В современном мире присутствует огромное количество технических приспособлений, способных измерить температуру физического объекта. Если рассматривать микроконтроллерные проекты, в их реализации используются датчики, выбор которых не является сложным. При выборе необходимо ориентироваться на главные принципы измерения. Данная статья посвящена описанию распространенных типов датчиков температуры, с помощью которых функционируют автоматические измерительные системы.
Датчик температуры CAREL
Самый популярный и конструкционно простой тип температурного датчика – термометр сопротивления, в действие которого заложено изменение удельного сопротивления металлического элемента под температурным влиянием. Из этого следует, что увеличение температуры приводит к увеличению сопротивления используемой в приборе металлической конструкции, в роли которой зачастую выступает провод. Данную зависимость характеризует температурный коэффициент сопротивления. Металлы всегда имеют коэффициент с положительным знаком.
Схема термометра сопротивления
Термометр сопротивления выполнен в виде небольшой катушки, на которую намотан платиновый или медный провод. При этом сама катушка находится в защитном кожухе. Чтобы получить точные измерения, провод должен быть максимально длинным. В качестве стандарта выступает нулевое сопротивление термометра – сопротивление под воздействием температуры нуль градусов по Цельсию. Промышленные экземпляры имеют нулевое сопротивление пятьдесят, сто, пятьсот или тысячу Ом. Маркировка термометров происходит с учетом материала изготовления провода и нулевой температуры. К примеру, большая популярность коснулась платиновых (Pt100 и ТСП100) и медных (ТСМ100) датчиков. Варианты Pt100 и ТСП100 отличаются по характеристикам.
Термометрами сопротивления измеряются температуры в диапазоне от минус пятидесяти до плюс двухсот градусов по Цельсию. Их преимущества заключаются в высокоточных измерительных показателях и доступности. Используемые в промышленности экземпляры имеют погрешность в пределах 0,1 градуса. При задействовании термометров сопротивления разрабатываются специальные схемы, на основании которых определяется высокоточное сопротивление измерительного прибора.
Функционирование терморезисторов похоже на термометры сопротивления. Главной отличительной характеристикой этих датчиков является технология изготовления и конструкционная специфика. Внешне терморезисторы имеют схожие с традиционными резисторами черты. Нужно сказать о существовании позисторов и термисторов. Первые имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, а вторые – отрицательный.
Значение нулевого сопротивления прибора может быть равно не одному десятку килоом. Терморезисторы применяют как термометры сопротивления. Главным их недостатком является отсутствие существенной линейности параметров элементов.
Терморезисторы
Термопара функционирует на основе формирования термической электродвижущей силы в области соприкосновения металлических предметов, имеющих разную структуру. Данная сила представляет собой температурную разницу основного металла и области спая. Через так называемый "холодный" конец (основной металл) измерительное устройство соединяется с проводником. На территории Российской Федерации наиболее распространенными металлическими парами являются:
На выходе из термопары поступает напряжение, измеряемое в микровольтах. Из этого следует, что полноценные измерения возможны только с применением усилителя. Следующий нюанс задействования термопар – компенсация температуры места спайки. В целом термопара выполнена в виде спая проводников разной структуры. Проводники соединяются с измерительным прибором в точках, похожих на спай, благодаря которому измерение имеет погрешность. С целью включения погрешности рядом с контактными точками необходима установка вспомогательного температурного датчика. Разница показаний двух датчиков дает реальную измерительную величину. Также соединительные провода должны быть специальными: для их изготовления применяют материал, аналогичный материалу термопары. Если не придерживаться данного требования, можно столкнуться с увеличением измерительной погрешности. Причиной тому являются дополнительные спаи.
Внешний вид термопары
Принцип работы термопары
Преимущество термопар заключается в возможности проведения высокотемпературных измерений. В частности, термопары типа хромель-алюмель могут измерять температуру в диапазоне -180...+1300 градусов Цельсия. Вместе с тем отдельные модели способны измерять температуру около 1,8 тысячи градусов по Цельсию. Большой измерительный диапазон термопар подкрепляется существенным измерительным отклонением, которое составляет один градус Цельсия. При измерении значительного температурного диапазона необходимо обратить внимание на характеристику нелинейности термопары.
От температуры может зависеть состояние не только металлических элементов, но и электронно-дырочного перехода, который более известен как p-n-переход. Если электрический ток имеет прямое направление, напряжение в области соприкосновения полупроводников уменьшается почти на два микровольта при температурном изменении на один градус Цельсия. Такая зависимость позволяет измерять температуру в пределах -55...+150 градусов Цельсия. Возможно использование датчиков в виде традиционных диодов или транзисторного p-n-перехода. Схематические использование таких приборов похоже на применение терморезисторов. Нужно сказать и о существовании специализированных экземпляров в виде завершенных измерительных приборов, имеющих на выходе пропорциональный температуре аналоговый сигнал. Подобные разработки хорошо взаимодействуют с цифро-аналоговыми преобразователями микросхем. Помимо аналоговых датчиков, допускается использование полупроводниковых микроконтроллеров, наделенных интегрированным цифро-аналоговым преобразователем и цифровым коммуникационным интерфейсом типа 1-Wire, I2C или SPI. Благодаря таким датчикам возможна организация самых простых схем, однако их точность подвергается сомнениям.
Полупроводниковый датчик температуры
Температурные датчики могут строиться и на основе других принципов. Автоматические системы зачастую оснащают датчиками-сигнализаторами контактного типа. Они могут действовать абсолютно по-разному. За реализацию исходящего сигнала отвечает механический контакт, который достигается в условиях определенного температурного воздействия. Наибольший интерес представляет пирометр, который является датчиком излучения. Такой прибор измеряет энергию, которую определенный физический объект передает окружающей среде. Преимуществом устройства можно считать отсутствие контакта, однако его точность находится на относительно низком уровне. Большая часть пирометров является сложными приборами, имеющими высокую стоимость. Отметим, что в последние годы рынок насытился компактными датчиками, которые характеризуют разнотипные выходы.
Изначально при выборе температурного датчика необходимо определиться с диапазоном измерения. При выборе нескольких экземпляров можно задействовать следующее правило: взятое за номинал значение должно попадать в область шкалы от пятидесяти до семидесяти процентов. В частности, термопара окажется не совсем подходящим прибором для использования в жилом помещении. Вместе с тем она окажется эффективной при измерении температуры, равной двумстам градусам Цельсия и выше.
После этого необходимо уделить внимание точности измерений. Если проектные условия допускают погрешность до одного градуса Цельсия, в таком случае лучше остановить выбор на термометре сопротивления. В силу редкости предъявления требований к максимальной точности прибора оптимальным вариантом для бытового использования является датчик на основе полупроводников, погрешность которого может составлять один градус Цельсия.
Также при выборе датчика возникает потребность в определении его конструктивных характеристик. На сегодняшний день рынок предлагает всевозможные варианты реализации измерительной составляющей, а также методики соединения с процессом. Кроме того, выбор подходящего датчика может зависеть от инерционности. Для измерения инерционности берутся секунды. Благодаря ей появляется возможность определить скорость воздействия изменения температуры окружающего пространства на исходящий сигнал прибора. Не учитывающие данный параметр пользователи зачастую сталкиваются с погрешностями функционирования схемы, а также прочими неприятными последствиями (например, в случае использования показаний термодатчика в манипуляциях с оборудованием).
Copyright © 2024
ООО «Балтик-Компани»
