Датчик температуры – традиционная составляющая электроники

Датчик температуры – традиционная составляющая электроники

Наиболее часто в области электроники находят применение датчики определения значений температуры окружающей среды. Такие датчики температуры представлены приборами от простых термостатических включателей-выключателей, контролирующих систему нагрева воды, до высокочувствительных полупроводников, управляющих сложными технологическими установками. Рассмотрим существующие варианты конструкций, которыми наделяется современная электроника, а также электрика.

О температурных датчиках в целом

Разработано и выпускается под применение масса датчиков температуры. Приборы обладают разными характеристиками, чем устанавливаются цели фактического применения. Между тем, датчик температуры в любом случае представляет устройство одного из двух физических типов:

  1. Контактный.
  2. Бесконтактный.

Контактным температурным датчикам присуща физическая связь с измеряемым объектом, как присущ эффект проводимости в момент контроля изменений.

Этот вид сенсоров используется для контроля твердых веществ, жидкостей, газов в широком температурном диапазоне.

Бесконтактные температурные датчики используют принцип конвекции или излучения для контроля температурных изменений.

Приборы используются под контроль жидкостей и газов, излучающих лучистую энергию с повышением температуры или излучающих энергию, передаваемую объектом инфракрасного излучения.

Помимо этой классификации, оба типа датчиков подразделяются по исполнению на устройства:

  • электромеханические,
  • резистивные,
  • электронные.

Термостатическая конструкция (термостат)

Термостат является электромеханическим температурным датчиком (выключателем контактного типа). Основа термостата — два разных металла (например, никель и медь или вольфрам и алюминий и т.п.), соединенные вместе, образующие биметаллическую пластину.

Различные скорости линейного расширения двух разнородных металлов способствуют механическому изгибающему движению, когда биметаллическую пластину подвергают нагреванию.

Биметаллическую пластину допустимо использовать как электрический выключатель или как механический способ управления электрическим выключателем в термостатических элементах управления.

Подобные конструкции широко используется для управления нагревом воды:

  • котлов,
  • печей,
  • резервуаров,
  • радиаторов транспортных средств.

Биметаллический термостат

Биметаллический термостат состоит из двух термически различных металлов, плотно связанных один с другим. Когда термостат находится в холодной среде, контакты замкнуты, ток проходит через образованную цепь.

Конструкция биметаллического датчика
Устройство контактного датчика: 1 – электрический контакт 1; 2 – биметаллическая пластина; 3, 4 – различные металлы; 5 – контактная площадка; 6 – электрический контакт 2; 7 – направление деформации биметалла; 8 – разомкнутая цепь; 9 – поток тепла; 10 – точка крепления

Когда же конструкция термостата нагревается, один из металлов расширяется больше, чем другой за счёт разницы коэффициентов расширения материалов. Биметаллическая пластина сгибается (или разгибается), разрывает контакты цепи, препятствуя протеканию тока.

Существуют два основных типа биметаллических термостатов, основанных главным образом на движении биметаллических пластин при изменении температуры.

При этом есть устройства мгновенного действия и замедленного действия. Первые отличаются быстротой реакции на температурные изменения, вторые обладают замедленным (плавным) действием.

Термостаты мгновенного действия часто можно встретить в конструкциях бытовых приборов:

  • духовок,
  • утюгов,
  • резервуаров воды,
  • систем внутреннего отопления.

Термостаты замедленного действия состоят из биметаллической спирали, которая медленно разжимается или сжимается при изменениях температуры.

Как правило, биметаллические пластины замедленного действия более чувствительны к изменениям окружающей среды, благодаря чему более приемлемы для использования в калибровочных, циферблатных и аналогичных датчиках.

Приборы быстрого действия дёшевы и доступны в широком диапазоне рабочих характеристик. Однако быстродействующие термостаты характерны увеличенным диапазоном гистерезиса (зона между закрытием/открытием контакта).

Например, термостат отрегулирован на 20ºC, но фактически открывается при 22ºC и закрывается при 18ºC.

Термистор как температурный датчик

Термистор тоже относится к ряду температурных датчиков. Название «термистор» сформировано комбинацией двух слов «термический» и «резистор».

Таким образом, это необычный тип резистора, способного менять физическое сопротивление под температурным воздействием.

Термисторы
Классическое исполнение термисторов. Именно в таком виде этот вид электронных компонентов чаще всего встречается в составе электронных плат различных приборов, с указанием на корпусе класса температурного коэффициента

Термисторы обычно изготавливаются на основе керамических материалов:

  • оксида никеля,
  • марганца,
  • кобальта.

Сверху материал термистора покрыт тонким слоем стекла. Основным преимуществом термисторов над переключающими приборами является скорость реакции на малейшие изменения температуры, точность и стабильность действия.

Большинство термисторов наделены отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC). То есть в этом варианте исполнения значение сопротивления термистора снижается с увеличением температуры.

Вместе с тем выпускаются термисторы, наделённые положительным температурным коэффициентом (PTC). Значение сопротивления  в этом случае, соответственно, увеличивается с повышением температуры окружающей среды.

Полупроводниковый материал термистора обычно формируют мелкими прессованными дисками или шарами, тщательно герметизированными, чтобы обеспечивалась относительно быстрая реакция на малые колебания температуры.

Термисторы оцениваются следующими показателями:

  • резистивным значением при комнатной температуре (25°C),
  • постоянной времени (время реакции),
  • номинальной мощностью по отношению к проходящему току.

Как и постоянные резисторы, термисторы наделяются значениями сопротивления при комнатной температуре в диапазоне от нескольких Ом до десятков МОм.

Для целей измерения, как правило, используются экземпляры, имеющие сопротивление в несколько кОм.

Термисторы следует рассматривать пассивными резистивными устройствами. То есть, чтобы получить измеримое выходное напряжение, необходимо через прибор пропускать электрический ток.

При построении схем термисторы обычно соединяются последовательно с резистором смещения для формирования делителя потенциалов.

Подбором конкретного резистора определяется выходное напряжение в некоторой заранее определенной точке температуры.

Пример термисторного датчика

На схеме примера термистор имеет значение сопротивления 10 кОм при 25ºC и значение сопротивления 100 Ом при 100ºC.

Нужно рассчитать падение напряжения на термисторе и, следовательно, выходное напряжение (Vвых) для обеих температур при последовательном соединении с резистором 1 кОм через источник питания 12 В.

Схема включения датчика
Пример схемы включения датчика: +V – напряжение питания (12 В); R1 – термистор с отрицательным температурным коэффициентом; R2 – резистор смещения; V темп – напряжение, соответствующее конкретной температуре; ОУ – операционный усилитель; V вых – напряжение выхода

Пример расчёта под Т= 25ºС, R2=10 кОм, при напряжении питания схемы 12 В:

V вых = R2 / (R1 + R2) * xV;

В цифрах:  (1000 / (10000 + 1000) * x * 12 = 1.09 В

Пример расчёта под Т= 100ºС, R2=100 Ом, при напряжении питания схемы 12В:

В цифрах:  (1000 / (100 + 1000) * x * 12 = 10.9 В

Изменяя фиксированное значение резистора R2 (в примере 1 кОм) потенциометром или предварительной установкой, можно получить выход напряжения при заданной температуре.

Например, если на выходе напряжение 5 В соответствует 60°С, тогда изменением потенциометром конкретного уровня выходного напряжения можно получить  более широкий температурный диапазон.

Между тем, термисторы являются нелинейными устройствами. Стандартные значения сопротивления при комнатной температуре различны для отдельных термисторов. Это обусловлено, главным образом, полупроводниковыми материалами, из которых приборы сделаны.

Термистор реагирует на экспоненциальное изменение и, следовательно, имеет константу бета-температуры, которая может быть использована для расчета сопротивления под любой заданный параметр окружающей среды.

Однако при использовании в схеме с последовательным резистором (например, в делителе напряжения или устройстве с мостом Уитстона) ток, полученный в ответ на напряжение, подаваемое на делитель (мост), линеаризуется с температурой. Соответственно, выходное напряжение на резисторе также линеаризуется.

Резистивные температурные датчики (RTD)

Другим типом измерительного датчика с электрическим сопротивлением является резистивный температурный датчик (RTD). Это прецизионные датчики температуры, изготовленные из высокочистых проводящих металлов:

  • платины,
  • меди,
  • никеля.

Электрическое сопротивление таких приборов изменяется в зависимости от температуры, аналогично термистору. Также доступны тонкопленочные RTD. Эти устройства имеют тонкую пленку платиновой пасты, осажденную на белую керамическую подложку.

Резистивный температурный датчик
Структурная схема одного из вариантов резистивного датчика: 1 – свинцовая пломба; 2 – оболочка зонда; 3 – изолированный пакет проводов; 4 – RTD сенсор; 5 – термо-карман; 6 – пружинные крепления; 7 – съёмный стопор; 9 – терминальный блок; 9 — наконечник

Резистивные датчики имеют положительные температурные коэффициенты (PTC), но в отличие от термистора, выход этих приборов предельно линейный. Поэтому получаются очень точные параметры измерения.

Тем не менее, приборы PTC имеют очень слабую тепловую чувствительность. То есть изменение температуры приводит к очень малым изменениям на выходе, например, 1 Ом на градус.

Широко распространённые RTD сделаны на основе платины и называются «Platinum Resistance Thermometer» — PRT. Часто встречающийся представитель PRT — датчик Pt100.

Прибор обладает стандартным значением сопротивления 100 Ом при 0ºC. Однако платина дорогая, соответственно этот тип устройства также является дорогостоящим.

Как и термистор, RTD пассивные резистивные устройства. Путём пропускания постоянного тока через этот тип датчика можно получить выходное напряжение, линейно возрастающее с температурой.

Типичный RTD имеет базовое сопротивление около 100 Ом при 0ºC, увеличиваясь примерно до 140 Ом при 100ºC. Общий поддерживаемый диапазон рабочих значений RTD простирается от -200 до + 600ºC.

Поскольку RTD является резистивным устройством, необходимо пропускать через него ток и контролировать результирующее напряжение.

Тем не менее, любая вариация сопротивления, обусловленная нагреванием резистивных проводников при протекании через них тока (Закон Ома) вызывает ошибку в показаниях.

Чтобы этого избежать, RTD обычно подключается к схеме через мост Уитсона, который имеет дополнительные соединительные провода для компенсации. Или же применяется подключение к источнику постоянного тока.

Термопары как измерительные датчики

Термопара представляет наиболее распространенный вид температурных датчиков. Термопары популярны благодаря нескольким факторам:

  • несложному устройству,
  • простоте использования,
  • скорости реакции,
  • малогабаритным размерам.

Термопары обладают непревзойденно широким температурным диапазоном среди всех существующих температурных датчиков (от -200ºC до 2000ºC).

Этот вид термоэлектрических датчиков традиционно строится на соединении двух разнородных металлов — меди и константана, которые свариваются или сжимаются в единый спай.

Конструкция термопары
Принцип действия термопары: J1 – горячий спай; J2 – холодный спай; 1 – металл железо; 2 – металл константан; 3 – поток тепла; V1, V2 – разница напряжений; Vвых – напряжение выхода

Одна часть соединения называется эталонным (холодным) спаем. Другая часть — измерительным (горячим) спаем. Когда оба контакта находятся под разными температурами, на стыке используется напряжение, которое используется для измерения температурного датчика, как показано ниже.

Конструкция термопар

Принцип работы термопары прост. Слияние двух разнородных металлов образует «термоэлектрический» эффект, который дает постоянную разность потенциалов всего в несколько милливольт (мВ).

Разность напряжений между двумя переходами называется «эффектом Зеебека». Поскольку градиент температуры генерируется вдоль проводящих контактов, создающих ЭДС, выходное напряжение термопары становится зависимым от изменений окружающей среды.

Если оба контакта находятся при одинаковой окружающей среде, разность потенциалов на двух переходах равна нулю. Другими словами, напряжение отсутствует, когда V1 = V2. Однако если соединения подключены внутри схемы и находятся под разными температурами, ситуация меняется.

Появляется выход напряжения относительно разницы значений между двумя переходами V1 — V2. Это различие в напряжении будет увеличиваться с температурой до тех пор, пока не будет достигнут пиковый уровень напряжения перехода. Этот момент будет определяться характеристиками двух разных разнородных металлов.

Исполнение датчика термопары
Конструкция одного из вариантов датчика на термопаре: 1 – спай; 2 – специальная проводка типа «J»; 3 – оболочка их нержавеющей стали; 4 – настраиваемый уплотнительный фитинг; 5 – армирование из нержавеющей стали

Термопары изготавливаются из различных материалов, что позволяет измерять экстремальные температуры в диапазоне от -200°С до + 2000°С.

Благодаря такому большому выбору материалов и диапазону измерений, были разработаны международно-признанные стандарты в комплекте с цветовыми кодами термопары.

Цветовые коды позволят пользователю выбрать правильный датчик на базе термопары для конкретного применения. Ниже в качестве примера приведена таблица с британским цветовым кодом стандартных термопар:

Код Проводники + / — Рабочий диапазон, °C Маркировка цветом
E нихром / константан — 200 … + 900 коричневый
J железо / константан 0 …+ 750 чёрный
K нихром / алюмоникель — 200 … + 1250 красный
N никросил / нисил 0 … + 1250 оранжевый
T медь / константан — 200 … + 350 синий
U Медь / никелин 0 … + 1450 зелёный

Три наиболее распространенных термопарных материала, используемые для общего измерения окружающей среды:

  • железо-константан (тип J),
  • медь-константан (тип T),
  • никель-хром (тип K).

Выходное напряжение от термопары очень мало, всего несколько милливольт (мВ) для изменения разности температур на 10°C. Поэтому по причине малого напряжения, на выходе обычно требуется какая-нибудь форма усиления.

Схемы усиления для термопары

Тип усилителя, дискретного или операционного, необходимо тщательно подбирать, поскольку для предотвращения повторной калибровки термопары с частыми интервалами требуется хорошая стабильность дрейфа.

Это делает предпочтительным применение модулятора и усилителя измерительного типа для большинства применений температурного зондирования.

Другие приборы подобного типа

Другие типы датчиков, не упомянутые здесь, включают в себя:

  • полупроводниковые контактные датчики,
  • инфракрасные датчики,
  • датчики теплового излучения,
  • термометры медицинского назначения,
  • индикаторы цветных чернил или красителей.

 


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *