Какие типы датчиков температуры обычно используются

Датчики температуры являются важными инструментами в современной технике, научных исследованиях и повседневной жизни. Они позволяют следить за температурным режимом и контролировать его в широком диапазоне настроек. Наиболее популярными типами являются термопары, резистивные датчики температуры (RTD), термисторы (версии NTC и PTC) и датчики температуры на интегральных схемах (IC). Термопары и термометры сопротивления являются наиболее распространенными типами датчиков, используемых на заводах, поскольку они надежны, гибки и могут работать в жестких условиях. Каждый тип датчиков работает по разным принципам, что означает, что они имеют разные преимущества с точки зрения температурного диапазона, точности, времени отклика, стоимости и адаптации к различным средам. Это позволяет инженерам выбирать лучшее решение для конкретной ситуации, например, для управления технологическими процессами, системами HVAC, медицинским оборудованием, автомобильными приложениями и устройствами Интернета вещей.




Термопары



Термопары работают благодаря эффекту Зеебека (термоэлектрический эффект), который возникает, когда два разных металлических проводника соединяются на одном конце, образуя измерительный спай. Незначительная электродвижущая сила (напряжение) создается при наличии разницы температур между горячим (измерительным) спаем и холодным (опорным) спаем. Это напряжение напрямую связано с разницей. Точную температуру можно определить, измерив это напряжение и сделав правильную поправку на температуру эталонного спая.



Термопары могут измерять очень широкий диапазон температур: от -200 градусов до более 2000 градусов, в зависимости от используемых материалов. Это делает их идеальными для очень жарких или очень холодных мест. Они имеют простую и прочную конструкцию, что делает их очень прочными и способными выдерживать удары, вибрацию и суровые ситуации. Термопары также дешевы, не требуют внешнего источника питания для работы и имеют малое время термического отклика, что важно в быстро меняющихся процессах. Но их выходной сигнал довольно мал (обычно в диапазоне микровольт), поэтому им нужна схема усиления, а для обеспечения точности им необходима регулировка холодного спая. Некоторые общие категории:



Тип K (никель-хром/никель-кремний): наиболее распространенный тип, он хорошо работает при температуре от -200 до +1260 градусов, имеет разумную цену и устойчив к окислению.



Тип J (железо/медь-никель): хорошо работает при более низких температурах, примерно до 750 градусов, и широко используется в восстановительных атмосферах.



Тип S (платина-родий/платина): это тип благородного металла, который используется в высокоточных-прецизионных приложениях с высокими-температурами, достигающими 1600 градусов и более. Его используют в печах и самолетах.



Термопары очень важны в отраслях, работающих с высокими температурами, таких как металлургия (выплавка стали), химическая обработка, энергетика (котлы и турбины) и производство стекла.







II. Температурные детекторы сопротивления (RTD)



RTD зависят от того факта, что электрическое сопротивление чистых металлов, таких как платина, изменяется предсказуемым образом при изменении температуры. Сопротивление растет по прямой линии с повышением температуры, следуя таким правилам, как уравнение Каллендара-Ван Дьюзена. Датчик Pt100 (100 Ом при 0 градусах) и Pt1000 — два наиболее распространенных типа.



RTD хороши тем, что они очень точны (обычно ±0,1 градуса или лучше), стабильны во времени и имеют линейный отклик в широком диапазоне температур (обычно от -200 до +660 градусов, но некоторые конструкции могут работать намного выше). По этой причине они лучше подходят для задач, требующих высокой точности, таких как калибровка лабораторий, обработка продуктов питания, изготовление лекарств и управление системами отопления, вентиляции и кондиционирования. Их основные проблемы заключаются в том, что им требуется больше времени на реагирование, поскольку у них больше тепловая масса, они стоят дороже, чем термопары, и им нужен внешний ток возбуждения (источник постоянного тока) для измерения сопротивления без ошибок из-за само-нагрева. Использование трех- или четырехпроводных систем является большим плюсом, поскольку они компенсируют сопротивление проводов и значительно повышают общую точность системы, особенно на больших расстояниях.







III. Термисторы



Термисторы — это датчики, изготовленные из полупроводников, сопротивление которых сильно меняется при изменении температуры. Они делятся на NTC (отрицательный температурный коэффициент, который означает, что сопротивление снижается при повышении температуры) и PTC (положительный температурный коэффициент, который означает, что сопротивление быстро возрастает выше определенной точки).



Термисторы NTC чрезвычайно чувствительны (гораздо более чувствительны, чем термометры сопротивления или термопары), быстро реагируют, имеют небольшой размер и дешевы. Они хорошо работают в диапазоне от -50 до +150 градусов Цельсия (с некоторыми расширенными версиями). Они широко используются в системах управления батареями, автомобильном климат-контроле, бытовой технике (например, холодильниках и духовках) и бытовой электронике. Основная проблема заключается в том, что их температурная кривая сопротивления-весьма нелинейна-, а это значит, что для получения точных показаний вам придется использовать математические вычисления или справочные таблицы. Кроме того, у них возникают проблемы с взаимозаменяемостью, если они не откалиброваны. С другой стороны, термисторы PTC в основном используются для предотвращения перегрева, ограничения пускового тока и саморегулирующихся нагревательных элементов вместо точного непрерывного измерения.







IV. Датчики температуры для интегральных схем (ИС) Датчики ИС сочетают в себе чувствительный элемент, обработку сигнала и иногда аналого--в-цифровое преобразование в одном кремниевом чипе. Они могут отправлять аналоговое напряжение (например, 10 мВ/градус) или цифровые сигналы по таким протоколам, как I²C, SPI или 1-Wire. Некоторые известные бренды — устройства серий LM35, DS18B20 и TMP.



Они имеют низкий уровень ошибок (обычно ±0,5 градуса), быстро реагируют, требуют мало внешних деталей и легко подключаются к микроконтроллерам. Это делает их идеальными для встраиваемых систем, бытовой электроники, узлов Интернета вещей, ПК и портативных устройств. Диапазон температур от -55 до +150 градусов Цельсия ограничивает их использование в очень жарких или очень холодных местах, но их простота использования и способность работать с другими устройствами компенсируют это во многих современных приложениях.







V. Другие типы дополнений Помимо основных контактных датчиков, существует ряд специальных вариантов, отвечающих конкретным целям.



Инфракрасные (бесконтактные) датчики температуры могут измерять температуру, не касаясь объекта, поскольку они видят исходящее от него тепловое излучение. Они отлично подходят для мониторинга высоких температур (например, расплавленных металлов), движущихся целей или опасных мест. Их можно найти в медицинских ушных термометрах, промышленных пирометрах и средствах проверки безопасности пищевых продуктов.



Биметаллические термометры используют разное тепловое расширение двух связанных металлов для перемещения указателя. Это обеспечивает простое и надежное считывание без необходимости питания. Они хорошо работают с простыми домашними термостатами, духовками и не очень точными промышленными датчиками.



Оптоволоконные датчики температуры невосприимчивы к электромагнитным помехам, устойчивы к коррозии и способны работать на больших расстояниях, поскольку они используют оптические функции, такие как затухание флуоресценции или интерферометрия. Они очень важны в таких местах, как подстанции высокого-напряжения, трансформаторы, аппараты МРТ и места, где присутствуют взрывчатые вещества или ядерные материалы.



Короче говоря, при выборе датчика температуры вам нужно подумать о таких вещах, как то, насколько он должен быть точным, насколько широк диапазон температур, как быстро он должен реагировать, сколько он стоит, насколько он должен быть устойчивым к окружающей среде и насколько легко его установить. Термопары — лучший выбор для промышленных операций с очень высокими-температурами, термометры сопротивления — наиболее точные в контролируемых средах, термисторы — лучший выбор для промежуточных диапазонов при низкой стоимости, а датчики на базе интегральных схем упрощают цифровое подключение электроники. Инфракрасное и оптоволокно — это два примера других типов, которые позволяют охватить все отрасли, даже те, к которым невозможно подключиться посредством прямого контакта или электромагнитных помех.