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:
- 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.
- Кремневые резистивные датчики. Преимущества этих датчиков —хорошая линейность и высокая долговременная стабильностью. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.
- 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:
- 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.
- 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.
- 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.
6.Классификация датчиков температуры по принципу действия и области применения.
Температура— физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.
Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственнои судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.).
Методы и приборы для измерения температуры разделяют на две группы: бесконтактные и контактные.
Бесконтактные методы измерения температуры используют тепловое излучение, имеющее место в любых телах при любых температурах. При этом нет необходимости в механическом контакте датчика и измеряемой среды. Приборы, основанные на таком принципе, называютсяпирометрами.
Более широко распространены контактныеметоды измерения температуры, требующие непосредственного контакта датчика со средой измерения. Здесь, по принципу действия приборы для измерения температуры подразделяются на следующие группы:
биметаллические и дилатометрические, использующие свойство теплового расширения твердых тел;
манометрические, использующие зависимость между температурой и давлением газа, жидкости или пара в замкнутом объеме;
термометры сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления вещества от его температуры;
термоэлектрические, действие которых основано на измерении термо-эдс, создаваемой термопарой из двух разнородных проводников.
Биметаллические и дилатометрические датчики. Данные типы датчиков широко применяются в системах контроля и регулирования температуры воздуха, жидкостей и газообразных сред. В основу построения датчиков положено упругое изменение линейных размеров рабочего тела при изменении температуры (дилатометрический эффект). Перемещение свободного конца рабочего тела относительно закрепленного преобразуется в выходной сигнал с помощью любого преобразователя перемещений. Наиболее часто для этих целей используются электрические контакты.
В биметаллических датчикахв качестве чувствительного элемента используется пластинка или спираль, состоящая из двух, сваренных по всей длине, металлических пластин с разными коэффициентами температурного линейного расширения. При нагревании пластинки она изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом температурного расширения, и замыкают или размыкают электрические контакты. Для более резкого срабатывания контактов в этих датчиках применяют постоянные магниты, которые притягивают пластинку сразу после того, как при определенной температуре она достигнет заданной степени деформации.
Биметаллические датчики температуры широко используются в системах управления температурой воздуха и воды. Также они применяются в качестве сигнализаторов аварийной температуры в системах охлаждения всех двигателей внутреннего сгорания.
Манометрические датчики температуры. Принцип действия манометрических термометров основан на свойстве жидкостей и газов изменять объем при нагревании или охлаждении.
На этом принципе созданы простые, надежные в эксплуатации датчики, нечувствительные к внешним магнитным полям, позволяющие измерять температуру различных сред дистанционно, без использования источников дополнительной энергии
Термометры сопротивления. Принцип действия термометров сопротивления(терморезисторов) основан на зависимости электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры. На использовании этого принципа основана работа датчиков температуры, называемыхтермометрами сопротивления. Термометр сопротивления состоит из катушки провода, включенной в измерительную цепь.
Катушка представляет собой проволочное сопротивление, намотанное на покрытую керамикой трубку. Затем она также покрывается керамикой и монтируется в защитную трубку.
Время реакции такого датчика на изменение температуры достаточно велико, часто порядка нескольких секунд, так как нет хорошего теплового контакта между катушкой и средой, температуру которой необходимо измерить.
Металлами, которые применяются для изготовления катушек термосопротивлений, являются платина, никель, медь.
Платина имеет почти линейную зависимость сопротивления от температуры, дает хорошую воспроизводимость, стабильность и обеспечивает точность ±0.5% в диапазоне температур -200. 850°С. Она относительно инертна и может использоваться в широком диапазоне условий без ухудшения характеристик, но она более дорогая, чем многие другие металлы. Однако это наиболее широко используемый металл. В последнее время в системах автоматики широкое распространение получили полупроводниковые термосопротивления(терморезисторы), температурный коэффициент которых на порядок выше, чем у металлов. Кроме этого полупроводниковые терморезисторы имеют значительно меньшие размеры, чем проволочные, и, соответственно, значительно меньшую тепловую инерционность.
Полупроводниковые терморезисторы представляют собой кусочек полупроводникового вещества (обычно смесь окислов кобальта и марганца или меди и марганца) с двумя выводами, который помещается в защитный металлический стеклянный или пластмассовый корпус.
По виду статических характеристик полупроводниковые терморезисторы подразделяются на два типа: термисторы и позисторы.
У
термисторов(рис. а) при нагревании сопротивление, в отличие от металлов, уменьшается, а упозисторов(рис.б) увеличивается. В любом случае зависимость сопротивления терморезистора от температуры являетсянелинейной. На принципиальных электрических схемах терморезисторы показываются условным графическим знаком, приведенным на рис.в.
Термоэлектрические датчики (термопары). Термоэлектрическим датчиком ( термопарой) называется цепь из двух разнородных проводников, концы которых электрически соединены
При нагревании одного из спаев в цепи возникает термоэлектрическая эдс, пропорциональная только разности температур спаев 
. Термо-эдс не зависит от диаметра или длины проводников и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Нагрев или охлаждение любого участка цепи, кроме спаев, не сказывается на величине термо-эдс. Спай 2, погружаемый в контролируемую среду, называют рабочим (горячим) концом термопары, спай 1 – свободным (холодным) концом. Существует большое количество разнообразных конструкций термопар. Промышленные термопары состоят из защитной металлической трубки, внутри которой находится горячий спай, а концы термоэлектродов выведены на клеммную колодку вверху трубки.
Бесконтактные датчики температуры. Бесконтактные датчики температуры носят название пирометра. Пирометр – прибор, предназначенный для измерения температуры тел по их тепловому излучению. Принцип действия инфракрасных пирометров основан на измерении абсолютного значения излучаемой энергии одной волны в инфракрасном спектре. На сегодня это относительно недорогой бесконтактный метод измерения температуры.
Классификация и области применения датчиков
В основу классификации датчиков положены характерные признаки, по которым можно выделить следующие группы.
1. По измеряемой физической величине. Это самая обширная группа датчиков, т.к. в технических измерениях, в том числе при контроле и диагностировании, измерению подвергаются около 200 физических величин. Пример: датчики температуры, давления, перемещения, скорости, ускорения, усилия, расхода, уровня, вибрации и т.д. и т.п.
2. По принципу действия, на котором основано функционирование датчика:
а) термопреобразователи: термометры сопротивления (изменение сопротивления металлов Pt, Ni, Cu), термопары (термо ЭДС), полупроводниковые терморезисторы, датчики инфракрасного излучения и т.д.;
б) пьезоэлектрические преобразователи (вибраций, сил, давлений);
в) тензопреобразователи для измерений деформаций и механических напряжений;
г) фотоэлектрические (оптические) датчики (на фотодиодах, светодиодах, лазерах);
д) индуктивные, индукционные, датчики Холла;
е) механические датчики (индикаторные головки);
ж) электромеханические (тахометры, расходомеры);
з) потенциометрические (датчики угла поворота и перемещения);
и) емкостные (датчики перемещения, уровня, влажности, шероховатости);
к) контактные (тактильные): электроконтактные, виброконтактные – датчики положения, позиции на объекте измерения, контроля и диагностирования.
3. По выходному сигналу: аналоговые, цифровые (кодовые), импульсные.
4. По технологии изготовления:
а) традиционная технология: электромеханические датчики, электрические, электровакуумные и т.д.;
б) современная полупроводниковая микроэлектронная технология. Например, объемные кристаллы и пленочные, используемые в виде микросхем, которые напрямую стыкуются с цифровыми микросхемами для дальнейшей обработки сигнала – датчик Холла, гидисторы, термисторы.
В качестве примера применения современных датчиков рассмотрим подробнее измерительные и контрольные устройства, реализованные на базе датчиков Холла и датчиков давления.
Датчики Холла
Современная реализация датчиков Холла осуществляется на базе магнитоуправляемых интегральных логических микросхем серии К1116. Эти микросхемы представляют собой особый класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на изменении сигнала на их выходе при воздействии внешнего магнитного поля. Иначе говоря, эти микросхемы выполняют функции электронных ключей, управляемых магнитным полем.
Перспективность использования датчиков Холла в интегральном исполнении на основе магнитоуправляемых микросхем подтверждается тем, что они находят широкое применение в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках электрического тока и напряжения, скорости и направления вращения, угла поворота и конечного положения исполнительных устройств, расхода жидкости и газа в ТП и т.д. Их также используют в бесконтактных (вентильных) электродвигателях, устройствах аварийной и охранной сигнализации, бесконтактных системах электронного зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, системах автостопа в бытовой радиоаппаратуре, в металлоискателях и дефектоскопах, в электронных предохранителях, в клавиатуре промышленных компьютеров и пультов управления ТОУ и т.д. и т.п.
Основные преимущества магнитоуправляемых микросхем (МУМС) по сравнению с другими преобразователями физических (неэлектрических) величин – простота обеспечения практически идеальных механической, электрической, тепловой и других видов развязки измерительных и управляющих цепей от объектов контроля, а также большой динамический диапазон и возможность непосредственного сопряжения со стандартными цифровыми микросхемами.
Микросхемы серии К1116 представляют собой устройства малой степени интеграции, содержащие в одном кремниевом кристалле преобразователь магнитного поля и электронное устройство усиления и обработки сигнала. Преобразователем магнитного поля служит интегральный 4-электродный элемент Холла, принцип действия которого основан на возникновении на двух продольных электродах ЭДС, прямо пропорциональной произведению напряженности магнитного поля на ток, протекающий через поперечные электроды. Микросхемы изготовляют по эпипланарной технологии и оформляют в 3–5 – выводном пластмассовом корпусе с жесткими плоскими выводами. Внешний вид и чертежи корпуса показаны на рис. 4.2. Штрихпунктирным квадратом на чертежах обозначено размещение зоны чувствительности элемента Холла (например, размеры зоны у микросхем К1116КП9 и К1116КП10 – 1,5´1,5 мм). Функциональная схема типовой микросхемы, позволяющая реализовать чувствительный элемент датчика Холла, представлена на рис. 4.3. По реакции на воздействие внешнего магнитного поля микросхемы подразделяют на униполярные, уровень напряжения на выходе которых зависит от значения индукции магнитного поля одной полярности, и биполярные, уровень выходного напряжения которых зависит как от значения индукции, так и от знака (полярности) воздействующего магнитного поля.
Рис. 4.2. Внешний вид корпусов микросхем серии К1116
Рис. 4.3. Функциональная схема типовой микросхемы
Униполярные микросхемы К1116КП1, К1116КП3, К1116КП9, К1116КП10 имеют прямой выход, сигнал на котором в отсутствие магнитного поля соответствует уровню логической «1» (рис. 4.4, а). При повышении индукции внешнего магнитного поля до значения в>всраб происходит переключение микросхемы и уровень сигнала на ее выходе скачком изменяется до логического «0». Униполярная микросхема К1116КП2 имеет инверсный выход, на котором уровень логической «1» появляется при воздействии магнитного поля с индукцией В>Всраб (рис. 4.4, б). Характеристика переключения для биполярных микросхем К1116КП4, К1116КП7 и К1116КП8 представлена на рис. 4.4, в.
С повышением температуры униполярных микросхем происходит увеличение значения индукции срабатывания/отпускания (рис. 4.4, г). С повышением температуры биполярных микросхем индукция срабатывания отпускания уменьшается. Температурный коэффициент изменения индукции срабатывания и отпускания лежит в пределах от 0,01 до 0,05 мТл/°С в зависимости от типа микросхемы.
Повышенная помехоустойчивость микросхем обеспечена наличием гистерезиса (с индукцией 3. 9 мТл) на характеристике переключения.
Микросхемы серии К1116 рассчитаны на сопряжение с цифровыми интегральными микросхемами видов РТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ, И 2 Л и структуры КМОП. Одна из возможных схем сопряжения показана на рис. 4.5.
Разработчику аппаратуры и устройств с МУМС следует учитывать, что воздействующее магнитное поле должно быть направлено перпендикулярно лицевой поверхности микросхем. Должны быть приняты меры защиты микросхемы от воздействия постороннего магнитного поля (напряженность которого превышает 1 мТл), а также от помех и пульсаций по цепи питания микросхем. Амплитудное значение пульсаций и паразитных сигналов в цепи питания не должно превышать 50 мВ.
Рис.4.4. Характеристики микросхем серии К1116
Рис.4.5. Схема сопряжения микросхем серии К1116 с ТТЛ – микросхемами
Микросхемы серии К1116 отличаются высокой надежностью (интенсивность отказов – не более 3×10 -7 ч –1 ), продолжительным сроком службы (50000 ч) и невысокой стоимостью.
МУМС служат основным элементом магнитных датчиков (датчиков Холла), используемых в устройствах самого разнообразного назначения. В настоящее время наиболее широкое распространение получили универсальные магнитные датчики положения (позиции) и перемещения (рис.4.6, а, б). Конструкция датчиков может быть различной, но они всегда содержат преобразователь магнитного поля (в нашем случае – магнитоуправляемую микросхему на основе элемента Холла) и магнитную систему, разомкнутую или замкнутую. Магнитная система может быть составной частью датчика, а может включать в себя и те или иные элементы контролируемого объекта.
Простейший датчик состоит из МУМС и постоянного магнита, укрепленного на подвижном звене контролируемого объекта. При сближении магнита и МУМС на некоторое расстояние индукция магнитного поля становится достаточной для срабатывания микросхемы. Удаление магнита приводит к ее переключению в исходное состояние. При разработке датчиков учитывают известные закономерности действия магнитного поля, характеристики постоянных магнитов, а также влияние элементов конструкции на параметры датчиков.
На рис. 4.6, а изображена конструкция клавишного модуля с беспружинным возвратом в исходное состояние. В исходном состоянии на выходе МУМС уровень либо «0», либо «1». При нажатии на клавишу подвижный магнит опускается, изменяется взаимное расположение полюсов магнитов и уменьшается значение магнитной индукции в зоне микросхемы. В крайнем нижнем положении магниты обращены один к другому одноименными полюсами. Магнитный поток, воздействующий на микросхему, становится минимальным и она переключается. При отпускании клавиши взаимодействие магнитных полей магнитов возвращает ее в исходное положение и фиксирует в нем. МУМС переключается в первоначальное состояние.
Бесконтактная клавиатура с применением МУМС обладает высокой надежностью, отсутствием дребезга контактов и высокой помехоустойчивостью.
Вариант конструкции датчика перемещения показан на рис. 4.6, б. При перемещении в рабочем зазоре датчика шторки из ферромагнитного материала, имеющей сквозные окна (отверстия), на выходе МУМС происходит смена уровней напряжения. Действие шторки основано на экранировании магнитного потока ферромагнитным материалом. Шторка может быть выполнена в виде стакана, пластины, диска, крыльчатки и т. п. Подобный датчик с вращающейся цилиндрической шторкой использован в бесконтактном прерывателе электронной системы зажигания двигателя автомобиля. Такой прерыватель имеет высокую надежность работы и долговечность. Датчик Холла с вращающейся крыльчаткой используется в тахометрических (турбинных) расходомерах технологических жидкостей с повышенными эксплуатационными свойствами.
Если на шторке расположить несколько рядов окон в порядке, соответствующем коду Грея, то с использованием соответствующего числа МУМС и магнитов можно реализовать 5-8-разрядный кодовый датчик линейного перемещения или датчик «частота вращения – код». В отличие от фотоэлектрического датчика магнитный не требует сложной оптической системы, более надежен и экономичен.
Широкое применение получило использование МУМС в качестве датчиков положения роторавентильных (бесколлекторных) электродвигателей. Устройство такого электродвигателя схематически представлено на рис. 4.7. Чаще всего датчик положения ротора представляет собой неподвижное кольцо из немагнитного материала, на котором равномерно по окружности установлены 2, 3 или 4 МУМС (в зависимости от числа секций обмотки возбуждения). Микросхемы попадают в зазоры вращающейся вместе с валом системы управляющих магнитов. Ротором электродвигателя служит многополюсный постоянный магнит, а многосекционная обмотка возбуждения играет роль статора. Вращающее магнитное поле обмоток возбуждения формируется бесконтактным коммутатором по командам датчика положения ротора. При этом одна микросхема управляет, как правило, одной из секций обмотки возбуждения.
Использование МУМС в датчике положения ротора обеспечивает возможность управления частотой вращения вентильных электродвигателей в очень широких пределах – от нескольких оборотов в минуту до 60 000. Такие двигатели весьма перспективны для прямого исполнительного привода электромеханических устройств автоматики ТОУ и компьютерной техники, так как обладают большим сроком службы (до 10000 ч), компактны и бесшумны; их КПД достигает 70 %.
С применением МУМС созданы бесконтактные электронные реле. Магнитная система и обмотка такого реле принципиально такие же, как и у обычного электромагнитного, но якорь и связанные с ним контакты отсутствуют. Их заменяют микросхема, установленная в зазоре магнитопровода, и транзисторный усилитель тока. Исполнительный узел реле, выполненный на мощных транзисторах или тиристорах, может быть рассчитан на большой коммутируемый ток (или напряжение). При этом размеры реле остаются относительно небольшими.
Рис.4.6. Датчики Холла положения (а) и перемещения (б) на основе МУМС
Рис.4.7. Устройство датчика положения ротора электродвигателя
Рис.4.8. Применение датчика Холла в схеме защиты от токовых перегрузок
Аналогичные устройства могут быть использованы для электронной защиты цепей питания аппаратуры от перегрузки и замыканий. При необходимости защиты сильноточных цепей (до 1000 А) может быть использовано устройство, конструкция которого изображена на рис. 4.8. Вокруг провода контролируемой цепи располагают кольцевой концентратор, выполненный из трансформаторной стали. В зазор концентратора помещают МУМС. Превышение тока через контролируемый проводник сверх установленного порога приводит к переключению микросхемы и срабатыванию исполнительного устройства. Достоинствами таких релейных устройств являются полная развязка управляющих и исполнительных цепей, высокое быстродействие (десятые доли микросекунды) и искробезопасность.
Если на краю дверцы блока электроавтоматики ТОУ закрепить магнит, а в соответствующем месте на корпусе – МУМС, то можно реализовать защитное устройство, предотвращающее несанкционированное открываниеблока. Такое же устройство, смонтированное на микроволновой печи, не позволит включить ее при открытой дверце. Легко представить себе конструкции поплавковых датчиков уровня технологической жидкости с использованием МУМС.
Следует отметить, что МУМС могут быть использованы во многих случаях, в которых применяют герконы. Однако по сравнению с герконами магнитоуправляемые микросхемы обладают меньшими размерами, большей механической прочностью и устойчивостью, отсутствием дребезга контактов при переключении, высокими быстродействием (в 10 раз выше) и надежностью.
Интересные возможности предоставляет применение МУМС в дефектоскопии. Как пример, можно привести конструкцию головки для искателя оборванных проволок в канате. Эти приборы очень нужны горнякам, строителям, эксплуатационникам канатных дорог, лифтов, цеховых кранов, подъемников и т.д.
Виды датчиков температуры и принцип их работы
Датчики измерения температуры используются для контроля веществ в твердом, жидком или газообразном состоянии. В зависимости от целей применения, схема строения прибора будет видоизменяться. Но чтобы выбрать подходящий инструмент необходимо обращать внимание на одни и те же нюансы.
Виды, конструкция и принципы действия
Термопара
Датчик включает в себя две проволоки из разных металлов, спаянных между собой. Для отношения концов друг с другом в зоне постоянной температуры, в конструкцию добавляют удлиняющие провода из двух металлов. Когда на концы проводов действуют разные температуры (например, при помещении датчика в горячую воду), то в цепи появляется электрический ток. Сила возникшего тока (от 40 до 60 мкВ) зависит от используемого материала термопары, который влияет на термоэлектрическую силу прибора.
В практике можно встретить железоникелевые, хромоалюминиевые, медно-константановые и так далее. В дешевых моделях используются неблагородные металлы (аналогичных термоэлектродам) для удлиняющих проводов, а в дорогих – благородные металлы, которые способы развивать аналогичную термо-ЭДС, что и электроды (необходимо для уменьшения стоимости высококлассным приборов).
Термопара относится к датчикам с высокой точностью. Проблемой устройства является сложность получения замеренного значения. Термопара действует по принципу относительности отличия температур между разъемами. Горячий спай помещается в замеряемое вещество, а холодный остается находиться в окружающей среде.
При необходимости использования термопары работа проводится следующим образом. Температуру холодного спая необходимо компенсировать, для чего вторую термопару помещают в среду с известным показателем.
Если используется программный способ компенсации, второй датчик помещается в изометрическую камеру, где находятся холодные спаи, что позволяет контролировать температуру с высокой точностью. Самое сложное в работе с одноконтактной термопарой – снять показатели.
В ГОСТе прописаны коэффициенты, необходимые для перевода ЭДС в показатель температуры и наоборот. Подсчет также может вестись при помощи контроллера.
Но получаемый от термопары показатель ЭДС измеряется в единицах и сотнях микровольт. Поэтому использование аналоговых преобразователей не будет успешным. Для сборки специальной конструкции, цель которой – получение точных результатов, потребуются малошумящие аналоговые преобразователи.
На практике для устранения имеющихся погрешностей используют автоматическое введение поправки на температуру свободных концов. Под этим подразумевают введение моста с плечами в виде медного и манганинового терморезисторов.
Терморезисторы
Терморезисторы делятся по типу зависимости сопротивления от температуры. Они могут быть отрицательными (NTC) или положительными (PTC).
Измерения легче проводить при помощи терморезисторов. Принцип работы построен на сопротивлении материалов внешней температуре. Высокая точность присуща для приборов, изготовленных из платины. На работу терморезисторов влияют две характеристики.
Первая – базовое сопротивление, второе – температура, при которой оно определяется. ГОСТ устанавливает, что определение должно проходить при 0 градусов по Цельсию. В нормативном документе указывается, что рекомендуется использовать несколько номиналов сопротивлений, определяемых в Омах, а также температуры, что позволит сопоставить результаты при 0°С и другом показателе. Для этого используется следующая формула:
Температурный коэффициент будет изменяться в зависимости от используемого материала для термометров, что отражено в ГОСТе. В нормативном документе также указываются коэффициенты полинома, необходимые для расчета в зависимости от текущего сопротивления.
Термометры сопротивления обладают одним минусом – низкий температурный коэффициент сопротивления. Несмотря на этот нюанс, использование терморезисторов проще по сравнению с принципом работы термопары.
Способы измерения будут зависеть от комплектации модели. Базовые терморезисторы необходимо включать в цепь с источником тока и контролируемого дифференциального напряжения. Чтобы корректно определить доли единицы процента получаемых от температурного коэффициента проводников, лучше использовать аналого-цифровые преобразователи.
Если в датчик уже встроен аналоговый выход, соответствующий питаемому напряжению, то для оцифровывания можно напрямую подключать терморезистор к преобразователю
Комбинированные
Комбинированные датчики включают в себя несколько полупроводников, объединенных в единое устройство. Датчики могут иметь встроенный цифровой интерфейс, а не только интегральные схемы с выходом. Часто используется комбинированный датчик благодаря возможности подключения параллельных устройств. Погрешность при расчете температуры равна 2 °С, а при определении влажности – 5%. Проблема в таком датчике одна – оптимизация интерфейса.
Цифровые
В цифровых датчиках устанавливается трехвыводная микросхема. Показатели считываются с нескольких параллельно работающих датчиков, что позволяет получить показания с точностью 0,5 °С. Работа электронного термометра возможна от -55 до +125 °С. Единственным минусом устройства является скорость получения результатов – 750 секунд для получения максимально точного показателя. Определение точности прибора осуществляется при помощи соответствующих регулировок, которые необходимы для уменьшения количества затрачиваемого времени на получение результата. Опрос датчика не имеет смысла, так как корпус является инерционным.
Бесконтактные
Работа датчика основана на нагревании тонкой пленки, что осуществляется благодаря воздействию инфракрасных лучей. Встретить подобную технологию можно в пирометрических устройствах. В отличии от контактного, получить данные можно на расстоянии.
Кварцевые преобразователи температуры
Если диапазон изменяемых температур превышает стандартные значения и достигает отметки от -80 до +250°С, то используются кварцевые преобразователи. Такие устройства работают на принципе взаимодействия кварца и температуры, отражаемого частотной зависимостью. Преобразователь имеет несколько функций, которые меняются в зависимости от расположения среза по осям кристалла.
Кварцевые датчики отличаются высокой точностью, стабильностью и разрешением. Являются более перспективными способами измерения температуры. Часто можно встретить в цифровых термометрах.
Шумовые
Шумовой датчик служит для получения показателей по принципу разности потенциалов на резисторе, которые меняются в зависимости от температуры. На практике подобный способ измерения имеет условие – одна из температур должна быть известна, а вторая — измеряемая. Два полученных шума от различных температур сравнивают и находят искомое значение.
Работа датчика возможна от -270 до +1100 °С. Из преимуществ отмечается возможность измерения температур в термодинамике. Но минусом является сложность реализации такого способа измерения напряжения шумом из-за наличия различий с шумом усилителя.
Ядерного квадрупольного резонанса
Принцип работы биметаллического термометра основывается на действии градиента поля тока решетки кристалла и момента ядра, вызванного отклонением заряда от симметрии сферы. При помощи такого процесса создается процессия ядер. Частота напрямую зависит от градиента поля решетки. В зависимости от вещества, величина показателя может подниматься до нескольких тысяч МГц. Чем выше температура, тем меньше частота ЯКР.
ЯКР образует ампулу с веществом, которая помещается в обмотку индуктивности для дальнейшего соединения с контуром генератора. Если частота генератора и частота ЯКР совпадают, то исходящая от генератора энергия поглощается. При измерении вещества с температурой -263°С погрешность составляет 0,02 градуса, а при температуре 27°С, погрешность равна 0,002 градуса. Из преимуществ датчика выделяют неизменную стабильность. Минусом является значительная нелинейность преобразующей функции.
Объемные преобразователи
Принцип работы иного рода биметаллического термометра построен на свойстве веществ расширяться и сжиматься в зависимости от действующей температуры. Диапазон действия преобразователя определяется в зависимости от стабильности материала. Датчик может использоваться при температурах от -60 до +400°С. Погрешность составит от 1 до 5%.
При определении температуры датчиками на жидкости погрешность падает до 1-3% в зависимости от температурной среды. Температура закипания и замерзания жидкости также будет влиять на интервал работы датчика.
Если датчик измеряет преобразователи на газе, то граница измерения зависит от точки перехода газа в жидкое состояние и стойкостью баллона в воздействующей температуре.
Канальный
Все цифровые термометры относятся к канальным, так как для передачи сигналов они используют каналы. В зависимости от количества таких “магистралей” определяется канальность устройства. Так термометр Testo 925 относится к 1-канальным, в основе работы лежит термопара, как и у термометра Testo 735-2 – 3-канального. А Testo 810 – 2-канальный прибор с инфракрасным термометром.
Параметры выбора
Чтобы осуществить корректный выбор подходящего термометра, необходимо определить несколько условий, которые должны соответствовать для комфортной работы прибором.
Диапазон рабочей температуры
Необходимо знать, в каких температурах будет задействован термометр. Также нужно определить, какая погрешность будет приемлемой при получении результатов. Если диапазон температур небольшой, то подойдут термисторы. В самых суровых условиях работоспособны преимущественно шумовые приборы.
Условия проведения замеров
Возможно ли поместить термометр в среду или материал, который нужно заменить. Если нет, то получить данные можно при помощи радиационных термометров, которые замеряют температуру сквозь препятствия.
Время работы до калибровки или замены
Установить условия работы датчика. Окружающая обстановка может быть стандартной, с высокой влажность, окислительной, пожароопасной и так далее.
Величина сигнала выхода
Сигнал выхода должен соответствовать возможностям электроизмерительных приборов для дальнейшей обработки получаемых данных. Зависит это от полученных показателей температуры, преобразуемых в энергию.
Другие технические данные
Также при определении подходящего типа датчика температуры необходимо обращать внимание на второстепенные факторы. Эти нюансы позволяют выбрать самый подходящий аппарат для получения необходимых данных.
Погрешность
Для получения самых точных результатов потребуется большое количество времени. Лучший показатель выдает биметаллический термометр, построенный по принципу ЯКР и цифровые. Первые – быстрее, а вторые – точнее.
Разрешение
Этот показатель позволяет получить от датчика более точные приращениям дискретности измерения температуры. Ярким представителем является DS18B20, который может работать в разрешении 9,10,11 и 12 бит. Самый малый режим даст 0.5°C, а максимальный — 0.0625°C.
Напряжение
На величину выходного напряжения будет влиять сопротивление резистора. В зависимости от этого напряжение может быть линейным (изменяться в зависимости от температуры) и нелинейным. Для каждого датчика существуют свои эталонные величины на выводах термометра, который зависит от температуры измеряемого объекта.
Время сработки
Показатель отвечает за скорость получения результатов замера. Как правило, быстрые замеры можно получить, имея крупную погрешность. Для устранения этого недостатка потребуется пренебречь временем сработки и увеличить его до необходимого показателя точности.
Промышленные термодатчики и сенсоры
Кроме стандартных бытовых термодатчиков бывают промышленные, которые используются исключительно на специальных объектах. Их распространение направлено на определенную группу лиц из-за избыточных возможностей, которые требуются только на производстве. Некоторые из них способны работать в различных нетрадиционных средах и суровых условиях. Выбор подходящих типов осуществляется тем же образом, что и для подбора бытовых датчиков.
Применение
Стоит понимать, что каждый из типов датчиков создан для использования в специальных условиях. Практически во всех сферах производства и жизни требуется знать температуру. Так применять термисторы необходимо для получения абсолютных показателей, для сбора показателей в помещениях – шумовые, для получения максимально точных данных – цифровые и так далее.
Мир датчиков температур охватывает все сферы жизни, где требуется измерение показателей. Это может быть помещение, жидкость или предмет с совершенно различными нюансами. В одних помещениях высокая влажность, в другие нельзя попадать. Аналогичные параллели можно проводить с жидкостями и объектами. При выборе подходящего термометра необходимо обращать внимание на нюансы условий измерения.
Датчики измерения температуры: типы, принцип работы
Практически в любой современной аппаратуре есть датчики температуры. Это устройство, которое позволяет измерить температуру объекта или вещества, используя при этом различные свойства и характеристики измеряемых тел или среды. Не смотря на то, что все термодатчики призваны измерять температуру, разные типы датчиков делают это абсолютно по-разному. Давайте подробнее разберем принцип работы и характеристики основных видов термодатчиков.
Классификация термодатчиков по принципу работы
По принципу измерения все датчики измерения температуры подразделяются на:
- Термоэлектрические (термопары);
- Терморезистивные;
- Полупроводниковые;
- Акустические;
- Пирометры;
- Пьезоэлектрические.
Термоэлектрические датчики температуры (термопары)
Принцип работы этой группы датчиков основан на том, что в замкнутых контурах проводников или полупроводников возникает электрический ток, если места спайки различаются по температуре. Для измерения температуры, один конец термопары помещают в среду измерения, а другой служит для снятия значений. Единственным, но существенным недостатком этого вида измерителей является их довольно большая погрешность, что недопустимо для многих технологических процессов.
Примером такого датчика может служить датчик ТСП Метран-246, который предназначен для измерения температуры твердых тел.
Он применяется в металлообработке, и служит для контроля температуры подшипников. Диапазон измерения от -50 до +120 градусов по Цельсию, выходной сигнал для считывания – аналоговый.
Видео о датчиках температуры смотрите ниже:
Терморезистивные датчики
Как следует из названия, этот тип датчиков работает по принципу изменения сопротивления проводника при изменении его температуры. Благодаря простой и надежной конструкции, датчики этого типа широко применяются в электронике и машиностроении. Неоспоримым плюсом этих измерителей является высокая точность, чувствительность и простые устройства считывания.
Примером терморезистивного датчика может служить модель 700-101BAA-B00, которая имеет начальное сопротивление в 100 Ом, и диапазон измерений от -70 С° до +500 С°.
Выполнен он с применением платиновой пластинки и никелевых контактов. Широко используется в электронике и промышленных автоматах.
Полупроводниковые термодатчики
Этот тип датчиков работает на принципе изменения характеристик p-n перехода под воздействием температуры. Так как зависимость напряжения на транзисторе от температуры всегда пропорциональна, можно сделать датчик с высокой точностью измерения. Несомненными плюсами такого решения является дешевизна, высокая точность данных, и линейность характеристик на всем диапазоне измерения. Кроме того, их можно монтировать прямо на полупроводниковой подложке, что делает этот тип датчиков незаменимым для микроэлектронной промышленности.
Примером такого устройства может стать датчик LM75A. Температурный диапазон — от -55 С° до +150 С°, погрешность измерений – ±2 С°. Шаг измерения – всего 0,125 С°. напряжение питания – от 2.5 до 5.5 В, а время преобразования сигнала – до 0.1 секунды.
Акустические датчики температуры
Принцип работы этих устройств – разная скорость звука в среде при разной температуре. Зная изначальные данные, можно рассчитать изменения температуры по скорости прохождения звуковой волны в веществе. Это бесконтактный метод, позволяющий измерять температуру в закрытых полостях, а также в среде, недоступной для прямого измерения. Используются такие датчики в медицине и промышленности – там, где проникновение к измеряемому веществу невозможно.
Пирометры (тепловизоры)
Бесконтактный тип термодатчиков, считывающих излучение, которое исходит от нагретых тел. Этот тип устройств позволяет измерять температуру дистанционно, без приближения к среде, в которой производятся замеры. Это позволяет работать с большими температурами и сильно разогретыми объектами без опасного сближения.
Все пирометры по принципу работы подразделяют на интерферометрические, флуоресцентные и датчики на основе растворов, меняющих цвет в зависимости от температуры.
Пьезоэлектрические датчики температуры
Все датчики этого типа работают при помощи кварцевого пьезорезонатора. Вся суть работы – прямой пьезоэффект, то есть изменение линейных размеров пьезоэлемента под воздействием электрического тока. При попеременной подаче разнофазного тока с определенной частотой, пьезорезонатор колеблется, при этом частота его колебаний зависит от температуры. Зная эту зависимость, можно легко преобразовать данные о частоте колебаний резонатора в температуру.
Ещё одно видео о разновидностях термодатчиков:
Благодаря широкому диапазону измерений и высокой точности, такие датчики применяют в основном при проведении исследований и опытов, где нужна высокая надежность и долговечность.
Возможности и принцип действия температурных датчиков с аналоговым выходом
Предприятия по производству пищевой продукции или работающие с химическими реагентами в силу с производственной необходимости, обязаны контролировать степень нагрева как самого вещества, так и окружающей среды. Аналогичная задача существует в металлургии, логистике, радиотехнике и стала неотъемлемой частью как автоматизации промышленности, так комфортной жизни человека. Одним из наиболее частых решений в этих вопросах стал датчик температуры с аналоговым выходом.
Универсальность использования таких датчиков обуславливается не только материалом, из которого изготовлен чувствительный элемент, но и самим принципом его работы. Обычно датчики температуры с аналоговым выходом разделяют на две группы по типу чувствительного элемента — термосопротивления и термопары.
Принцип действия датчиков температуры с аналоговым выходом
Рассмотрим работу термосопротивлений (терморезисторов). Принцип действия датчиков температуры этого типа основан на изменении сопротивления резистора при перемене степени его нагрева. Чувствительный к температурным сдвигам металл или полупроводник соединён с электрической схемой так, что при нагреве изменяется его сопротивление, и изменяется сила тока, которая может пройти через резистор.
При этом различают два типа термосопротивлений:
- с отрицательным температурным коэффициентом. У таких приборов при охлаждении до −273°С увеличивается показатель R (сопротивление, измеряемое в Омах);
- с положительным температурным коэффициентом. У них сопротивление увеличивается в процессе нагрева до 1300°С.
Главное преимущество использования этого вида датчиков температур с аналоговым выходом в их точности, которая может доходить до +0,013 градуса.
К недостаткам можно отнести малый диапазон измерения, что делает такие устройства узкоспециализированными.
Другой тип приборов для контроля нагрева носит название термопары. Принцип работы основан на измерении разности потенциалов на концах термопары (холодный спай), возникающей в результате изменения температуры в месте соединения проводников (горячего спая) термопары.
Приборы, контролирующие степень нагрева или охлаждения вещества, которые поставляет наша компания, уже содержат в себе необходимые схемы преобразования изменения температуры в аналоговый сигнал (0) 4. 20 мА либо 0. 10 В.
Применение датчиков температуры с аналоговым выходом
В ассортименте «РусАвтоматизации» представлен широкий модельный ряд датчиков температуры с аналоговым выходом. Конструктивные отличия обусловлены разными сферами применения.
Например, датчики TER8 — это терморезисторы с чувствительными элементами из платины Pt100 классов B, AA, 1/6 B, A, которые разработаны специально для измерения температурных показателей жидких продуктов питания. Следовательно, все смачиваемые детали изготовлены из сплавов и полимеров, пригодных для использования в пищевой промышленности и имеют соответствующие сертификаты. Датчики температуры с аналоговым выходом TER8 измеряют температуру в пределах от −40 до +150°С.
Или же датчики ТХА, ТЖК, ТХК, ТНН — это термопары с большими диапазонами измеряемых температур от −200 до 1700°С. Устойчивость таких датчиков температуры с аналоговым выходом к избыточному давлению до 25 Бар (до 50 Бар с защитным кожухом) открывает широкие возможности применения в различных сферах производства и промышленности, в том числе металлургии и в нефтепереработке.
Ещё вышеуказанные приборы используются для измерения температуры жидкой среды в технологическом процессе, либо устройствах, потребляющих масло, таких как системы охлаждения трансформаторов, станков и прочих механизмов, где масло потребляется в качестве смазывающе-охлаждающей жидкости. Здесь очень важно измерять температуру самого масла. Если оно перегреется, то параметры, такие как плотность, вязкость и диэлектрическая проницаемость масла изменятся, что может привести к поломке.
Датчики температуры с аналоговым выходом могут измерять температуру окружающей среды, температуру жидкой (сыпучей) среды в технологическом процессе, либо степень нагрева или охлаждения трубопровода в конкретных узлах.
Важно понимать, у какого из представленных датчиков температуры применение будет максимально эффективно в конкретных технологических процессах. Соответственно, при выборе нужно учитывать температурный диапазон и среду, в которых планируется проводить измерения, а также какой аналоговый сигнал на выходе вы хотите получать.
Источник: Компания «РусАвтоматизация»
