Контроль над температурой составляют основу многих технологических процессов.
Измерение температуры жидкости, газа, твердой поверхности или сыпучего порошка–каждый случай имеет
свою особенность, которую необходимо понимать, чтобы измерения максимально соответствовали поставленной
задаче. Существует множество датчиков температуры, построенных с использованием различных физических законов.
Одни из них прекрасно справляются с конкретной задачей по измерению температуры, другие предназначены для универсального
использования. В данной статье описаны основные типы датчиков для измерения температуры, их особенности, слабые и
сильные стороны, задачи, для которых они предназначены.
Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их
основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры,
термоиндикаторы, термисторы, термопары, термометры сопротивления, инфракрасные датчики температуры.
Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового
кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур для таких датчиков составляет от –50 С до +150 С. Внутри
этого диапазона кремниевые датчики температуры показывают хорошую линейность и точность. Возможность производства
в одном корпусе такого датчика не только самого чувствительного элемента, но так же и схем усиления и обработки
сигнала, обеспечивает датчику хорошую точность и линейность внутри температурного диапазона. Встроенная в такой
датчик энергонезависимая память позволит индивидуально откалибровать каждый прибор. Большим плюсом можно назвать
большое разнообразие типов выходного интерфейса: это может быть напряжение, ток, сопротивление, либо цифровой выход,
позволяющий подключить такой датчик к сети передачи данных. Из слабых мест кремниевых датчиков температуры можно
отметить узкий температурный диапазон и относительно большие размерами по сравнению с аналогичными датчиками других
типов, особенно термопарами. Кремниевые датчики температуры применяются в основном для измерения температуры
поверхности, температуры воздуха, особенно внутри различных электронных приборов. Например можно назвать
температурные регистраторы компании Dallas semiconductor выпускаемые под маркой THERMOCHRON. Регистраторы
имеют кремниевый датчик температуры, микросхему обработки сигнала и память для сохранения результатов.
Биметаллический датчик температуры, как следует из названия, сделан из двух разнородных
металлических пластин, скрепленных между собою. Различные металлы имеют различный коэффициент расширения при
той или иной температуре. Например, константан практически не расширяется при температуре, железо, напротив
испытывает заметное расширение. Если полоски из этих металлов скрепить между собой и нагреть (или охладить),
то они изогнутся. В биметаллических датчиках пластинки замыкают или размыкают контакты реле, или двигают
стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков от –40 С до +550 С. Биметаллические датчики
используют для измерения поверхности твердых тел, реже для измерения температуры жидкости. Основным преимуществом
датчиков является простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость.
Вместе с тем, биметаллические датчики температуры имеют большой разброс характеристик, а так же большой гистерезис
переключения, особенно при низких температурах. Основные области применения биметаллических температурных
датчиков–автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.
Жидкостные и газовые термометры наиболее старые типы датчиков температуры. Первая шкала
температуры была предложена Фаренгейтом в начале 18–го века именно для жидкостного термометра. Жидкостные термометры
используют эффект расширения жидкостей при повышении температуры. В качестве жидкостей используется спирт или ртуть
в диапазоне комнатных температур. Для измерений низких температур, например в криогенной технике, может быть
использован жидкий неон, а для измерения высоких температур обычно используют галлий, который находится в жидком
состоянии уже от 20 С. В газовых термометрах используется эффект расширения, при переходе вещества из жидкого
в газообразное состояние. Газ давит через мембрану и замыкает электрические контакты. Диапазон измерений для
жидкостных и газовых термометров от –200 С до +500 С. Термометры этого класса обычно применяются для визуального
контроля температуры, либо в качестве термостатов в различных нагревателях и холодильной технике.
Термоиндикаторы–это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры.
Такое изменение цвета может быть как обратимым, так и необратимым. В диапазоне комнатных температур используются
термоиндикаторы на основе жидких кристаллов. Они плавно изменяют свой цвет при изменении температуры. Изменения
эти, как правило, обратимые. Производятся они в виде пленки, часто с клейкой подложкой, и служат для оперативного
визуального контроля температуры. Для низких и высоких температур производятся в основном необратимые термоиндикаторы.
То есть, если температура хотя бы один раз превысила допустимую, то индикатор необратимо меняет свой цвет.
Такие термоиндикаторы используют, например, для контроля за замороженными продуктами. Если в процессе хранения
или транспортировки температура хоть раз была выше допустимой, то изменившаяся окраска термоиндикатора сообщит
об этом. Основное достоинство термоиндикаторов низкая стоимость. Их можно использовать как одноразовые датчики
температуры.
Термисторы. В этом классе датчиков используется эффект изменения электрического сопротивления
материала под воздействием температуры. Обычно в качестве термисторов используют полупроводниковые материалы,
как правило, оксиды различных металлов. В результате получаются датчики с высокой чувствительностью. Однако
большая нелинейность позволяет использовать термисторы лишь в узком диапазоне температур. Термисторы имеют невысокую
стоимость и могут изготавливаться в миниатюрных корпусах, позволяя увеличить тем самым быстродействие. Существует
два типа термисторов, использующих положительный температурный коэффициент–когда электрическое сопротивление
растет с повышением температуры и использующих отрицательный температурный коэффициент–здесь электрическое
сопротивление падает при повышении температуры. Термисторы не имеют определенной температурной характеристики.
Она зависит от конкретной модели прибора и области его применения. Основными достоинствами термисторов является их
высокая чувствительность, малые размеры и вес, позволяющие создавать датчики с малым временем отклика, что важно,
например, для измерения температуры воздуха. Безусловно, невысокая стоимость так же является их достоинством, позволяя
встраивать датчики температуры в различные приборы. К недостаткам можно отнести высокую нелинейность термисторов,
позволяющую их использовать в узком температурном диапазоне. Использование термисторов так же ограничено в диапазоне
низких температур. Большое количество моделей с различными характеристиками и отсутствие единого стандарта, заставляет
производителей оборудования использовать термисторы только одной конкретной модели без возможности замены.
Назад