Во многих технологических процессах одной из наиважнейших физических величин является температура. В промышленности для ее измерения применяют датчики температуры. Данные датчики преобразуют информацию о температуре в электрический сигнал, который затем обрабатывается и интерпретируется электроникой и автоматикой. В результате значение температуры либо просто отображается на дисплее, либо служит основанием для автоматического изменения режима работы того или иного оборудования.
Так или иначе, без датчиков температуры сегодня не обойтись, особенно в промышленности. И важно правильно выбрать датчик для своей цели, четко понимая отличительные особенности различных типов температурных датчиков. Об этом и поговорим далее.
Для разных целей — разные датчики
Датчики температуры используются для измерения температуры твёрдых тел, жидкостей или газов. Они преобразуют температуру в электрический сигнал, который может быть измерен и использован в системах автоматического управления.
Принцип работы: Как правило, датчик температуры работает, определяя что-то, что с ним контактирует. Термодатчик измеряет изменение характеристик объекта или окружающей среды. Чувствительные элементы изготавливаются из материала, который реагирует на изменение температуры, например, полупроводника или керамики.
Сам датчик подключен к считывающему устройству, которое преобразует данные (например, напряжение) в показания температуры.
Технологически температурные датчики подразделяются на две большие группы: контактные (требуется физический контакт) или бесконтактные (используется инфракрасный датчик для измерения на расстоянии).
Бесконтактные датчики используют в своем функционировании принцип измерения параметров инфракрасного излучения, исходящего от удаленной поверхности.
Контактные же датчики, представленные на рынке более широко, отличаются тем, что их чувствительный элемент в процессе измерения температуры непосредственно контактирует с поверхностью или средой, температуру которой необходимо измерить. Таким образом, целесообразнее всего нам будет рассмотреть именно контактные датчики, сравнить их типы, характеристики, оценить достоинства и недостатки температурных датчиков разных типов.
Выбирая датчик температуры, прежде всего определяются с тем, как необходимо будет измерять температуру. Инфракрасный датчик сможет измерять температуру на отдалении от поверхности, поэтому принципиально важно чтобы между датчиком и поверхностью, на которую он будет направлен, атмосфера была бы максимально прозрачной и чистой, иначе данные о температуре будут искажены (смотрите - Бесконтактное измерение температуры при эксплуатации оборудования).
Контактный датчик позволит измерить температуру непосредственно поверхности либо среды, в контакте с которой он находится, поэтому чистота окружающей атмосферы по большому счету не важна. Здесь решающее значение имеет прямой и качественный контакт между датчиком и исследуемым материалом.
Контактный датчик может быть изготовлен по одной из нескольких технологий: термистор, термометр сопротивления или термопара. Каждая технология отличается своими достоинствами и недостатками.
Термистор высокочувствителен, его стоимость находится посередине между термопарами и термометрами сопротивления, однако точностью и линейностью он не отличается.
Термопара стоит дороже, реагирует на изменение температуры быстрее, измерения будут более линейными чем у термистора, однако точность и чувствительность не высоки.
Термометр сопротивления — наиболее высокоточный из всех троих, отличается линейностью но более низкой чувствительностью, хотя по стоимости он дешевле термопары.
Кроме того при выборе датчика следует обратить внимание на диапазон измеряемых температур, у термопар и термометров сопротивления он зависит от материала применяемого чувствительного элемента. Вот и нужно найти какой-то компромисс.
Термопара
Датчики температуры на основе термопар работают благодаря эффекту Зеебека. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного конца — это так называемый горячий спай термопары, который и подвергается воздействию измеряемой температуры. С противоположной стороны проволок температура их концов не изменяется, в этом месте и присоединяется чувствительный вольтметр.
Напряжение, измеряемое вольтметром, зависит от разности температур между горячим спаем и присоединяемыми к вольтметру выводами проволок. Термопары различаются по металлам, которыми образованы их горячие спаи, что обуславливает диапазон измеряемых температур для того или иного датчика но основе термопары.
Ниже приведена таблица с различными типами датчиков данной разновидности. Тип датчика выбирают в зависимости от необходимого температурного диапазона и от характера окружающей среды.
Датчики типа E подходят для работы в окислительной или инертной средах. Типа J – для работы в вакууме, инертной или восстановительной средах. Тип K – подойдет для окислительной или нейтральной среды. Тип N – отличается более продолжительным сроком службы в сравнении с типом K.
Датчики типа T – стойки к коррозии, поэтому могут использоваться во влажных окислительных, восстановительных, инертных средах, а также в вакууме. R (промышленный) и S (лабораторный) - типы - являются высокотемпературными датчиками, которые нуждаются в защите специальными керамическими изоляторами или неметаллическими трубками. Тип B – еще более высокотемпературный чем R и S-типы.
Преимущества термопарных датчиков заключаются в стабильности их рабочих параметров при высоких температурах и в относительной быстроте реакции на изменение температуры горячего спая. Датчики данного типа представлены широким спектром доступных диаметров. Имеют невысокую стоимость.
Что касается недостатков, то термопарам свойственна невысокая точность, у них чрезвычайно низкое измеряемое напряжение, к тому же данным датчикам всегда требуются компенсационные цепи.
Термометры сопротивления (термопреобразователи сопротивления, RTD)
Термометр сопротивления или реостатный датчик температуры имеет аббревиатуру RTD. Он работает на принципе изменения сопротивления металла в зависимости от изменения его температуры. Применяются металлы: платина ( от -200 °C до +600 °C), никель ( от -60 °C до +180 °C), медь ( от -190 °C до +150 °C), вольфрам ( от -100 °C до +1400 °C) — в зависимости от необходимого диапазона измеряемых температур.
Чаще других металлов в термометрах сопротивления применяется платина, дающая достаточно широкий температурный диапазон, и позволяющая выбирать датчики различной чувствительности. Так, датчик Pt100 обладает сопротивлением 100 Ом при 0 °C, а Pt1000 – 1кОм при той же температуре, то есть более чувствителен и позволяет более точно измерить температуру.
Если сравнить с термопарой, то термометр сопротивления имеет более высокую точность, его параметры более стабильны, диапазон измеряемых температур шире. Однако чувствительность здесь ниже и время реакции продолжительнее нежели у термопар.
Термисторы
Еще одна разновидность контактных датчиков температуры — термисторы. В них используются оксиды металлов, способные значительно изменять свое сопротивление в зависимости от температуры. Термисторы бывают двух типов: PTC – с положительным температурным коэффициентом сопротивления и NTC – с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
У первых сопротивление возрастает с ростом температуры в определенном рабочем диапазоне, у вторых — с ростом температуры сопротивление уменьшается. Термисторы отличаются более высокой скоростью реакции на изменение температуры и низкой стоимостью, однако они довольно хрупки и имеют узкий рабочий диапазон температур чем те же термометры сопротивления и термопары.
Инфракрасные датчики
Как было сказано в начале статьи, инфракрасные датчики интерпретируют инфракрасное излучение, исходящее от удаленной поверхности — мишени. Их достоинство в том, что измерение температуры проводится бесконтактным способом, то есть нет необходимости плотно прижимать датчик к предмету или погружать его в среду.
Они очень быстро реагируют на изменение температуры, поэтому применимы для исследования поверхностей даже движущихся объектов, например на конвейере. Только при помощи инфракрасных датчиков и возможно измерение температуры образцов, расположенных например непосредственно в печи или в какой-нибудь агрессивной зоне.
К недостаткам инфракрасных датчиков относится их чувствительность к состоянию излучающей тепло поверхности, а также к чистоте собственной оптики и атмосферы на пути между датчиком и мишенью. Пыль и дым сильно мешают проводить точные измерения.
Какие типы датчиков температуры наиболее точны
Наиболее точными датчиками температуры считаются термопреобразователи сопротивления (RTD). Они обеспечивают высокую точность, линейность и надежность.
Термпреобразователи сопротивления обычно обеспечивают точность до 0.1°C, что значительно лучше, чем у термопар (около 1°C) и термисторов. Для высокоточных применений обычно рекомендуются платиновые датчики сопротивления, такие как PT100 и PT1000, обеспечивающие почти линейную реакцию на изменения температуры и высокую точность показаний (от 0,1 до 1 °C).
Другие типы датчиков температуры:
- Термопары имеют более низкую точность (около 1°C) и более подвержены ошибкам из-за нелинейного отклика и восприимчивости к электромагнитным помехам.
- Термисторы обладают высокой чувствительностью, но имеют ограниченный температурный диапазон и менее точны, чем термопреобразователи сопротивления. Их нелинейный отклик также усложняет калибровку.
- Полупроводниковые датчики обеспечивают линейный отклик, но имеют самую низкую точность среди основных типов датчиков и самый медленный отклик в узком диапазоне температур (от -70 °C до 150 °C).
Андрей Повный