Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Контроль температури повсюдно задіюється в технологічних процесах, дозволяючи вибирати відповідний режим роботи або відстежувати зміни стану матеріалу. Температурний режим однаково важливий як при включенні духовки на кухні, так і в доменних печах при плавленні сталі, а відхилення від нормальної роботи може призвести до аварії та травмування людей. Щоб уникнути неприємних наслідків та забезпечити можливість регулювання ступеня нагріву використовується датчик температури.

Різновиди, пристрій та принцип роботи

У ході розвитку та вдосконалення технологій датчик температури, як вимірювальний пристрій, зазнав множинні зміни та модернізації. Завдяки чому сьогодні вони представлені у великій різноманітності, яку можна розділити за кількома критеріями. Так, залежно від способу передачі та відображення даних про вимірювання температури вони поділяються на цифрові та аналогові. Цифрові пристрої є більш сучасним рішенням, так як інформація в них відображається на дисплеї і передається електронними каналами комунікації, аналогові мають циферблатне відображення даних, електричний або механічний спосіб передачі вимірювань.

В залежності від принципу дії всі датчики можна поділити на:

  • термоелектричні;
  • напівпровідникові;
  • пірометричні;
  • терморезистивні;
  • акустичні;
  • п'єзоелектричні.

Термоелектричні

В основі роботи термоелектричного датчика лежить принцип термопари (див. рисунок 1) - у всіх металів існує певна валентність (кількість вільних електронів на зовнішніх атомарних орбітах, не задіяних у жорстких зв'язках). При дії зовнішніх факторів, які повідомляють вільним електронам додаткову енергію, вони можуть залишити атом, створюючи рух заряджених частинок. У разі суміщення двох металів з різним потенціалом виходу електронів і подальшим нагріванням місця з'єднання виникне різниця потенціалів, що одержала назву ефекту Зеєбека.

Мал. 1. Влаштування термопари

На практиці застосовується кілька різновидів термоелектричних датчиків температури, так, згідно з п.1.1 ГОСТ Р 50342-92 вони поділяються на:

  • вольфрамреній-вольфрамренієві (ТВР) - застосовується в середовищах з великою робочою температурою близько 2000 ° С;
  • платинородій-платинородієві (ТПР) - відрізняються високою собівартістю і високою точністю вимірювань, застосовуються в лабораторних вимірах;
  • платинородій-платинові (ТПП) - оснащуються захисною трубкою з металу та керамічною ізоляцією, мають високу температурну межу;
  • хромель-алюмелеві (ТХА) - широко застосовуються в промисловості, здатні охоплювати діапазон температури до 1200 ° С, використовуються в кислих середовищах;
  • хромель-капелеві (ТХК) - характеризуються середнім температурним показником, монтуються тільки в неагресивних середовищах;
  • хромель-константанові (ТХК) - актуальні для газових сумішей та розріджених аерозолів нейтрального або слабокислого складу;
  • нікросіл-нісилові (ТНН) - застосовуються для пристроїв середнього температурного діапазону, але мають тривалий термін експлуатації;
  • мідь-константанові (ТМК) - характеризується найменшою межею вимірювань до 400°С, але відрізняється стійкістю до вологи та деяких категорій агресивних середовищ;
  • залізо-константанові (ТЖК) - застосовуються в середовищі з розрідженою атмосферою або вакуумного простору.

Така різноманітність температурних датчиків на основі термопари дозволяє охоплювати будь-які сфери людської діяльності.

Напівпровідникові

Виготовляються на основі кристалів із заданою вольтамперною характеристикою. Такі датчики температури працюють у режимі напівпровідникового ключа, аналогічно класичного біполярного транзистора, де ступінь нагрівання можна порівняти з подачею потенціалу на базу. У разі підвищення температури напівпровідниковий датчик почне видавати більше значення струму. Як правило, напівпровідник самостійно не використовується для вимірювання нагріву, а підключається через ланцюг підсилювача (див. малюнок 2).

Мал. 2. Підключення напівпровідникового датчика через підсилювач

Відрізняються широким діапазоном вимірювань і можливістю підстроювання датчика відповідно до робочих параметрів обладнання.Є високоточним типом, що мало залежить від тривалості експлуатації. Мають невеликі габарити, за рахунок чого легко встановлюються в схемах, радіоелементах і т.д.

Пірометричні

Працюють за рахунок спеціальних датчиків - пірометрів, які дозволяють вловлювати найменші температурні коливання робочої поверхні будь-якого предмета. Безпосередньо сам чутливий елемент є матрицею, що реагує на певну частоту температурного діапазону. Цей принцип покладено в основу вимірювань безконтактним термометром, який набув широкого поширення в період боротьби з коронавірусом. Крім цього, їх застосування активно використовується для тепловізійного контролю конструктивних елементів, обладнання, будівель і споруд.

Мал. 3. Принцип дії пірометричного датчика

Терморезистивні

Такі датчики температури виконуються на основі терморезисторів - пристроїв з певною залежністю опору від ступеня нагріву основного матеріалу.З підвищенням температури змінюється і провідність резистора, завдяки чому ви можете стежити за станом потрібного об'єкта.

Основним недоліком терморезистивного датчика є малий діапазон вимірюваної температури, але він здатний забезпечувати хороший крок вимірювань та високу точність у десятих і сотих частках градусів Цельсія. Через що їх нерідко включають у ланцюг із застосуванням підсилювача, що розширює робочі межі.

Акустичні

Акустичні датчики температури функціонують за принципом визначення швидкості проходження звукових коливань в залежності від температури матеріалу або поверхні. Безпосередньо сам сенсор здійснює порівняння швидкості звуку, що генерується джерелом, яка буде відрізнятися, залежно від ступеня нагріву (див. рисунок 4). Такий тип є безконтактним і дозволяє проводити виміри у важкодоступних місцях або на об'єктах підвищеної небезпеки.

Мал. 4. Звуковий датчик температури

П'єзоелектричні

Робота датчика заснована на ефекті поширення коливань кварцового кристала при проходженні електричного струму. Але, залежно від температури навколишнього середовища, змінюватиметься і частота коливань кристала. Принцип фіксації температурних змін полягає у вимірі частоти коливань і подальшому порівнянні з встановленим градуюванням номіналів для різних температур.

Схеми підключення

Основні відмінності у підключенні датчика температур обумовлюються сферою його застосування та конструктивними особливостями. Так, у рамках статті, ми розглянемо кілька найпоширеніших та найцікавіших варіантів. Такими є підключення за допомогою двопровідної та трипровідної схеми.

Мал. 5. Двопровідна схема підключення

На малюнку 5 наведено варіант двопровідного приєднання вимірювального пристрою.Цей принцип рекомендується всім датчикам температури з невеликою відстанню до контрольованого об'єкта. Оскільки опір найчутливішого елемента Rtмало змінитися від опору з'єднувальних провідників R1і R2, відповідно, поправка на вимірювання буде мінімальною.

Мал. 6. Трипровідна схема підключення

При великих відстанях, від 150 м і більше, підключення датчика слід виконувати за трипровідною схемою, в якій суттєво знижується похибка на опір у проводах R1, R2, R3.

Мал. 7. Схема підключення датчика температури двигунаПрактично в кожному сучасному авто здійснюється постійний контроль температурних параметрів мотора. Тому використання датчика є обов'язковою вимогою безпеки. Відповідно до двопровідної схеми (рисунок 7) датчик підключається одним висновком на окремий концевік капота, який не має будь-яких підключень до ланцюга.А другий висновок, що приєднується до блоку сигналізації встановленим порядком, відповідно до моделі.Мал. 8. Схема підключення цифрового датчика температури

На малюнку 8 наведено приклад включення цифрового датчика Dallas. Це модель з трьома висновками, перший з яких, згідно з розпинуванням GND, підключається до заземлюючого висновку мікроконтролера, другий DATA до виведення PIN 2, а третій до клеми живлення +5 В. Між третьою та другою ніжкою включається резистор на 4,7кОм.

Застосування

Сфера застосування датчиків температури охоплює як побутові прилади, так і обладнання загальнопромислового призначення, сільськогосподарську галузь, військову промисловість, аерокосмічний сектор. Кожен з вас може зустріти їх у себе вдома в нагрівальних приладах - бойлерах, духовках, мультиварках або хлібопічках.

У важкій промисловості теплові сенсори дозволяють контролювати ступінь нагріву печей, повітря в робочій області, стан поверхонь, що труться. У медицині їх використовують для контролю температури у важкодоступних місцях або для спрощення різних процедур.

Багато автолюбителів часто стикаються з аналізаторами температури, що контролюють стан олії або іншої охолоджуючої рідини. На мережі залізниць вони дозволяють відстежувати нагрівання букс та колісних пар. В енергетиці з їх допомогою обстежуються контактні з'єднання та якість прилягання поверхонь.

Як підібрати?

При виборі датчика температури необхідно керуватися такими критеріями:

  • якщо датчик стикається або розташовуватиметься всередині вимірюваного середовища, то береться контактна модель, якщо перебувати поза об'єктом, то безконтактна;
  • умови та стан середовища, в якому він функціонуватиме (вологість, агресивні речовини і т.д.) повинні відповідати можливостям датчика;
  • крок та градуювання вимірювань повинні забезпечувати зручну експлуатацію і датчика, і обладнання;
  • якщо датчик підлягає заміні під час експлуатації, то встановлюються змінні варіанти;
  • при виборі датчика температури для заміни несправного, краще скористатися його VIN кодом;
  • межа робочих температур повинна охоплювати всі можливі значення нагріву, деякі з них наведені в таблиці нижче.

Таблиця: температурні межі датчиків термоелектричного типу

ТипСкладДіапазон температур
Tмідь / константанвід -250 °C до 400 °C
Jзалізо / константанвід -180 °C до 750 °C
Eхромель / константанвід -40 °C до 900 °C
Kхромель / алюмельвід -180 °C до 1 200 °C
Sплатина-родій (10%) / платинавід 0 °C до 1 700 °C
Rплатина-родій (13%) / платинавід 0 °C до 1 700 °C
Bплатина-родій (30%) / платина-родій (6%)від 0 °C до 1 800 °C
Nніхросіл / нисилвід -270 °C до 1 280 °C
Gвольфрам / реній (26%)від 0 °C до 2 600 °C
Cвольфрам-реній (5%) / вольфрам-реній (26%)від 20 °C до 2 300 °C
Dвольфрам-реній (3%) / вольфрам-реній (25%)від 0 °C до 2 600 °C

Використана література

    Виглеб Г «Датчики», 1989
  1. Фрайден Дж «Сучасні датчики. Довідник» 2005
  2. Ананьєва Н.Г., Ананьєва М.С., Самойлов В.М «Вимірювання температури» 2015
  3. Дж. Вебстер «Довідник з вимірювань, сенсорів та приладів» 2006

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія: