Датчики температуры. Типы, устройство, принцип работы. Схемы подключения

Контроль температуры повсеместно задействуется в технологических процессах, позволяя выбирать подходящий режим работы или отслеживать изменения состояния материала. Температурный режим одинаково важен как при включении духовки на кухне, так и в доменных печах при плавлении стали, а отклонение от нормальной работы может привести к аварии и травмированию людей. Чтобы избежать неприятных последствий и обеспечить возможность регулирования степени нагрева используется датчик температуры.

Разновидности, устройство и принцип работы

В ходе развития и совершенствования технологий датчик температуры, как измерительное приспособление, претерпел множественные изменения и модернизации. Благодаря чему сегодня они представлены в большом разнообразии, которые можно разделить по нескольким критериям. Так, в зависимости от способа передачи и отображения данных об измерениях температуры они подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровые устройства являются более современным решением, так как информация в них отображается на дисплее и передается по электронным каналам коммуникации, аналоговые имеют циферблатное отображение данных, электрический или механический способ передачи измерений.

В зависимости от принципа действия все датчики можно подразделить на:

  • термоэлектрические;
  • полупроводниковые;
  • пирометрические;
  • терморезистивные;
  • акустические;
  • пьезоэлектрические.

Термоэлектрические

В основе работы термоэлектрического датчика лежит принцип термопары (см. рисунок 1) – у всех металлов существует определенная валентность (количество свободных электронов на внешних атомарных орбитах, не задействованных в жестких связях). При воздействии внешних факторов, сообщающих свободным электронам дополнительную энергию, они могут покинуть атом, создавая движение заряженных частиц. В случае совмещения двух металлов с различным потенциалом выхода электронов и последующим нагреванием места соединения возникнет разность потенциалов, получившая название эффекта Зеебека.

Устройство термопары
Рис. 1. Устройство термопары

На практике применяется несколько разновидностей термоэлектрических датчиков температуры, так, согласно п.1.1  ГОСТ Р 50342-92 они подразделяются на:

  • вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР) – применяется в средах с большой рабочей температурой порядка 2000°С;
  • платинородий-платинородиевые (ТПР) – отличаются высокой себестоимостью и высокой точностью измерений, применяются я в лабораторных измерениях;
  • платинородий-платиновые (ТПП) – оснащаются защитной трубкой из металла и керамической изоляцией, обладают высоким температурным пределом;
  • хромель-алюмелевые (ТХА)  – широко применяются в промышленности, способны охватывать диапазон температуры до  1200°С, используются в кислых средах;
  • хромель-копелевые (ТХК) –  характеризуются средним температурным показателем, монтируются только в неагрессивных средах;
  • хромель-константановые (ТХК) – актуальны для газовых смесей и разжиженных аэрозолей нейтрального или слабокислого состава;
  • никросил-нисиловые (ТНН) – применяются для устройств среднего температурного диапазона, но обладают длительным сроком эксплуатации;
  • медь-константановые (ТМК) – характеризуется наименьшим пределом измерений до 400°С, но отличается устойчивостью к влаге и некоторым категориям агрессивных сред;
  • железо-константановые (ТЖК) – применяются в среде с разжиженной атмосферой или вакуумного пространства.

Такое разнообразие температурных датчиков на основе термопары позволяет охватывать любые сферы человеческой деятельности.

Полупроводниковые

Изготавливаются на основе кристаллов с заданной вольтамперной характеристикой. Такие датчики температуры работают в режиме полупроводникового ключа, аналогично классическому биполярному транзистору, где степень нагревания сравнима с подачей потенциала на базу. При повышении температуры полупроводниковый датчик  начнет выдавать большее значение тока. Как правило, самостоятельно полупроводник не используется для измерения нагрева, а подключается через цепь усилителя (см. рисунок 2).

Подключение полупроводникового датчика через усилитель
Рис. 2. Подключение полупроводникового датчика через усилитель

Отличаются широким диапазоном производимых измерений и возможностью подстройки датчика в соответствии с рабочими параметрами оборудования. Являются высокоточным типом, мало зависящим от продолжительности эксплуатации. Обладают небольшими габаритами, за счет чего легко устанавливаются в схемах, радиоэлементах и т.д.

Пирометрические

Работают за счет специальных датчиков – пирометров, которые позволяют улавливать малейшие температурные колебания рабочей поверхности любого предмета. Непосредственно сам чувствительный элемент представляет собой матрицу, реагирующую на определенную частоту температурного диапазона. Этот принцип положен в основу измерений бесконтактным термометром, который получил широкое распространение в период борьбы с коронавирусом. Помимо этого их применение активно используется для тепловизионного контроля конструктивных элементов, оборудования, зданий и сооружений.

Принцип действия пирометрического датчика
Рис. 3. Принцип действия пирометрического датчика

Терморезистивные

Такие датчики температуры выполняются на основе терморезисторов – устройств с определенной зависимостью сопротивления от степени нагрева основного материала. С повышением температуры, изменяется и проводимость резистора, благодаря чему вы можете следить за состоянием нужного объекта.

Основным недостатком терморезистивного датчика  является малый диапазон измеряемой температуры, но он способен обеспечивать хороший шаг измерений и высокую точность в десятых и сотых долях градусов Цельсия. Из-за чего их нередко включают в цепь с применением усилителя, расширяющего рабочие пределы.

Акустические

Акустические датчики температуры функционируют по принципу определения скорости прохождения звуковых колебаний в зависимости от температуры материала или поверхности . Непосредственно сам сенсор производит сравнение скорости звука, генерируемого источником, которая будет отличаться, в зависимости от степени нагрева (см. рисунок 4). Такой тип является бесконтактным и позволяет производить замеры в труднодоступных местах или на объектах повышенной опасности.

Звуковой датчик температуры
Рис. 4. Звуковой датчик температуры

Пьезоэлектрические

Работа датчика основана на эффекте распространения колебаний кварцевого кристалла при прохождении электрического тока. Но, в зависимости от температуры окружающей среды, будет меняться и частота колебаний кристалла. Принцип фиксации температурных изменений заключается в измерении частоты колебаний и последующем сравнении с установленной градуировкой номиналов для разных температур.

Схемы подключения

Основные отличия в подключении датчика температур обуславливаются сферой его применения и конструктивными особенностями. Так, в рамках статьи, мы рассмотрим несколько наиболее распространенных и интересных вариантов. Таковыми является подключение с помощью двухпроводной и трехпроводной схемы.

Двухпроводная схема подключения
Рис. 5. Двухпроводная схема подключения

На рисунке 5 приведен вариант двухпроводного присоединения измерительного устройства. Этот принцип рекомендуется для всех датчиков  температуры с небольшим расстоянием до контролируемого объекта. Так как сопротивление самого чувствительного элемента  Rt мало измениться от сопротивления соединительных проводников R1 и R2, соответственно, поправка на измерения будет минимальной.

Трехпроводная схема подключения
Рис. 6. Трехпроводная схема подключения

При больших расстояниях, от 150 м и более, подключение датчика следует выполнять по трехпроводной схеме, в которой существенно снижается погрешность на сопротивление в проводах R1, R2, R3.

Схема подключения датчика температуры двигателя
Рис. 7. Схема подключения датчика температуры двигателя

Практически в каждом современном авто осуществляется постоянный контроль температурных параметров мотора. Поэтому использование датчика является обязательным требованием безопасности. Согласно двухпроводной схемы (рисунок 7) датчик подключается одним выводом на отдельно стоящий концевик капота, который не имеет каких-либо подключений к цепи. А второй вывод, подсоединяется к блоку сигнализации установленным порядком, в соответствии с моделью.

Схема подключения цифрового датчика температуры
Рис. 8. Схема подключения цифрового датчика температуры

На рисунке 8 приведен пример включения цифрового датчика Dallas. Это модель с тремя выводами, первый из которых, согласно распиновки GND подключается к заземляющему выводу микроконтроллера, второй DATA к выводу PIN 2, а третий к клемме питания +5 В. Между третей и второй ножкой включается резистор на 4,7кОм.

Примение

Сфера применения датчиков температуры охватывает как бытовые приборы, так и оборудование общепромышленного назначения, сельскохозяйственную отрасль, военную промышленность, аэрокосмический сектор. Каждый из вас может встретить их у себя дома в нагревательных приборах – бойлерах, духовках, мультиварках или хлебопечках.

В тяжелой промышленности тепловые сенсоры позволяют контролировать степень нагрева печей, воздуха в рабочей области, состояние трущихся поверхностей. В медицине их используют для контроля температуры в труднодоступных местах или для упрощения различных процедур.

Многие автолюбители часто сталкиваются с анализаторами температуры, контролирующими состояние масла или другой охлаждающей жидкости. На сети железных дорог они позволяют отслеживать нагрев букс и колесных пар. В энергетике с их помощью обследуются контактные соединения и качество прилегания поверхностей.

Как подобрать?

При выборе датчика температуры необходимо руководствоваться такими критериями:

  • если датчик будет соприкасаться или располагаться внутри измеряемой среды, то берется контактная модель, если находиться вне объекта, то бесконтактная;
  • условия и состояние среды, в которой он будет функционировать (влажность, агрессивные вещества и т.д.) должны соответствовать возможностям датчика;
  • шаг и градуировка измерений должны обеспечивать удобную эксплуатацию и датчика, и оборудования;
  • если датчик подлежит замене в ходе эксплуатации, то устанавливаются сменные варианты;
  • при выборе датчика температуры для замены неисправного, лучше воспользоваться его VIN кодом;
  • предел рабочих температур должен охватывать все возможные значения нагрева, некоторые из них приведены в таблице ниже.

Таблица: температурные пределы датчиков термоэлектрического типа

ТипСоставДиапазон температур
Tмедь / константанот -250 °C до 400 °C
Jжелезо / константанот -180 °C до 750 °C
Eхромель / константанот -40 °C до 900 °C
Kхромель / алюмельот -180 °C до 1 200 °C
Sплатина-родий (10 %) / платинаот 0 °C до 1 700 °C
Rплатина-родий (13 %) / платинаот 0 °C до 1 700 °C
Bплатина-родий (30 %) / платина-родий (6 %)от 0 °C до 1 800 °C
Nнихросил / нисилот -270 °C до 1 280 °C
Gвольфрам / рений (26 %)от 0 °C до 2 600 °C
Cвольфрам-рений (5 %) / вольфрам-рений (26 %)от 20 °C до 2 300 °C
Dвольфрам-рений (3 %) / вольфрам-рений (25 %)от 0 °C до 2 600 °C

Использованная литература

  1. Виглеб Г  «Датчики», 1989
  2. Фрайден Дж «Современные датчики. Справочник» 2005
  3. Ананьева Н.Г., Ананьева М.С., Самойлов В.Н «Измерение температуры» 2015
  4. Дж. Вебстер “Справочник по измерениям, сенсорам и приборам” 2006

Leave a Comment

Your email address will not be published.