Измерение температуры по-прежнему является одной из наиболее распространенных форм электрических измерений. Однако его измерение и преобразование в электрический сигнал можно выполнить разными способами.
Любой современный датчик температуры можно разделить на два последовательно соединенных блока преобразования температуры в электрический сигнал и блок обработки этого электрического сигнала. В этом обзоре мы в основном сосредоточился на первом блоке.
Электрические датчики температуры, которые могут работать по разным принципам и их можно разделить на две основные группы:
- Сенсорное (контактное) измерение – датчик необходимо прикрепить (прикоснуться) к объекту или веществу, температуру которого необходимо измерить. Здесь используется теплообмен между двумя объектами. Его можно использовать везде, где есть легкий доступ к измеряемому объекту, окружающая среда или сам измеряемый объект не вступает в химическую или иную реакцию с датчиком.
- Бесконтактное измерение – датчик находится на определенном расстоянии от измеряемого объекта и при этом нет взаимного влияния. Здесь используется явление, когда каждый объект при определенной температуре излучает определенную длину волны инфракрасного излучения - пирометрия.
1. Сенсорное измерение температуры (датчики температуры прикосновения)
В первой части краткого обзора принципов измерения температуры мы рассмотрим сенсорные методы.
Уже из приведенного выше названия этой группы датчиков ясно, что измерение температуры данного тела происходит путем непосредственного размещения и прикосновения измерительного датчика к его поверхности (внешнее измерение - обычно твердые тела) или, возможно, путем введения его во внутреннюю конструкцию материала (внутреннее измерение - пористые твердые или жидкие и газообразные тела).
Самый основной принцип сенсорного измерения заключается в передаче тепла материала воспринимаемого объекта через кожух самого датчика к его точке измерения за счет теплопроводности материалов.
Общие преимущества:
- малое влияние окружающего шума и влияние на само измерение = возможность очень точного измерения,
- простота изготовления и использования датчика,
- возможность измерения температуры даже внутри тела (под его поверхностью).
Общие недостатки:
- зачастую лишь относительно небольшой диапазон измеряемой температуры (всего несколько сотен °C),
- скорость измерения зависит от теплопроводности корпуса датчика и поверхности измеряемого объекта (среды),
- возможное влияние измеряемого объекта самим датчиком (отвод тепла к датчику, загрязнение веществом или объектом веществ или бактерий на поверхности датчика (зонда) и т. д.),
- корпус датчика должен быть выбран (изменен) в соответствии со свойствами измеряемого материала с которым он соприкасается.
Достоинства и недостатки различных датчиков температуры
Резистивные металлические датчики
Принцип действия: температурная зависимость сопротивления металла от температуры. Это вызвано увеличением числа столкновений свободных электронов с положительными ионами в решетке во внутренней структуре металла по мере повышения температуры.
Преимущества :
- широкий диапазон измеряемых температур,
- хорошая линейность,
- временная стабильность,
- возможность использования больших значений тока для измерения сопротивления.
Недостатки:
- малый температурный коэффициент (т.е. малая чувствительность = малый выходной сигнал),
- медленная реакция на изменение температуры (не подходит для систем с большой динамикой изменения температуры).
Типы резистивных металлических датчиков:
- Платиновые
Типовой диапазон измерения: от -200 °C до +1000 °C.
Производство: при значениях R0 = 100 Ом (Pt100), 200 Ом (Pt200), 500 Ом (Pt500), 1 кОм (Pt1000) или 2 кОм (Pt2000) в виде проволоки, сплавленной с керамикой или стеклом или намотанной на подложку из пертинакса или слюды, и в классах допуска A (диапазон от -200 °C до +650 °C) и B (диапазон от -200 °C до + 850°С).
Использование: в качестве погружного датчика для измерения температуры воды в системах отопления и охлаждения, температуры пара, в качестве зонда для измерения температуры хлебобулочных изделий в пекарнях и везде, где измеряются высокие температуры (например, автоматическое регулирование температуры в алюминиевых плавильных печах) и т. д.
- Никельные
Типовой диапазон измерения: от -60 °C до +180 °C.
Производство: при значениях R0 = 100 Ом (Ni100), 200 Ом (Ni200), 500 Ом (Ni500), 1 кОм (Ni1000) или 2кОм (Ni2000) по тонкопленочной технологии на керамической подложке из тонкодисперсного корунда, когда точное значение сопротивления устанавливается с помощью лазера.
Преимущества перед платиновыми: более быстрая реакция на изменение температуры, более высокая чувствительность и малые габариты.
- Медные
Типовой диапазон измерения: от -200 °C до +200 °C.
Производство и использование: в качестве датчика не производится из-за низкого удельного сопротивления, но может использоваться для измерения температуры обмотки электродвигателя.
Специальные сплавы – сплавы Rh-Fe или Pt-Co для температур до -250 °C.
Термометры сопротивления - принцип действия, виды и конструкции, особенности использования
Резистивные полупроводниковые датчики - термисторы
Принцип действия: зависимость электрического сопротивления материала от температуры за счет зависимости концентрации свободных носителей заряда от температуры.
Преимущества:
- высокая чувствительность = относительно большой выходной сигнал.
Недостатки:
- хуже стабильность и больше шума, малый температурный диапазон, нелинейность.
Типы резистивных полупроводниковых датчиков:
- Термисторы (NTC):
Типовой диапазон измерения: от -50 °C до +150 °C. Однако в случае порошковой технологии возможен нижний предел всего в несколько К или верхний предел до 1000° С. В случае тонкопленочной технологии также возможны диапазоны от -170°С до +450°С. У них отрицательный температурный коэффициент, т.е. их сопротивление уменьшается с повышением температуры.
Производство: по порошковой технологии, т.е. прессованием смеси оксидов металлов (например, Fe2O3 + TiO2 или MnO + CoO и др.), либо по тонкопленочной технологии из материала SiC или поликристаллического Si (миниатюрные NTC).
Использование: только для узкого диапазона измеряемых температур, например датчик комнатной температуры в вентиляционном и кондиционирующем оборудовании, датчик температуры наружного воздуха, измерение температуры охлаждающей жидкости в автомобилях и т.п.
- Термисторы - Позисторы (PTC):
Типовой диапазон измерения : от +60 °C до +180 °C. Они имеют положительный температурный коэффициент, т.е. их сопротивление увеличивается с повышением температуры. Производство: из поликристаллической сегнетоэлектрической керамики (например, BaTiO3).
Использование: поскольку их температурная характеристика показывает резкое повышение температуры, их обычно используют в качестве датчиков с двумя состояниями, где точка излома температуры определяется химическим составом позистора.
Что такое термистор и позистор и где они применяются
Как выполняется термисторная (позисторная) защита электродвигателей
Резистивные полупроводниковые датчики - монокристаллические и датчики CMOS
Принцип действия: основан на изменении подвижности свободных носителей заряда (электронов в случае полупроводника N-типа) при изменении температуры. С повышением температуры подвижность уменьшается, поэтому проводимость полупроводника уменьшается, а сопротивление увеличивается.
Используется в интегральных схемах с МОП и КМОП транзисторами.
Типовой диапазон измерения: от -50 °C до +150 °C
Преимущества:
- линейность,
- лучшая стабильность,
- чем у термисторов.
Недостатки:
- малый диапазон температур,
- меньшая чувствительность, чем у термисторов.
Производство: из кремния (Si), германия (Ge), индия (In) и др., но в промышленной практике датчики Si выпускаются серийно.
Применение: для измерения обычных температур с меньшими требованиями к чувствительности. Он используется в интегрированных интеллектуальных датчиках CMOS.
Датчики PN из монокристаллического кремния
Принцип: функция основана на температурной зависимости напряжения PN-перехода в прямом направлении.
Температурный коэффициент отрицателен и в зависимости от структуры перехода колеблется от -2,5 до 2 мВ/К. Типовой диапазон измерения: от -50 °C до +125 °C.
Преимущества:
- линейность,
- чувствительность,
- простая интеграция.
Недостатки:
- небольшой температурный диапазон.
Производство: используется PN-переход транзистора база-эмиттер. Однако для простого измерения температуры можно использовать любой универсальный выпрямительный диод, если он питается от источника тока и при изменении температуры измеряется изменение напряжения на диоде.
Применение: для измерения температуры в подавляющем большинстве полупроводниковых датчиков распространенных температур (охлаждение, нагрев, контроль температуры электроприборов и т.д.), зачастую уже в конструкции со встроенной управляющей и обрабатывающей электроникой непосредственно на одной микросхеме с измерением температуры. Обычно используют два каскадных токовых зеркала, при этом одно из них рассматривается из-за влияния температуры на BE-переход. Иногда его называют источником тока с регулируемой температурой.
Интегральные датчики температуры (IC temperature sensors) - достоинства и применение
Термоэлектрические датчики - термопары
Принцип действия: основан на так называемом явлении Зеебека, т.е. явлении преобразования тепловой энергии в электрическую путем соединения в одной точке двух проводников из разных материалов, при этом на свободных концах генерируется электрическое напряжение.
Это активные датчики, которые сами генерируют слабое электрическую энергию.
Типовой диапазон измерения: от - 200 до 3500 °C. Однако термопары делятся на категории T/J/E/K/N/S/R/B в зависимости от типа соединяемого металла.
Преимущества:
- линейные характеристики,
- большой диапазон температур,
- малые размеры зондов (< 1 мм).
Недостатки:
- низкая чувствительность = малые значения выходного напряжения,
- более сложное правильное подключение к измерительному блоку для исключения влияния помех (температура окружающей среды на измерение).
Применение: для измерения больших изменений и абсолютных значений температуры, например в качестве погружных, сенсорных, пункционных, пространственных, щелевых зондов и др.
Как устроены и работают термопары
Схемы включения и компенсации термопар
Кристаллический датчик температуры
Принцип действия: используется температурная зависимость резонансной частоты среза кварца. Типовой диапазон измерения: от -80 °C до +250 °C и разрешение до 10-4 °C.
Достоинства:
- высокое разрешение.
Недостатки:
- более низкая стабильность,
- чувствительность к окружающему шуму.
Применение: изменение частоты генератора из-за изменения температуры, т.е. прямое преобразование температуры в частоту. Генератор чаще всего подключается к контуру фазовой автоподстройки частоты.
Датчики с использованием оптоволокна
Принципы работы: Оптическое волокно, на конце которого находится зависящий от температуры слой люминофора, который после освещения световым импульсом светодиода излучает обратно с определенной временной задержкой в зависимости от температуры.
Оптическое волокно здесь работает только для направления света. Изменение затухания в прослойке между двумя концами оптических волокон. Прямое влияние тепловых потерь оптического волокна.
Применение: измерение температуры до 1500 °С, для измерения во взрывоопасных зонах (взрывоопасных средах, средах с повышенными электромагнитными помехами, легко воспламеняющихся средах), для измерения температуры поверхности (например, проверка температуры хранимых материалов на предмет самовозгорания, температуры жидкости) и др.
2. Бесконтактное измерение температуры
Бесконтактное измерение температуры, так называемая пирометрия, использует физический принцип испускания инфракрасного излучения нагретым объектом. Затем это излучение улавливается датчиком (пирометром), который преобразует его в электрически измеримую величину, которую другие электрические цепи уже будут обрабатывать аналогично сенсорным (контактным) датчикам температуры.
В принципе, бесконтактное измерение температуры позволяет измерять только температуру поверхности объекта и непосредственно реагирует на тепловое излучение только той части объекта в направлении, на которое направлен датчик.
Общие преимущества:
- быстрое измерение (в миллисекундном диапазоне),
- безопасное измерение даже высоких температур (до 3000 °C),
- незначительное влияние методики измерения на измеряемый объект, возможность измерения движущихся объектов,
- быстрая реакция на изменение температуры,
- поверхности тел можно сканировать - так называемое тепловидение, при этом отсутствует риск загрязнения и влияния измерения на поверхность измеряемого объекта.
Общие недостатки:
- измеряемый объект должен быть оптически виден датчику,
- оптика датчика должна быть защищена от загрязнения,
- возможно измерение только температуры поверхности,
- погрешности измерения, вызванные неопределенностью определения коэффициента излучения измеряемого объекта, проницаемости окружающую среду и отраженное излучение от окружающей среды.
Инфракрасные термодатчики (датчики термоэлектрического излучения)
Принцип работы: при поглощении фотонов чувствительная часть датчика нагревается, а поглощенная энергия оценивается косвенно через датчики температуры прикосновения. Поэтому сами принципы измерения температуры аналогичны сенсорным датчикам температуры, с той разницей, что здесь тепло передается в виде инфракрасного света, который улавливается на нагреваемой им светочувствительной поверхности.
Применение: измерение изменений температуры тела, обнаружение людей в охранных системах, т. н. ИК-датчик, ПЗС-тепловизионные системы, измерение инфракрасного излучения длинных волн, т.е. низкие температуры.
Зависимость температуры тела от длины волны испускаемого им инфракрасного излучения задается физикой устранения черного тела, которая вообще справедлива для всех бесконтактных датчиков температуры.
Типы тепловых инфракрасных датчиков:
- Инфракрасные термопары (термобатареи)
Принцип действия: чувствительная чувствительная часть сенсора зачернена и иногда содержит оптику, именно здесь происходит поглощение сфокусированного инфракрасного излучения. При этом чувствительная поверхность датчика нагревается, и ее температура впоследствии измеряется термопарами.
Типовой диапазон измерения: от -100°C до +500°C в зависимости от типа используемых термопар и оптики.
Производство: серийно расположенные термопары, выполненные в виде тонких металлических полос (0,03 мм) или полос, изготовленных по тонкопленочной технологии или технологии монолитного кремния. Чувствительная часть сенсора зачернена.
Применение: для дешевых и простых бесконтактных измерений и оценки, где можно использовать стандартную электронную оценку, как для классических термопар.
- Болометры
Принцип действия: чувствительная чувствительная часть датчика зачернена и именно здесь поглощается инфракрасное излучение и нагревается чувствительная поверхность датчика, температура которой впоследствии измеряется по изменению проводимости датчика при нагреве изменяется чувствительная часть (явление теплопроводности).
Типовой диапазон измерения: длина волны инфракрасного излучения от 1,6 до 500 мкм = практически от -200°C до более 1500°C.
Изготовление: используются те же материалы, что и для резистивных датчиков температуры. Чаще всего используются тонкопленочные сенсоры MgO, MnO, NiO, TiO2 и др.
Пироэлектрические датчики
Принцип действия: принцип основан на так называемом пироэлектрическом явлении, т.е. изменении спонтанной поляризации при изменении температуры. Это создает электрический на поверхности материала, куда падает инфракрасное излучение, который далее измеряется. Это явление демонстрируют пироэлектрики с постоянной поляризацией и некоторые сегнетоэлектрики, в которых ориентация создается сильным электромагнтном поле (например, TGS, керамика PZT, LiTaO 3, PVDF)
Типовой диапазон измерения: длина волны инфракрасного излучения от 5 до 14 мкм = температура примерно от -50 до 400 °C.
Изготовление: датчик состоит из 2-х электродов (один должен быть прозрачным для излучения), между которыми находится пироэлектрик. Структура аналогична пластинчатому конденсатору. При изменении температуры меняется поляризация и на электродах индуцируется электрический заряд, который далее оценивается электронным способом.
Основным параметром является пироэлектрический коэффициент, который как раз и указывает на изменение спонтанной поляризации при изменении температуры.
Квантовые датчики инфракрасного излучения
Принцип действия: физические явления используются при прямом воздействии падающих фотонов на структуру датчика.
Применяются полупроводниковые фотодиоды и детекторы фотопроводимости, работающие в инфракрасном диапазоне и обычно в так называемом режиме напряжения.
Для требований к высокому отношению сигнал/шум (SNR) необходимо охлаждать датчики.
Производство: используется большое количество различных полупроводниковых материалов, каждый для своего диапазона длин волн инфракрасного излучения. Тенденция заключается в использовании перехода металл-полупроводник.
Использование: для измерения коротковолнового инфракрасного излучения (в единицах мм ) = измерение высоких температур порядка тысяч °С.