Температура є критичним параметром у безлічі застосувань, починаючи, звичайно, від забезпечення оптимальної роботи промислового обладнання до безпеки наших домівок. Для вимірювання та контролю цієї основної фізичної величини потрібен широкий спектр датчиків температури (термоелектричний датчик, Pt100, NTC, інфрачервоний датчик тощо). Ці розумні пристрої можуть перетворювати теплову енергію на електричний сигнал, який згодом може бути розшифрований та використаний іншими системами. Ці знання про різні датчики температури та їхні принципи роботи будуть важливими для вибору відповідного датчика відповідно до застосування.
Датчики температури, по суті, є перетворювачами. Вони приймають неелектричну фізичну величину (температуру) та перетворюють її на електричний сигнал (напруга, струм, опір). Це перетворення базується на різних фізичних ефектах, чутливих до температури.
Поширені типи датчиків температури
На ринку домінує кілька основних типів датчиків температури, кожен зі своїми унікальними характеристиками, перевагами та обмеженнями:
Термістори. Термістори — це високочутливі датчики температури, виготовлені з напівпровідникових матеріалів. Їхній опір значно змінюється з температурою. Існує два основних типи:
- Термістори з негативним температурним коефіцієнтом (NTC). Зі збільшенням температури опір NTC-термістора зменшується. Це найпоширеніший тип термістора. Вони використовуються в системах кондиціонування повітря, побутовій техніці та автомобілях завдяки високій чутливості та економічній ефективності.
- Термістори з позитивним температурним коефіцієнтом (PTC). На противагу цьому, опір PTC-термістора збільшується зі зростанням температури. Вони часто використовуються для захисту від перевантаження по струму, оскільки їхній опір швидко зростає при перевищенні певної температури (а отже, і сили струму).
При роботі питомий опір термісторів змінюється з температурою через температурну залежність напівпровідникового матеріалу. Зі збільшенням температури вивільняються додаткові носії заряду, що призводить до зменшення опору (NTC) або, в деяких випадках (PTC), фазовий перехід може призвести до значного збільшення опору за певної температури.
До переваг такого типу датчиків температури можна віднести: високу чутливість, швидкий час відгуку, економічну ефективність. Недоліками є: нелінійна характеристика, обмежений діапазон температур порівняно з RTD, вимагає схеми лінеаризації.
Датчики температури потребують систематичного калібрування. Датчик температури градуювання — це датчик, який пройшов процес калібрування для забезпечення точності вимірювань. Калібрування передбачає перевірку та налаштування датчика відповідно до стандартних температурних значень, щоб він міг надійно і правильно передавати дані.
Резистивні температурні детектори (RTD). RTD (термодатчики температури) — це точні датчики температури, принцип роботи яких базується на тому, що електричний опір деяких металів передбачувано змінюється з температурою. Найбільш широко використовуваним матеріалом у RTD є платина через її лінійність, стабільність та широкий діапазон температур.
Принцип роботи датчика базується на тому, коли металевий компонент RTD нагрівається, його атоми рухаються інтенсивніше, що перешкоджає руху електронів і, як наслідок, підвищує його електричний опір. Залежність опору від температури є дуже лінійною та повторюваною. До переваг можна віднести: високу точність, чудову стабільність, широкий діапазон температур, хорошу лінійність. До недоліків: повільніший час відгуку, вища вартість та менша чутливість ніж у термісторів.
Термопари. Термопара це датчик температури, який є мабуть найпоширенішим датчиком температури в промисловому застосуванні, особливо для вимірювання високих температур. Датчик такого типу складається з двох різнорідних металевих дротів, з'єднаних на одному кінці, утворюючи вимірювальний спай.
Принцип роботи термопари базується на ефекті Зеєбека, згідно з яким при нагріванні двох спаяних провідників з різних металів генерується різниця потенціалів (або напруга). Ця напруга відрізняється пропорційно різниці температур між двома кінцями термопари (гарячим або вимірювальним спаєм та холодним або опорним спасаєм), що дозволяє вимірювати температуру шляхом вимірювання цієї напруги.
Поширені типи різних термопар позначаються літерами (наприклад, тип J, K, T, E, N, S, R, B), кожна з яких представляє певну комбінацію металів і пропонує різні температурні діапазони вимірювання та характеристики.
Використовуючи датчик температури пара ви отримаєте дуже широкий температурний діапазон вимірювання, міцний та довговічний датчик, відносно недорогий для високотемпературних застосувань, який має автономне живлення (зовнішнє живлення не потрібне). До недоліків можна віднести меншу точність вимірювання, ніж термістори, потребують компенсації холодного спаю, нелінійний вихід та схильні до впливу електричних шумів.
Інфрачервоні датчики температури. Інфрачервоні термометри (які оснащенні інфрачервоним датчиком температури), на відміну від описаних вище контактних датчиків, є безконтактними датчиками, які можуть вимірювати температуру, сприймаючи інфрачервоне випромінювання, що випромінюється об'єктом.
Принцип роботи полягає в тому, що все, що має температуру вище абсолютного нуля, випромінює інфрачервоне світло. Величина такого випромінювання прямо пропорційна температурі об'єкта. Інфрачервоні термометри мають оптику для концентрації інфрачервоної енергії на детекторі (термобатареї або болометрі), який перетворює енергію випромінювання на електричний сигнал.
Перевагами безконтактного вимірювання (ідеально підходить для рухомих або небезпечних об'єктів), швидкий час відгуку, широкий діапазон температур, може вимірювати температуру на відстані. До недоліків можна віднести залежність від випромінювальної здатності об'єкта, вимагає чіткої прямої видимості, менш точний, ніж контактні датчики для точних вимірювань, наприклад датчик термопари.
Фактори, які потрібно враховувати під час вибору датчика температури
Вибір відповідного датчика температури вимагає врахування кількох важливих факторів:
- Діапазон вимірювань температури.
- Точність і прецизійність вимірювання.
- Час відгуку.
- Умови навколишнього середовища (вологість та температура, наявність хімічних речовин, електромагнітних перешкод тощо).
- Доступний бюджет на придбання датчика.
- Вихідний сигнал датчика (аналоговий (напруга, струм, опір) або цифровий).
- Форм-фактор та кріплення.
Величезна кількість технологічних процесів залежить від датчиків температури та не може працювати без них. Чи то міцні термопари промислової печі, чи точні лабораторні термометри, чи зручні інфрачервоні термометри для вибіркової перевірки, кожен тип має унікальне поєднання переваг, і більшість застосувань специфічні для його використання.
В інтернет маркеті https://simvolt.ua/ представлено датчики температур та інші пристрої для вимірювання температури. Менеджери нашої компанії мають глибоке розуміння їхніх принципів роботи та характеристик, щоб допомогти вам підібрати необхідний для забезпечення точності та надійності процесів моніторингу та контролю температури.
