Достоинства датчиков для измерения температуры

Датчики температуры

Что такое и какие бывают датчики температуры. Рассмотрена классификация термодатчиков по принципу действия, когда какие типы датчиков лучше применять. На какие характеристики необходимо обратить внимание при выборе датчиков температуры. Обзор производителей и продавцов.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Датчики измерения влажности(гигрометры)» или «Виды давления».

Большинство технологических процессов идет сейчас по пути автоматизации. Кроме того, управление многочисленными механизмами и агрегатами, а зачастую и машинами просто немыслимо без точных измерений всевозможных физических величин. Не маловажными являются измерение давления, измерение угловой скорости, а также линейной и многие-многие другие. Но самыми распространенными (около 50%) являются температурные измерения. К примеру, средняя по величине атомная станция располагает приблизительно 1500-ю контрольных (измерительных) точек, а крупное химпроизводство, насчитывает таких уже около 20 тыс.

Так как диапазон измерений и их условия могут сильно отличатся друг от друга, разработаны разные по точности, помехоустойчивости и быстродействию типы датчиков (и первичных преобразователей). Какого бы типа не был температурный датчик, общим для всех является принцип преобразования. А именно: измеряемая температура преобразуется в электрическую величину (как раз за это и отвечает первичный преобразователь). Это обусловлено тем, что электрический сигнал просто передавать на большие расстояния (высокая скорость приема-передачи), легко обрабатывать (высокая точность измерений) и, наконец, быстродействие.

Дальше, предлагаем вам ознакомиться с различными видами датчиков температуры, а в конце статьи со список вопросов которые необходимо решить перед покупкой датчика температуры. Если же вы хотите сразу перейти к выбору и покупке термодатчика, можете воспользоваться нашим каталогом.

Виды датчиков температуры, по типу действия

Терморезистивные термодатчики

Терморезистивные термодатчики — основаны на принципе изменения электрического сопротивления (полупроводника или проводника) при изменении температуры. Разработаны они были впервые для океанографических исследований. Основным элементом является терморезистор — элемент изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды.

Несомненные преимущества термодатчиков этого типа это долговременная стабильность, высокая чувствительность, а также простота создания интерфейсных схем.

На изображении приведен датчик 702-101BBB-A00, диапазон измерения которого от -50 до +130 °С. Этот датчик относиться к группе кремневых резистивных датчиках(что это такое читайте двумя абзацами ниже). Обратите внимание, на его размеры. Производит этот датчик фирма Honeywell International

В зависимости от материалов используемых для производства терморезистивных датчиков различают:

  1. Резистивные детекторы температуры(РДТ). Эти датчики состоят из металла, чаще всего платины. В принципе, любой мета изменяет свое сопротивление при воздействии температуры, но используют платину так как она обладает долговременной стабильностью, прочностью и воспроизводимостью характеристик. Для измерений температур более 600 °С может использоваться также вольфрам. Минусом этих датчиков является высокая стоимость и нелинейность характеристик.
  2. Кремневые резистивные датчики. Преимущества этих датчиков —хорошая линейность и высокая долговременная стабильностью. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.
  3. Термисторы. Эти датчики изготавливаются из металл-оксидных соединений. Датчики измеряет только абсолютную температуру. Существенным недостатком термисторов является необходимость их калибровки и большой нелинейностью, а также старение, однако при проведении всех необходимых настроек могут использоваться для прецизионных измерений.

Полупроводниковые

В качестве примера изображен полупроводниковый датчик температуры LM75A, выпускаемый фирмой NXP Semiconductors. Диапазон измерений этого датчика от -55 до +150.

Полупроводниковые датчики регистрируют изменение характеристик p-n перехода под влиянием температуры. В качестве термодатчиков могут быть использованы любые диоды или биполярные транзисторы. Пропорциональная зависимость напряжения на транзисторах от абсолютной температуры (в Кельвинах) дает возможность реализовать довольно точный датчик.

Достоинства таких датчиков — простота и низкая стоимость, линейность характеристик, маленькая погрешность. Кроме того, эти датчики можно формировать прямо на кремневой подложке. Все это делает полупроводниковые датчики очень востребованными.

Термоэлектрические(термопары)

Термоэлектрические преобразователи — иначе, термопары. Они действуют по принципу термоэлектрического эффекта, то есть благодаря тому, что в любом замкнутом контуре (из двух разнородных полупроводников или проводников) возникнет электрический ток, в случае если места спаев отличаются по температуре. Так, один конец термопары (рабочий) погружен в среду, а другой (свободный) – нет. Таким образом, получается, что термопары это относительные датчики и выходное напряжение будет зависеть от разности температур двух частей. И почти не будет зависеть от абсолютных их значений.

Выглядеть термопара может так, как показано на рисунке. Это термопара ДТПКХХ4, она измеряет температуры в пределах от -40 до +400. Производит его российская компания Овен.

Диапазон измеряемых с их помощью температур, от -200 до 2200 градусов, и напрямую зависит от используемых в них материалов. Например, термопары из неблагородных металлов – до 1100 °С. Термопары из благородных металлов (платиновая группа) – от 1100 до 1600 градусов. Если необходимо произвести замеры температур свыше этого, используются жаростойкие сплавы (основой служит вольфрам). Как правило используется в комплекте с милливольтметром, а свободный конец (конструктивно выведенный на головку) удален от измеряемой среды с помощью удлиняющего провода. Одним из недостатков термопары является достаточно большая погрешность. Наиболее распространенным способом применения термопар являются электронные термометры.

Пирометры

Пирометры – бесконтактные датчики, регистрирующие излучение исходящее от нагретых тел. Основным достоинством пирометров (в отличие от предыдущих температурных датчиков) является отсутствие необходимости помещать датчик непосредственно в контролируемую среду. В результате такого погружения часто происходит искажение исследуемого температурного поля, не говоря уже о снижении стабильности характеристик самого датчика.

Различают три вида пирометров:

  1. Флуоресцентные. При измерении температуры посредством флуоресцентных датчиков на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить, наносят фосфорные компоненты. Затем объект подвергают воздействию ультрафиолетового импульсного излучения, в результате которого возникает послеизлучение флуоресцентного слоя, свойства которого зависят от температуры. Это излучение детектируется и анализируется.
  2. Интерферометрические. Интерферометрические датчики температуры основаны на сравнении свойств двух лучей – контрольного и пропущенного через среду, параметры которой меняются в зависимости от температуры. Чувствительным элементом этого типа датчиков чаще всего выступает тонкий кремниевый слой, на коэффициент преломления которого, а, соответственно, и на длину пути луча, влияет температура.
  3. Датчики на основе растворов, меняющих цвет при температурном воздействии. В этом типе датчиков-пирометров применяется хлорид кобальта, раствор которого имеет тепловую связь с объектом, температуру которого необходимо измерить. Коэффициент поглощения видимого спектра у раствора хлорида кобальта зависит от температуры. При изменении температуры меняется величина прошедшего через раствор света.

Акустические

Акустические термодатчики – используются преимущественно для измерения средних и высоких температур. Акустический датчик построен на принципе того, что в зависимости от изменения температуры, меняется скорость распространения звука в газах. Состоит из излучателя и приемника акустических волн (пространственно разнесенных). Излучатель испускает сигнал, который проходит через исследуемую среду, в зависимости от температуры скорость сигнала меняется и приемник после получения сигнала считает эту скорость.

Используются для определения температур, которые нельзя измерить контактными методами. Также применяются в медицине для неинвазивных (без операционного проникновения внутрь тела больного) измерения глубинной температуры, например, в онкологии. Недостатками таких измерений является то, что при прикосновении они могут вызывать ответные физиологические реакции, что в свою очередь влечет искажение измерения глубинной температуры. Кроме того, могут возникать отражения на границе «датчик-тело», что также способно вызывать погрешности.

Пьезоэлектрические

В датчиках этого типа главным элементов является кварцевый пьезорезонатор.

Как известно пьезоматериал изменяет свои размеры при воздействии тока(прямой пьезоэффект). На этот пьезоматериал попеременно передается напряжение разного знака, от чего он начинает колебаться. Это и есть пьезорезонатор. Выяснено, что частота колебаний этого резонатора зависит от температуры, это явление и положено в основу пьезоэлектрического датчика температуры.

Источник

Достоинства и недостатки различных датчиков температуры

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

Технологически температурные датчики подразделяются на две большие группы: контактные и бесконтактные. 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.

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.

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.

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.

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.

Источник

Датчик температуры. Виды, характеристики, принцип действия температурных датчиков.

Температурные датчики, их виды.

В основе работы любых температурных датчиков, использующихся в системах автоматического управления, лежит принцип преобразования измеряемой температуры в электрическую величину. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений: электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; ониточно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности,чувствительности и быстродействия средств измерений.

1. Термопреобразователи сопротивления.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (термо-резисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников иполупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств иинертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всемуказанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь.

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур впределах от –260 до 1100 0С. В диапазоне температур от 0 до 650 0С ихиспользуют в качестве образцовых и эталонных средств измерений, причемнестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей непревышает 0,001 0С.

Платиновые терморезисторы обладают высокой стабильностью ивоспроизводимостью харакетристик. Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования. Поэтому они используются для точных измерений температур в соответствующем диапазоне.

Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 1800C. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым.

Тепловая инерционность стандартных термометров сопротивления характеризуется показателем тепловой инерции (постоянной времени), значения которого лежат в пределах от десятков секунд до единиц минут. Постоянная времени специально изготавливаемых малоинерционных термометров сопротивления может быть уменьшена до 0,1 с. Находят применение также никелевые термометры сопротивления. Никель имеет относительно высокое удельное сопротивление.

Медные и никелевые терморезисторы выпускают также из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, высокостабильны, малоинерционны и при малых габаритных размерах могут иметь сопротивления до десятков килоом. По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьмамалых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). Для измерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца). Термисторы имеют линейную функцию преобразования.

Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим с достаточнойточностью нормировать их характеристики при серийном производстве, является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличие характеристик одного экземпляра от другого).

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазонеот –100 до 200 0С. Измерительная схема с участием термопреобразователей сопротивления чаще всего является мостовой; уравновешивание моста осуществляется спомощью потенциометра.

При изменении сопротивления терморезистора соответственно изменяется положение движка потенциометра, положениек оторого относительно шкалы формирует показание прибора; шкала градуируется непосредственно в единицах температуры.

Недостатком такой схемы включения является вносимая проводами подключения терморезистора погрешность; поскольку из-за изменения сопротивления проводов при изменении температуры окружающей среды компенсация указанной погрешности невозможна, применяют трехпроводную схему включения проводов, при использовании которой сопротивления подводящих проводов оказываются в различных ветвях, и их влияние значительно уменьшается.

Термоэлектрические преобразователи (термопары).

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте,заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородныхпроводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводниковимеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий изразнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термо-ЭДС E(t) и E(t0), зависящие от температур этих спаев t и t0. Так какэти термо-ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термо-ЭДС,действующая в контуре, равна E(t) – E(t0).

При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-ЭДС равнанулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концомтермопары, а второй спай – свободным. У любой пары однородных проводников значение результирующей термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников.

Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термо-ЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термо-ЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 22000С. Для измерения температур до 1100 0С используют в основном термопары из неблагородных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600 0С – термопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измерения более высоких температур – термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама).

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель. При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрического преобразователя.

Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит впределах 5 – 20 секунд и ниже.

Электроизмерительный прибор (милливольтметр) или измерительный усилитель термо-ЭДС могут подключаться к контуру термопары двумя способами: в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходная термо-ЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит. Как указано выше, при измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, но как правило, свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке, аследовательно, расположены в непосредственной близости от объектов,температура которых измеряется.

Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра.

Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паремежду собой в диапазоне температур 0 – 150 0С ту же термо-ЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина – платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по термо-ЭДС термопаре платина-платинородий в диапазоне 0 – 150 0С. Для термопары хромель – алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель – копель удлинительными являются основные термоэлектроды, новыполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность.

В лабораторных условиях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0 0С путем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 0С. Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 0С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары,так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.

На практике для устранения погрешности широкое применение находит автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары.Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные образованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0 0С,мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 0С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термо-ЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется специальным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не происходит, но указанная погрешность существенно уменьшается.

В лабораторных условиях для точного измерения термо-ЭДС применяются лабораторные и образцовые компенсаторы постоянного тока с ручным уравновешиванием.

Серьезным недостатком рассмотренных выше термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры – бесконтактные датчики, основанные на использовании излучения нагретых тел. Тепловое излучение любого тела можно характеризовать количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени иприходящейся на единицу диапазона длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называется спектральной светимостью (интенсивностью монохроматического излучения).

Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов. Использующие энергию излучения нагретых тел пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые. Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения.

В типичный радиационный пирометр входит телескоп, состоящий изобъектива и окуляра, внутри которого расположена батарея из последовательно соединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся на платиновомлепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта и вся энергия излучения воспринималась термобатареей. Термо-ЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела.

Радиационные пирометры градуируются по излучению абсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучения вызывает погрешность измерения температуры. Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя(фотометрической лампы). Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив и окуляр.

Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение.

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 до 0С. Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами.

Главным преимуществом цветовых пирометров является то, что неполнота излучения исследуемого объекта не вызывает погрешности изменения температуры. Кроме того, показания цветовых пирометров принципиально независят от расстояния до объекта измерения, а также от коэффициента излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн.

Для измерения температур от –80 до 250 0С часто используются такназываемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости оториентации среза относительно осей кристалла кварца.

Кварцевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность (до 103Гц/К). высокую временную стабильность и разрешающую способность, что и определяет перспективность. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

Действие шумовых термометров основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры.

Практическая реализация метода измерения температуры на основе шумовых резисторов заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой –при измеряемой. Шумовые датчики используются, как правило, для измерения температур в диапазоне –270 – 1100 0С.

Достоинством шумовых датчиков является принципиальная возможность измерения термодинамической температуры на основе указанной выше закономерности. Однако это значительно осложняется тем, что среднееквадратическое значение напряжения шумов очень трудно измерить точновследствие его малости и сопоставимости с уровнем шума усилителя.

ЯКР-термометры (термометры ядерного квадрупольного резонанса)основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР снижается.

Датчик ЯКР-термометра представляет собой ампулу с веществом, заключенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур генератора. При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии от генератора. Погрешность измерения температуры -263 0С составляет ± 0.02 0С, а температуры 27 0С — ± 0.002 0С. Достоинством ЯКР-термометров является его неограниченная во времени стабильность, а недостатком – существенная нелинейность функции преобразования.

Дилатометрические (объемные) датчики измерения температуры основаны на явлении расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей или газов при увеличении (уменьшении) температуры.

Температурный диапазон работы преобразователей, основанных нарасширении твердых тел, определяется стабильностью свойств материалов при изменении температуры. Обычно с помощью таких преобразователей измеряют температуры в диапазоне –60 – 400 0С. Погрешность преобразования составляет 1 – 5 %. Температурный диапазон работы преобразователя с расширяющейся жидкостью зависит от температур замерзания и кипения последней (для ртути —39 – 357 0С, для амилового спирта — -117 – 132 0С, для ацетона — -94 – 570С. Погрешности жидкостных преобразователей составляют 1 – 3 % и взначительной степени зависят от температуры окружающей среды, изменяющей размеры капилляра.

Нижний предел измерения преобразователей, использующих в качестве рабочей среды газ, ограничивается температурой сжижения газа ( — 195 0С дляазота, — 269 0С для гелия), верхний же – лишь теплостойкостью баллона.

Акустические термометры основаны на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры и используются в основном диапазоне средних и высоких температур. Акустический термометр содержит пространственно разнесенные излучатель акустических волн и их приемник, обычно включаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которого меняется с изменением температуры; обычно такой датчик использует иразличного типа резонаторы.

Источник

Достоинства и недостатки различных датчиков температуры

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

Технологически температурные датчики подразделяются на две большие группы: контактные и бесконтактные. 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.

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.

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.

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.

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.

Источник

Какой датчик температуры лучше, критерии выбора датчика

Если вы впервые сталкиваетесь с вопросом выбора датчика для измерения температуры, то выбор недорогого и надежного датчика может стать для вас актуальной проблемой.

В первую очередь необходимо выяснить следующие детали: предполагаемый температурный диапазон измерений, требуемая точность, будет ли датчик расположен внутри среды (если нет — нужен будет радиационный термометр), условия предполагаются нормальные или агрессивные, важна ли возможность периодического демонтажа датчика, и наконец, нужна ли градуировка именно в градусах или допустимо получение сигнала, который затем будет преобразовываться в значение температуры.

Это все не праздные вопросы, ответив на которые, потребитель получает возможность выбрать для себя более подходящий датчик температуры, с которым его оборудование будет работать наилучшим образом. Разумеется, нельзя просто и однозначно дать ответ на вопрос, какой датчик температуры лучше, выбор предстоит сделать потребителю, предварительно ознакомившись с особенностями каждого типа датчиков.

Здесь мы сделаем краткий обзор трех основных типов термодатчиков (наиболее распространенных): термометр сопротивления, термистор или термопара. Между тем, потребителю важно сразу понимать, что точность получаемых данных о температуре зависит как от датчика, так и от преобразователя сигнала — вклад в неопределенность вносит как первичный датчик, так и преобразователь.

Порой при выборе приборов обращают внимание только на характеристики преобразователя, забывая о том, что разные датчики дадут разные дополнительные составляющие (в зависимости от выбранного типа датчика), которые необходимо будет учитывать при получении данных.

Термометры сопротивления — если нужна высокая точность

В данном случае чувствительным элементом выступает пленочный или проволочный резистор, с известной зависимостью сопротивления от температуры, помещенный в керамический или металлический корпус. Наиболее популярны платиновые (высокий температурный коэффициент), но также применяют никелевые и медные. Диапазоны и допуски, а также стандартные зависимости сопротивления от температуры для термометров сопротивления можно узнать, прочитав ГОСТ 6651-2009.

Преимущество термометров данного типа — широкий температурный диапазон, высокая стабильность, хорошая взаимозаменяемость. Особо устойчивы к вибрациям платиновые пленочные термометры сопротивления, однако рабочий диапазон у них уже.

Герметичные элементы ТС выпускаются как отдельные чувствительные элементы для миниатюрных датчиков, однако как для термометров сопротивления, так и для датчиков характерен один относительный минус — им требуется для работы трехпроводная или четрыехпроводная система, тогда измерения будут точными.

И еще, глазурь герметизирующая корпус должна подходить для выбранных условий, чтобы колебания температуры не привели бы к разрушению герметизирующего слоя датчика. Стандартный допуск платиновых термометров не более 0,1 °С, но возможна индивидуальная градуировка для достижения точности в 0,01 °С.

Более высокой точностью обладают эталонные платиновые термометры (ГОСТ Р 51233-98), их точность достигает 0,002 °С, но обращаться с ними нужно осторожно, ибо они не выносят тряски. К тому же стоимость их десятикратно выше стандартных платиновых термометров сопротивления.

Для измерений в условиях криогенных температур подойдет железно-родиевый термометр сопротивления. Аномальная температурная зависимость сплава и низкий ТКС позволяют такому термометру работать при температурах от 0,5 К до 500 К, причем стабильность при 20К достигает 0,15 мК/год.

Конструктивно чувствительный элемент термометра сопротивления — это четыре отрезка спирали, уложенные вокруг трубки из оксида алюминия, засыпанные чистым порошком оксида алюминия. Витки изолированы друг от друга, а сама спираль в принципе виброустойчива. Герметизация особо подобранной глазурью или цементом на основе того же оксида алюминия. Типичный диапазон для проволочных элементов — от -196 °С до +660 °С.

Второй вариант элемента (более дорогостоящий, применяется на объектах атомной промышленности) — полая конструкция, отличающаяся очень высокой стабильностью параметров. На металлический цилиндр наматывается элемент, причем поверхность цилиндра покрыта слоем оксида алюминия. Сам цилиндр изготовлен из особого металла сходного по коэффициенту теплового расширения с платиной. Стоимость термометров с полыми элементами очень высока.

Третий вариант — тонкопленочный элемент. На подложку из керамики наносится тончайший слой платины (порядка 0,01 микрона), который сверху покрывается стеклом или эпоксидной смолой.

Это самый дешевый тип элементов для термометров сопротивления. Малый размер и небольшой вес — главное достоинство тонкопленочного элемента. Такие датчики обладают высоким сопротивлением примерно в 1 кОм, что сводит на нет проблему двухпроводного присоединения. Однако стабильность тонких элементов уступает проволочным. Типичный диапазон для пленочных элементов — от -50 °С до +600 °С.

Спираль из платиновой проволоки, покрытая стеклом, — вариант весьма дорогого проволочного термометра сопротивления, который чрезвычайно хорошо герметизирован, устойчив к высокой влажности, однако диапазон рабочих температур относительно узок.

Термопары — для измерения высоких температур

Принцип действия термопары открыт в 1822 году Томасом Зеебеком, описать его можно так: в проводнике из гомогенного материала, обладающем свободными носителями заряда, при нагревании одного из измерительных контактов возникнет ЭДС. Или так: в замкнутой цепи из разнородных материалов, в условиях разности температур между спаями, возникает ток.

Вторая формулировка дает более точное понимание принципа работы термопары, в то время как первая отражает самую суть генерации термоэлектричества, и свидетельствует об ограничениях точности, связанных с термоэлектрической неоднородностью: для всей длины термоэлектрода решающий фактор — это наличие температурного градиента, поэтому погружение в среду при калибровке должно быть таким же, что и будущее рабочее положение датчика.

Термопары позволяют получить широчайший рабочий температурный диапазон и, что крайне важно, имеют самую высокую рабочую температуру из всех типов контактных термодатчиков. Спай может быть заземлен или приведен в плотный контакт с исследуемым объектом. Прост, надежен, прочен — это про датчик на базе термопары. Диапазоны и допуски, термоэлектрические параметры термопар можно узнать, прочитав ГОСТ Р 8.585-2001.

Есть у термопар и некоторые уникальные недостатки:

термоэдс нелинейна, что создает сложности при разработке преобразователей для них;

материал электродов нуждается в хорошей герметизации в силу химической неинертности оных, в силу их уязвимости к агрессивным средам;

термоэлектрическая неоднородность в силу коррозии или иных химических процессов, из-за которых состав немного меняется, вынуждает изменять градуировку; большая длина проводников порождает эффект антенны и делает термопару уязвимой для ЭМ-полей;

качество изоляции преобразователя становится очень важным аспектом если от термопары с заземленным спаем требуется малая инерция.

Термопары из благородных металлов (ПП-платинородий-платиновые, ПР-платинородий-платинородиевые) отличаются наивысшей точностью, наименьшей термоэлектрической неоднородностью нежели термопары из металлов неблагородных. Эти термопары стойки к окислению, потому имеют высокую стабильность.

При температурах до 50 °С они практически дают на выходе 0, поэтому нет надобности следить за температурой холодных спаев. Стоимость высокая, чувствительность малая — 10 мкВ/К при 1000 °С. Неоднородность при 1100 °С — в районе 0,25 °С. Загрязнение и окисление электродов создают нестабильность (родий окисляется при температурах от 500 до 900 °С), и электрическая неоднородность поэтому все же появляется. Пары из чистых металлов (платина-палладий, платина-золото) имеют лучшую стабильность.

Термопары которые широко используются в промышленности — часто из неблагородных металлов. Они недороги и вибростойки. Особенно удобны электроды, герметизированные кабелем с минеральной изоляцией — их можно установить в сложных местах. Термопары отличаются высокой чувствительностью, но термоэлектрическая неоднородность является недостатком дешевых моделей — ошибка может достигать 5 °С.

Периодическая калибровка оборудования в лаборатории бессмысленна, более полезно проверить термопару на месте рабочего монтажа. Самые термоэлектрически-неоднородные пары — нисил/нихросил. Главная составляющая неопределенности — учет температуры холодного спая.

Высокие температуры порядка 2500 °С измеряют вольфрам-рениевыми термопарами. Важно здесь устранить окислительные факторы, для чего прибегают к особым герметичным чехлам с инертным газом, а также к чехлам из молибдена и тантала с изоляцией оксидом магния и оксидом бериллия. И конечно, важнейшая область применения вольфрам-рения — термопары для ядерной энергетики в условиях нейтронных потоков.

Для термопар, конечно, не потребуются трехпроводная или четырехпроводная системы, но нужно будет использовать компенсационные и удлинительные провода, которые позволят передавать сигнал и за 100 метров к измерительному оборудованию с минимальными погрешностями.

Удлинительные провода — из того же металла, что и термопара, а компенсационные (медные) применяются для термопар из благородных металлов (для платины). Компенсационные провода станут источником неопределенности порядка 1-2 °С при большой разности температур, тем не менее для компенсационных проводов есть стандарт МЭК 60584-3.

Термисторы — для небольших диапазонов температур и специальных применений

Термисторы являются своеобразными термометрами сопротивления, только не проволочными, а спеченными в форме многофазных структур, в основе которых смешанные оксиды переходных металлов. Их главное преимущество — малые размеры, разнообразие всевозможных форм, малая инерция, низкая стоимость.

Термисторы бывают с отрицательным (NTC) или с положительным (PTC) температурным коэффициентом сопротивления. Наиболее распространены NTC, а РТС служат для очень узких температурных диапазонов (единицы градусов) в системах мониторинга и сигнализации. Наилучшая стабильность термисторов находится в диапазоне от 0 до 100 °С.

Термисторы бывают по форме дисковыми (до 18 мм), бусинковыми (до 1 мм), пленочными (толщина до 0,01 мм), цилиндрическими (до 40 мм). Термисторные датчики маленького размера позволяют исследоветелям измерять температуру даже внутри клеток и кровеносных сосудов.

Главным образом термисторы пользуются спросом для измерений низких температур благодаря их относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов имеют рабочие температуры до минус 100 °С.

В основном термисторы представляют собой спеченные при температуре около 1200 °С на воздухе сложные многофазные структуры из гранулированных нитратов и оксидов металлов. Самые стабильные при температурах ниже 250 °С — NTC — термисторы из оксидов никеля и магния либо никеля, магния и кобальта.

Удельная проводимость термистора зависит от его химического состава, от степени окисления, от наличия добавок в виде металлов вроде натрия или лития.

Крохотные бусинковые термисторы наносят на два платиновых вывода, затем покрывают стеклом. У дисковых термисторов выводы припаиваются к платиновому покрытию диска.

Сопротивления термисторов выше чем у термометров сопротивления, обычно оно лежит в диапазоне от 1 до 30 кОм, поэтому здесь подходит двухпроводная система. Зависимость сопротивления от температуры близка к экспоненциальной.

Дисковые термисторы лучше всего взаимозаменяемы для диапазона от 0 до 70 °С в пределах погрешности 0,05 °С. Бусинковые — потребуют индивидуальной калибровки преобразователя для каждого экземпляра. Градуируют термисторы в жидкостных термостатах, сравнивая их параметры с идеальным платиновым термометром сопротивления шагами по 20 °С в диапазоне от 0 до 100 °С. Так достигается погрешность не более 5 мК.

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector