры (ДТ) – компактное устройство, которое замеряет параметр на основе физической величины и преобразует его в цифровое значение. Такая техника наиболее востребована в автоматизированных системах управления, подходит для замера характеристики жидкости и газообразных сред, твердых тел. Для разных условий эксплуатации, диапазона измеряемого параметра разработано несколько типов ДТ.

Принцип работы датчика температуры

Независимо от вида, принцип действия ДТ схожий – происходит преобразование температуры в электрическое значение. Это позволяет передавать импульс на большое расстояние для удаленного контроля и управления, превращать в цифровой код, обеспечивает высокую точность замеров.

Датчик измеряет характеристику, которая зависит от температуры. Это может быть термоэлектрический эффект, электрическое сопротивление.
Чтобы передавать полученные данные, в устройстве предусмотрен аналогово-цифровой преобразователь. От датчика исходит аналоговый сигнал, а после преобразователя выходит цифровой.
Данные передаются на контрольное устройство, которое обеспечивает управление системой, регулировку работы других узлов, гарантирует их безопасность.

Хотя ДТ небольшой по размеру, но он непрерывно мониторит тепловые процессы, работает в режиме реального времени, его эффективность сложно переоценить. Без датчика ни один регулятор не будет знать, когда подать питание на кабель и включить механизм для нагрева либо прекратить нагрев. Без ДТ невозможно организовать работу в автоматическом режиме.

Основные функции датчиков

В зависимости от места установки в задачи ДТ входит:

Поддержка необходимого уровня комфорта. Система климат-контроля автомобиля или умного дома включается именно в тот момент, когда это нужно, чтобы в помещении температура воздуха была стабильной и комфортной.
Защита от перегрева. Для всех нагревательных элементов требуется защита от критического перегрева, чтобы устройство дольше прослужило, не произошло разрушения изоляции, пожаров и аварий.
Сохранение имущества. В системе теплого пола и радиаторов ограничение верхнего предела – залог сохранности отделочных материалов и имущества в помещении, поскольку из-за перегрева быстро испортится паркет, ламинат, картины, мебель.
Экономия ресурсов. Точные данные от датчика обеспечивают системе работу только в нужное время, а не в постоянном режиме, что снижает расходы на обогрев на 30-50%.

За счет передачи сигнала от ДТ оператор (пользователь) получает информацию и может более эффективно и безопасно управлять работой оборудования.

Виды датчиков температуры

ДТ разделяют на аналоговые и цифровые. Первый тип – это недорогие приборы, которые не требуют сложного ухода и частого обслуживания. Минус аналоговой техники в их шкале. При широком диапазоне точность замера невысокая, а при высокой точности допустимый интервал измерений будет небольшим. Цифровая техника дороже, но отличается повышенной точностью и широким диапазоном. Такие ДТ применяют на производстве, в быту. В них есть чувствительная деталь и преобразователь, все данные выводятся на дисплей. Для поддержки работоспособности предусмотрен элемент питания.

По способу взаимодействия со средой ДТ бывают контактного и бесконтактного типа. К основным видам относятся термопары, терморезисторы, термометры сопротивления, полупроводниковые приборы, пирометры и тепловизоры. Существуют также акустические и пьезоэлектрические датчики температуры. У каждого их них есть свои особенности измерения параметра. Разберём основные характеристики датчиков температуры.

Термопары

Это самый распространенный тип измерителей, поскольку они обладают широким диапазоном температур, поэтому их можно применять для разных целей. Термопары работают в диапазоне от -200 до +2000оС. Погрешность анализа составляет примерно 1 градус. Более высокой точности от этого типа добиться сложно. При эксплуатации важно не допускать сильной вибрации и избегать резкого градиента температуры по длине пластины.

Этот тип устройств бывает как погружного, так и поверхностного типа. В зависимости от условий эксплуатации, в таких элементах предусматривают дополнительную защиту от влаги, вибрации, ударов.

Термопара состоит из двух металлов разного типа, которые соединены между собой. В зависимости от разницы температур между ними образуется термоэлектрическая сила (напряжение) за счет эффекта Зеебека. Один край необходим для замера, со второго края снимаются показатели.

По типу применяемого металла ДТ бывают:

Хромель-алюминиевые (ТХА). Самый распространенный промышленный тип термопар. Они могут замерять данные в интервале от -200 до 1300оС, работают без сбоев в окислительной атмосфере, кроме паров с высокой концентрацией серы, отличаются высокой чувствительностью.
Хромель-копелевые (ТХК). У них диапазон замера немного меньше, чему у ТХА и составляет от -200 до +850оС. Их эксплуатируют в неагрессивных газообразных и жидких средах. Основное назначение – контроль нагрева мартеновских печей.
Железо-константовые. Эти ДТ хорошо себя зарекомендовали при эксплуатации в разреженной атмосфере, включая вакуум. Еще их применяют для восстановительной и окислительной сред, где верхний предел не превышает +700оС.
Вольфрам-рениевые. Их выпускают с защитной оболочкой, чтобы анализировать среды со сверхвысоким нагревом.
Платинородий-платиновые. Самый дорогой тип приборов, который устанавливают при необходимости точного контроля высоких температур (до +1600 оС). Отличаются стабильностью работы.

Термопара – простое и надежное устройство, с высокой прочностью, способностью работать в экстремально низких и очень горячих средах. Из-за этого их применяют на всех видах производств, когда нужно контролировать температуру и управлять нагревом.

Термометры сопротивления

Работа датчиков температуры из этой категории основана на методике замеров электрического сопротивления металла, которое зависит от уровня нагрева рабочей среды. При изменении температуры меняются колебания теплового типа в кристаллической решетке металла. Из-за смены амплитуды меняется и сопротивление. Чем выше нагрев, тем сильнее колебания и тем больше сопротивление.

Главное преимущество термометров сопротивления – высокая точность: погрешность составляет 0,1 градуса. Они работают от -200 до +600оС, что для большинства процессов электроники, машиностроения, лабораторных процессов достаточно. Чаще всего используют три типа ДТ:

Платиновые (ТСП). Они работают до +600оС, демонстрируют одинаково высокую точность замеров в холодных и горячих средах. Материал термостабильный, с четкой линейной зависимостью. Самые популярные модели Pt500 и Pt1000.
Медные (ТСМ). У них диапазон меньше: от -50 до +200оС. Они недорогие по сравнению с платиновыми деталями и надежные, обладают высокой линейностью и повторяемостью результатов.
Никелевые (ТСН). Менее распространенный тип термометров сопротивления, максимум которых доходит до +180оС. При низких температурах у них линейность хуже, поэтому датчики из никеля устанавливают в системах отопления, вентиляции, автоматического климат-контроля зданий.

Эти измерители линейного типа имеют простое устройство считывания, дают достаточно высокий выход тока, обладают хорошей чувствительностью. Их выпускают в виде проволоки, которая намотана на стержень, или в виде тонкой пленки металла на керамической подложке. Напыление на керамику применяется для платиновой группы, чтобы экономить драгоценный металл и создавать миниатюрные детали. Термометры сопротивления бывают погружными, поверхностными, во взрывозащищенном исполнении.

Терморезисторы

Это резисторы (термисторы) полупроводникового типа, у которых сопротивление меняется в зависимости от температуры, но не так быстро, как у термометров сопротивления. Такие датчики делают из керамики или других материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления, поэтому у них изменение характеристик значительное. Зависимость между температурой и сопротивлением линейная. Терморезисторы необходимы для бытовых приборов, медицинского оборудования, электроники, поскольку у них небольшой диапазон температуры, высокая чувствительность и низкая цена. Они бывают двух категорий:

NTC. У них сопротивление падает при нагреве. Такой тип ДТ необходим, чтобы замерять температуру и ограничивать уровень пускового тока. Их делают из смеси оксидов разных металлов: меди, кобальта, марганца, никеля.
PTC. У этого типа сопротивление нарастает по мере нагревания. Такие датчики делают на основе титаната бария.

Терморезисторы применяют в реле времени, пожарной сигнализации, в микроволновых печах, в электронике для проверки нагрева узлов, в предохранителях, в системах защиты трансформаторов и другого оборудования.

Полупроводниковые датчики

У них также электрические характеристики (напряжение либо сопротивление) зависит от степени нагрева, но основной элемент делают из кремния либо другого полупроводникового материала. Техника работает за счет p-n перехода, падения напряжения при нем от температуры. Элементы дают линейный сигнал, обладают высокой скоростью отклика. Такой вид ДТ очень чувствителен и хорошо интегрируется в микросхемы. Современный тип устройств – это интегральные датчики, когда на одном кристалле находится все необходимое: чувствительная деталь, усилитель сигнала и схема для компенсации. На выходе ДТ дает сигнал после калибровки в виде:

напряжения, силы тока, который пропорционален нагреву (аналоговый тип);
цифрового кода, который удобно использовать для микроконтроллеров (цифровой тип).

Из-за специфики кремния полупроводниковые измерители работают в ограниченном диапазоне (-50…+150оС), но зато у них высокая чувствительность, низкая цена, прибор можно откалибровать в заводских условиях. Таких характеристик достаточно, чтобы использовать в бытовой и автомобильной электронике, в термостатах.

Пирометры и тепловизоры

Их можно считать подвидом термопары, поскольку она присутствует в системе. Датчики относятся к бесконтактному типу, регистрируют инфракрасные лучи, исходящие от нагретых объектов. Любой предмет обладает внутренним тепловым движением и излучением, в котором присутствует инфракрасный спектр волн с длиной 0,75-100 мкм, которые расходятся во все стороны. Чем сильнее нагрето тело, тем интенсивнее оно излучает ИК-лучи.

Энергия фиксируется на термопаре, после чего данные преобразуются в электрический сигнал и показывают данные в виде цифр на дисплее. Это оптимальный вариант, когда нужно проверить объект в труднодоступном месте или определить нагрев элемента, который перемещается. Тепловизоры требуются для бесконтактной проверки опасных предметов и во всех случаях, когда невозможен контакт с объектом, у него малая теплоемкость либо температура быстро меняется из-за происходящих процессов.

Акустические приборы

Еще один вид бесконтактного оборудования, которое можно применять в труднодоступных местах. Принцип действия основан на том, что скорость прохождения звука сквозь среду зависит от уровня ее нагрева.

Прибор вырабатывает звуковые или ультразвуковые колебания, регистрирует время, которое нужно для прохождения волны от излучателя до приемника. После обработки данных он выдает уровень температуры.

Чаще всего для этой техники применяют резонансный метод. В приборе есть подложка из кварца или танталата лития. В них при изменении температуры меняется скорость прохождения акустических волн, из-за чего меняется частота резонатора.

Ее оборудование преобразуется в температурный сигнал.

Этот тип ДТ применяют при экстремально высоких температурах, в опасных условиях, включая камеры сгорания и дымоходы, криогенные камеры, реакторы с высоким уровнем радиации. Также их удобно использовать для контроля параметров внутри небольшого геометрического объекта, в который нельзя установить датчик.

Пьезоэлектрические (пироэлектрические) измерители

При изменении температуры такой прибор генерирует электрический заряд, из-за которого деформируется кристаллическая решетка. Нагревание нарушает баланс зарядов в пьезоэлектрическом элементе, возникает напряжение, пропорциональное приросту температуры. Такой датчик не подходит для статической температуры, он регистрирует только ее изменения, в т.ч. при процессах, которые протекают с высокой скоростью. Чувствительную деталь прибора делают из кристаллов либо керамики.

Критерии выбора

Для повышения эффективности процессов необходимо интегрировать датчик температуры в систему. Выбирать устройство нужно с учетом происходящих процессов. Вот основные характеристики ДТ:

Диапазон измеряемых температур. Эта характеристика определяется типом датчика, особенностями его работы и применяемыми материалами. Если нужно измерять нагрев до +500 с высокой точностью, то оптимальный выбор – термометры сопротивления. Для широкого диапазона температуру больше подходят термопары.
Точность, стабильность анализа. Погрешность может составлять от 0,1 до 1 градуса. Необходимая точность определяется особенностями производственного процесса или бытовых условий, лабораторных исследований.
Скорость отклика. Для систем автоматики и контроля стремительно протекающих процессов время отклика оборудования должно быть минимальным.
Условия эксплуатации. На точность замеров влияют влажность и агрессивность среды, уровень вибрации. Для защиты чувствительного элемента делают корпус из нержавеющей стали, тефлона, стекловолокна и других материалов. Для взрывоопасных, токсичных, радиоактивных объектов, при сложном доступе требуются бесконтактные ДТ.

Не менее важно учесть тип оборудования (аналоговое и цифровое), его совместимость с контроллером по типу сигнала. Еще один момент – это частота и стоимость обслуживания (калибровки). При выборе прибора нужно проверить, требуется ли для его работы дополнительное напряжение, источник питания.

Сферы применения

Датчики температуры требуют везде, где необходим контроль нагрева, поддержка температуры на заданном уровне, защита от перегрева.

В промышленности ДТ обеспечивают точное управление технологическим процессами. Контроль температуры – залог правильного протекания химических процессов и безопасности персонала.
На энергетических объектах оборудование исключает перегрев и потери энергии, гарантирует ее эффективное использование.
Бытовая электроника, включая холодильник, духовку, мультиварку, не может работать без температурных датчиков. Даже в зарядных устройства, смартфонах и других умных гаджетах предусмотрена защита от перегрева, поэтому им требуется датчик.
В автомобилях установлено сразу несколько типов приборов, чтобы контролировать температуру двигателя, параметры газов на выхлопе, климат в салоне, степень нагрева аккумулятора. В транспорте ДТ обеспечивают производительность, защиту окружающей среды и гарантируют безопасность.
В медицине также не обойтись без замеров температуры. Датчики требуются для проверки состояния пациентов, работы инкубаторов и стерилизаторов, диагностической техники. Они – залог безопасности, эффективного лечения.
В сельском хозяйстве невозможно обойтись без контроля температуры при содержании животных, выращивании растений в теплицах. Замер этого параметра требуется для хранения запасов зерна, силоса, овощей.

Жилищно-коммунальная сфера – еще один потребитель датчиков. Их устанавливают в системах вентиляции, кондиционирования, отопления для управления котлами и теплообменниками. Их интегрируют в систему теплого пола и умного дома для автоматизации процесса управления климатом в помещении.

Преимущества установки датчиков

Главное преимущество применения ДТ – это безопасность. Замер температуры исключает перегрев оборудования, повреждение деталей, получение ожогов людьми. Такая защита предотвращает аварии за счет раннего обнаружения отклонений от нормы и срабатывания системы защиты от перегрева или тушения пожара.

У температурных датчиков много других преимуществ:

Предотвращение порчи. При хранении и доставке грузов, чувствительных к колебаниям температуры, датчики, работающие в паре с компрессорными установками, исключают порчу продуктов питания, медицинских товаров, косметики и т.д.
Экономия ресурсов. Точное отслеживание характеристики снижает расход топлива или электроэнергии, поскольку для нагрева или охлаждения система не работает постоянно, а включается при необходимости. Такой подход обеспечивает оптимальную работу оборудования, снижает износ.
Обеспечение комфорта. В квартире, загородном доме, офисе, в автомобиле и на любом объекте за счет работы датчиков обеспечивают комфортные условия для отдыха и оптимальные условия для работы.
Возможность автоматизации. Во всех умных системах датчики запускают автоматические реакции – включение и выключение оборудования, снижение нагрузки.

ДТ мониторят температуру в реальном времени, обеспечивают мгновенную обратную связь, поэтому контролирующие системы способны быстро реагировать на изменения параметра. Это важно для оптимизации процессов.

Погрешности оборудования

Любой прибор для измерения не способен на 100% точно определить характеристику, у него обязательно есть погрешность. Это связано с устройством оборудования, условиями проведения замера, влияния различных факторов. Погрешность – это значение, на которое отличается измеренная температура от ее действительного значения. Есть два типа отклонений:

Систематическая погрешность. Это постоянная, закономерная величина, зависящая от метода, который применяется для измерения. Ее экспериментально замеряют либо рассчитывают по формулам. Чтобы скорректировать систематическое отклонение, вводят поправки, приборы калибруют.
Случайная погрешность. Это непредсказуемый фактор, который фиксируется случайно в ходе анализа. Если проводить тесты многократно, то случайное отклонение может повторяться с определенной закономерностью как влияние различных факторов. Чтобы ее исключить, разрабатывают правила эксплуатации устройств, которые необходимо строго соблюдать.

Погрешность может быть динамической и статической. Первый тип определяется тем, что при стремительном изменении температуры устройство не успевает из-за инерции регистрировать все изменения, не способно мгновенно определить параметр. Статическая погрешность зависит от многих факторов, включая нагрев от солнечных лучей, теплообмен между узлами устройства, влияние внутренних источников тепла измерительного оборудования или других рядом расположенных тел.

Погрешность невозможно устранить полностью, поскольку всегда остается риск неточного выполнения методики замера или недостаточности изучения явления теплообмена. Также невозможно создать идеальный прибор, в нем всегда будут недочеты. Еще один фактор, который невозможно устранить – это проведение замеров в полевых условиях, которые всегда отличаются от нормальных.

Особенности калибровки

Все измерительное оборудование должно периодически проходить проверку – калибровку, чтобы техника выдавала корректные данные. Перед калибровкой ДТ их осматривают, оценивают целостность, отсутствие повреждений (трещин, вмятин, коррозии). Только после устранения дефектов можно приступать к калибровке. Ее проводят несколькими методами:

Термостатическая ванна. Один из наиболее надежных способов проверить точность прибора. Ванна – это устройство, в котором поддерживается точная и стабильная температура жидкости (масла, воды). В нее погружают измеритель и оценивают результат. В термостатической ванне можно создать широкий диапазон температуры, поэтому методика подходит для тестирования приборов разного типа. Ее применяют, когда нужно провести высокоточную калибровку, обеспечить повторяемость результатов.
Сухая печь. Ее еще называют калибратором с сухим блоком, поскольку устройство выглядит как блок с отверстиями, чтобы вставлять измерительные зонды. Это универсальный способ проверки оборудования, поскольку печь обладает термической стабильностью, в ней можно задать разную температуру. Условия контролируемые, а прибор портативный, его можно использовать не только в лаборатории, поэтому метод распространен.
Ледяная баня. Эта методика подходит, когда датчик нужно выставить на ноль. В емкость насыпают колотый лед, добавляют холодную воду. Температура этой смеси 0 градусов, поэтому при погружении прибор должен показать ноль.

Удобный и быстрый способ калибровать ДТ – портативные датчики, которые можно применять в рабочих условиях. Устройства компактные, обычно имеют сухой блок и встроенный цифровой дисплей. В них можно выбрать температуру от -200 до +1700оС, что делает их универсальными тестировщиками для датчиков всех типов. Калибраторы сами периодически проходят проверку, но они простые в обслуживании, поэтому повсеместно применяются в промышленных условиях. Такие устройства позволяет тестировать ДТ без длительного простоя прямо на месте их работы. Нагрев и охлаждение блока происходит за счет встроенных полупроводниковых элементов, никакая внешняя жидкость не применяется. В зависимости от модели, погрешность составляет от 0,01 до 0,1 градуса. Подготовка (нагрев до заданного уровня) занимает 20-30 минут.

Правила эксплуатации

Для корректного отображения данных ДТ важно правильно установить и эксплуатировать, подключать в соответствии со проверенными схемами датчиков температуры. Так, их необходимо использовать так, чтобы минимизировать внешние влияния (прямые солнечные лучи, сквозняки, осадки). Защита от влаги и агрессивных сред, вибрации и механических ударов обязательна, поскольку это основные факторы, искажающие данные. Если ДТ работает на батарейках или аккумуляторе, нужно регулярно проверять уровень заряда и менять элемент питания. При работе от кабеля его нельзя прокладывать параллельно силовому кабелю, чтобы исключить появление помех электромагнитного типа.

Датчики с негерметичным корпусом запрещено погружать в растворы. Для этих целей применяют только погружные устройства с защитным кожухом. Для измерений температуры в условиях испарений кислот, щелочей и других агрессивных компонентов корпус устройства должен выдерживать их влияние. Для особо опасных условий ДТ выпускают во взрывобезопасном исполнении.

Все датчики должны проходить периодический осмотр, проверку надежности крепления приборов, отсутствие коррозии на контактах. Им также требуется очистка от пыли и загрязнений, но без применения жестких чистящих средств.

Основные виды неисправностей приборов:

повреждение цепи, из-за чего периодически пропадает сигнал от прибора либо датчик температуры показывает недостоверные данные, например, аномально низкую температуру;
короткое замыкание, тогда прибор зашкаливает и сигнализирует об экстремальном перегреве;
окисление контактов, что приводит к росту сопротивления и недостоверным (заниженным или повышенным) данным по температуре;
повреждение герметичности корпуса из-за удара или химических процессов, коррозии, что приводит к короткому замыканию прибора и выходу из строя;
скопление накипи, из-за чего реакция на изменения параметра замедляется, данные недостоверные.

Датчики температуры – это обширная группа измерительных приборов с разным принципом действия, точностью и температурным диапазоном. Для каждого случая можно выбрать оптимальный вариант и решить, какой датчик температуры будет оптимальным выбором в том или ином случае, для того чтобы получать достоверные данные в режиме реального времени. Правильный уход и регулярная калибровка обеспечат прибору длительный срок эксплуатации.