Виды датчиков температуры и принцип их работы

Термопары как измерительные датчики

Термопара представляет наиболее распространенный вид температурных датчиков. Термопары популярны благодаря нескольким факторам:

• несложному устройству,
• простоте использования,
• скорости реакции,
• малогабаритным размерам.

Термопары обладают непревзойденно широким температурным диапазоном среди всех существующих температурных датчиков (от -200ºC до 2000ºC).

Этот вид термоэлектрических датчиков традиционно строится на соединении двух разнородных металлов — меди и константана, которые свариваются или сжимаются в единый спай.

ТЕРМОПАРА

Принцип действия термопары: J1 – горячий спай; J2 – холодный спай; 1 – металл железо; 2 – металл константан; 3 – поток тепла; V1, V2 – разница напряжений; Vвых – напряжение выхода

Одна часть соединения называется эталонным (холодным) спаем. Другая часть — измерительным (горячим) спаем. Когда оба контакта находятся под разными температурами, на стыке используется напряжение, которое используется для измерения температурного датчика, как показано ниже.

Конструкция термопар

Принцип работы термопары прост. Слияние двух разнородных металлов образует «термоэлектрический» эффект, который дает постоянную разность потенциалов всего в несколько милливольт (мВ).

Разность напряжений между двумя переходами называется «эффектом Зеебека». Поскольку градиент температуры генерируется вдоль проводящих контактов, создающих ЭДС, выходное напряжение термопары становится зависимым от изменений окружающей среды.

Если оба контакта находятся при одинаковой окружающей среде, разность потенциалов на двух переходах равна нулю. Другими словами, напряжение отсутствует, когда V1 = V2. Однако если соединения подключены внутри схемы и находятся под разными температурами, ситуация меняется.

Появляется выход напряжения относительно разницы значений между двумя переходами V1 — V2. Это различие в напряжении будет увеличиваться с температурой до тех пор, пока не будет достигнут пиковый уровень напряжения перехода. Этот момент будет определяться характеристиками двух разных разнородных металлов.

ЦИФРОВОЙ

Конструкция одного из вариантов датчика на термопаре: 1 – спай; 2 – специальная проводка типа «J»; 3 – оболочка их нержавеющей стали; 4 – настраиваемый уплотнительный фитинг; 5 – армирование из нержавеющей стали

Термопары изготавливаются из различных материалов, что позволяет измерять экстремальные температуры в диапазоне от -200°С до + 2000°С.

Благодаря такому большому выбору материалов и диапазону измерений, были разработаны международно-признанные стандарты в комплекте с цветовыми кодами термопары.

Цветовые коды позволят пользователю выбрать правильный датчик на базе термопары для конкретного применения. Ниже в качестве примера приведена таблица с британским цветовым кодом стандартных термопар:

Код	Проводники + / —	Рабочий диапазон, °C	Маркировка цветом
E	нихром / константан	— 200 … + 900	коричневый
J	железо / константан	0 …+ 750	чёрный
K	нихром / алюмоникель	— 200 … + 1250	красный
N	никросил / нисил	0 … + 1250	оранжевый
T	медь / константан	— 200 … + 350	синий
U	Медь / никелин	0 … + 1450	зелёный

Три наиболее распространенных материала термопар, используемые для общего измерения окружающей среды:

• железо-константан (тип J),
• медь-константан (тип T),
• никель-хром (тип K).

Выходное напряжение от термопары очень мало, всего несколько милливольт (мВ) для изменения разности температур на 10°C. Поэтому по причине малого напряжения, на выходе обычно требуется какая-нибудь форма усиления.

Схемы усиления для термопары

Тип усилителя, дискретного или операционного, необходимо тщательно подбирать, поскольку для предотвращения повторной калибровки термопары с частыми интервалами требуется хорошая стабильность дрейфа.

Это делает предпочтительным применение модулятора и усилителя измерительного типа для большинства применений температурного зондирования.

Термистор

Как следует из названия, термистор (т.е., терморезистор) представляет собой датчик температуры, сопротивление которого зависит от температуры.

Термисторы выпускаются двух типов: PTC (с положительным температурным коэффициентом) и NTC (с отрицательным температурным коэффициентом). Сопротивление PTC термистора с ростом температуры увеличивается. А сопротивление NTC термистора, наоборот, с увеличением температуры уменьшается, и этот тип, по-видимому, является наиболее часто используемым типом термисторов. Смотрите рисунок 1 ниже.

Рисунок 1 – Условные графические обозначения термисторов PTC и NTC

Важно понимать, что связь между сопротивлением термистора и его температурой очень нелинейна. Смотрите рисунок 2 ниже

Рисунок 2 – Зависимость сопротивления NTC термистора от температуры

Стандартная формула сопротивления NTC термистора в зависимости от температуры определяется следующим образом:

\[R_T=R_{25C}\cdot e^{\left\{\beta\left[\left(1/\left(T+273\right)\right)-\left(1/298\right)\right]\right\}}\]

где

• R25C – номинальное сопротивление термистора при комнатной температуре (25°C). Данное значение, как правило, приводится в техническом описании;
• β (бета) – постоянная материала термистора в Кельвинах. Это значение обычно указывается в техническом описании;
• T – реальная температура термистора в Цельсиях.

Тем не менее, существует два простых метода, используемых для линеаризации поведения термистора, а именно режим сопротивления и режим напряжения.

Режим линеаризации сопротивления

В режиме линеаризации сопротивления параллельно термистору помещается обычный резистор. Если значение резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. Смотрите рисунок 3 ниже.

Рисунок 3 – Режим линеаризации сопротивления

Режим линеаризации напряжения

В режиме линеаризации напряжения термистор ставится последовательно с обычным резистором, образуя при этом делитель напряжения. Этот делитель напряжения должен быть подключен к известному, фиксированному, стабилизированному источнику опорного напряжения VREF.

Эта конфигурация приводите к созданию выходного напряжения, которое относительно линейно зависит от температуры. И, как и в режиме линеаризации температуры, если сопротивление резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, то область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. Смотрите рисунок 4 ниже.

Рисунок 4 – Режим линеаризации напряжения

Аналоговые и цифровые термометры

Аналоговые

Эти устройства обычно недороги и не требуют сложного ухода. Главная их проблема – шкала. Либо она показывает температуру с высокой точностью, но измерительный интервал при этом очень мал, либо охватывает широкий температурный диапазон, но точность показаний – приблизительна.

Цифровые

Такие устройства дороже, по сравнению с аналоговыми, но их точность гораздо выше. Позволяют производить измерения в широком интервале, применяются в быту и технике.

Конструктивные составляющие цифрового термометра:

• чувствительный элемент (обычно это терморезистор);
• аналогово-цифровой преобразователь, который трансформирует электрический сигнал от терморезистора в цифровой;
• дисплей;
• элемент питания;
• вводы-выводы сигналов, необходимые для взаимодействия с другими устройствами.

Назначение

Необходимость в использовании датчиков, контролирующих температурные параметры, может возникнуть в различных ситуациях. Это универсальные приборы используются повсеместно на предприятиях, где стабильность температурных параметров способно нанести вред качеству выпускаемой продукции либо повлиять на технические характеристики эксплуатируемого оборудования.

Их активно подключают на предприятиях нефтегазового и энергетического комплекса, обеспечивается реализация технологических процессов на литейном, машиностроительном, прокатном производстве, при изготовлении металлоконструкций и выполнении механической обработки. Они незаменимы в транспортной индустрии, на предприятиях пищевой промышленности, в фармацевтики, сельском хозяйстве.

И их помощью:

• контролирует протекание химических реакций;
• проводятся научные исследования;
• обеспечивается поддержание степени нагрева обрабатываемого изделия в заданном диапазоне;
• поддерживаются оптимальные температурные параметры в различных узлах автомобильного и железнодорожного транспорта;
• создаются нужные условия для обработки зерна и при производстве комбикорма;
• измеряется температура конкретного объекта с заданной точностью;
• реализуется обратная связь, благодаря которой удается избежать преждевременного выхода оборудования из строя.

Проверка исправности ДТОЖ

Датчик температуры антифриза проверяется двумя основными способами: не снимая с автомобиля либо демонтируя с его посадочного места. Второй метод также разделен на два варианта диагностирования: с применением термометра и без него.

Если датчик не прикипел к резьбе, то его довольно просто снять рожковым ключом подходящим по размеру

Важно перед откручиванием отсоединить разъем контактов. Следующим шагом нужно проверить приходит ли питание от ЭБУ на датчик

Сделать это довольно просто имея универсальный тестер (мультиметр):

1. отсоедините разъем от датчика;
2. переведите режим измерения мультиметра на «20 В постоянное напряжение»;
3. присоедините щупы к контактам клемм приходящим от ЭБУ.

Если мультиметра у вас под рукой нет исправность ЭБУ и проводки до него можно проверить просто сняв разъем с датчик температуры охлаждающей жидкости во время работы двигателя, автоматически включится вентилятор радиатора. Это произойдет потому что блок управления увидит разрыв цепи и перейдет в аварийный режим. Если этого не произошло то либо неисправен ЭБУ либо вентилятор охлаждения.

Проверка не снимая с автомобиля

Самый удобный способ, ведь не нужно проводить демонтаж с последующим монтажом. Проверка выполняется при помощи тестера, путем замера показаний на контактах датчика.

Чтобы обеспечить доступ к контактам, потребуется отсоединить клеммник от датчика. При выполнении работ на горячем двигателе будьте осторожны, ведь можно не только обжечься самому, но и оплавить корпус или щупы мультиметра.

Затем тестер переводится в положение измерения сопротивления и присоединяется к выходным контактам датчика. Стоит заметить, что у холодного двигателя значение показаний будет высоким, у горячего – значительно ниже.

Для общего понимания какие значения выдает датчик при разных температурах, как пример, ниже приведены данные для ВАЗ-2110. Показания других легковых машин сильно отличаться не будут.

Показания датчика в зависимости от изменения температуры

Температура жидкости, °С	Сопротивление проводника, Ом	Температура жидкости, °С	Сопротивление проводника, Ом
5	7 280	45	1 188
10	5 670	50	973
15	4 450	60	667
20	3 520	70	467
25	2 796	80	332
30	2 238	90	241
40	1 459	100	177

Стоит отметить, что датчик ломается крайне редко, чаще встречаются ситуации, когда он выдает неверную информацию. Поэтому следует сравнить показания температуры на приборной панели с данными полученными от датчик температуры охлаждающей жидкости в соответствии с таблицей. Если данные отличаются тогда есть смысл снимать датчик и проводить его дальнейшую диагностику.

Проверка ДТОЖ с термометром

Для такой диагностики, необходимо снять датчик с его посадочного места. Как упоминалось выше, сделать это можно при помощи соответствующего гаечного ключа. Заодно можно почистить сам датчик, с резьбы на патрубке удалить налет и смазать ее, осмотреть контакты на наличие окислений и при необходимости удалить.

Затем набрать воду в электрочайник или в другую емкость, но в таком случае придется воспользоваться кипятильником. Помимо этого для измерения нужно взять мультиметр и перевести его переключатель в положение измерения сопротивления проводника.

Головка датчика опускается в воду, а к его контактам присоединяются щупы тестера. Также в емкость с датчиком помещается и термометр, для удобства измерений желательно электронный, но можно и ртутный.

Затем постепенно повышая температуру жидкости сравнивать показания датчика и электронного термометра в соответствии с таблицей. Для большей точности фиксировать показания лучше через каждые 5 градусов. В итоге Вы получите данные которые можно занести в таблицу. Их впоследствии можно сравнить с информацией предоставленной в технической документации к конкретной модели авто. На крайний случай можно сравнить с таблицей приведенной выше.

При проведении проверки допускаются небольшие отклонения от значений. Небольшие погрешности могут зависеть от разных условий и от самого датчика. Часто даже у датчиков температуры охлаждающей жидкости одной модели есть незначительные различия в показаниях при одинаковых условиях измерения.

Проверка без термометра

Такой метод не сильно отличается от предыдущего, только здесь не применяется термометр и показания снимаются одни раз.

Для проверки датчика его следует погрузить в емкость с водой и довести ее до кипения. Затем присоединить к выходным контактам щупы мультиметра и посмотреть, что он покажет.

Если ДТОЖ полностью исправен, то его сопротивление должно быть 177 Ом. Однако следует учитывать погрешности. К тому же щупы мультиметра тоже имеют свое сопротивление, да и температура воды может быть чуть ниже 100 градусов, а соответственно и сопротивление будет чуть больше.

Самодельный внешний терморегулятор для котла инструкция

Ниже представлена схема устройства самодельного терморегулятора для котла, которая собрана на микросхемах Atmega-8 и серии 566, жидкокристаллическом дисплее, фотоэлементе и нескольких температурных датчиков. Программируемая микросхема Atmega-8 и отвечает за соблюдение заданных параметров уставок терморегулятора.

Схема самодельного внешнего терморегулятора для котла

Собственно говоря, данная схема включает или выключает отопительный котёл при понижении (повышении) температуры наружного воздуха (датчик U2), а также выполняет эти действия при изменении температуры в комнате (датчик U1). Предусмотрена корректировка работы двух таймеров, которые позволяют регулировать время указанных процессов. Кусок схемы с фоторезистором влияет на процесс включения котла по времени суток.

Датчик U1 стоит непосредственно в комнате, а датчик U2 на улице. Подключается к котлу и устанавливается рядом с ним. При необходимости можно добавить электрическую часть схемы, позволяющую включать отключать агрегаты большой мощности:

Электрическая часть схемы, позволяющая включать отключать агрегаты большой мощности

Ещё одна схема терморегулятора с одним параметром регулирования на базе микросхемы К561ЛА7:

Схема терморегулятора с одним параметром регулирования на базе микросхемы К561ЛА7

Собран терморегулятор на базе микросхемы К651ЛА7 отличается простотой и лёгкостью при регулировке. Наш термостат – это специальный терморезистор, который значительно уменьшает сопротивление при нагревании. Данный резистор включён в сеть делителя напряжения электричества. В этой цепи также расположен резистор R2, при помощи которого мы и можем устанавливать необходимую температуру. На основе такой схемы можно сделать термостат для любого котла: Бакси, Аристон, Эвп, Дон.

Еще одна схема на терморегулятора на базе микроконтроллера:

Схема на терморегулятора на базе микроконтроллера

Устройство собрано на базе микроконтроллера PIC16F84A. Роль датчика выполняет цифровой термометр DS18B20. Малогабаритное реле управляет нагрузкой. Микропереключатели задают температуру, которая высвечивается на индикаторах. До сборки потребуется запрограммировать микроконтроллер. Сначала сотрите все с чипа и потом перепрограммируйте, а далее произведите сборку и пользуйтесь на здоровье. Устройство не капризное и работает нормально.

Стоимость деталей 300-400 рублей. Аналогичная модель регулятора стоит в пять раз дороже.

Несколько советов напоследок :

• хоть к большинству моделей и подходят разные варианты термостатов, все же желательно, чтобы терморегулятор для котла и сам котёл были произведены одним производителем, это значительно упростит монтаж и сам процесс эксплуатирования;
• перед покупкой такого оборудования нужно просчитывать площадь помещения и необходимую температуру, чтобы избежать «простоев» техники, и смены проводки в связи с подключением приборов более высокой мощности;
• перед установкой оборудования нужно позаботиться о теплоизоляции помещения, иначе высокие теплопотери будут неизбежны, а это дополнительная статья расходов;
• если, неуверены, что нужно приобретать дорогостоящую технику, то можно провести потребительский эксперимент. Приобрести более дешёвый механический термостат, отрегулировать его и посмотреть результат.

Диод как датчик температуры- функция полупроводника

Диод — наипростейший по своей комплектации прибор, обладающий свойствами полупроводника.

Между двумя крайностями диода (донорной и акцепторной) пролегает область пространственного заряда, иначе: p-n-переход. Этот «мост» обеспечивает проникновение электронов из одной части в другую, поэтому, в силу разноимённости составляющих его зарядов, внутри диода возникает довольно малый по силе, но всё-таки ток. Движение электронов по диоду происходит только в одну сторону. Обратный ход конечно есть, но совершенно незначительный, а при попытке подключить в этом направлении источник питания диод запирается обратным напряжением. Это увеличивает плотность вещества и возникает диффузия. Кстати, именно по этой причине диод носит название полупроводникового вентиля (в одну сторону движение есть, в другую — нет).

Если попытаться повысить температуру диода, то количество неосновных носителей (электронов двигающихся в обратном основному направлении) увеличится, а p-n-переход начнёт разрушаться.

Принцип взаимодействия между падением напряжения на диодном p-n-переходе и температурой самого диода была выявлена практически сразу после того, как он был сконструирован.

В результате p-n-переход диода из кремния — это наиболее простой температурный датчик. Его ТКН (температурный коэффициент напряжения) составляет 3 милливольта на градус цельсия, а точка прямого падения напряжения — около 0,7В.

Для нормальной работы данный уровень напряжения излишне мало, поэтому чаще используется не сам диод, а транзисторные p-n-переходы в комплекте с базовым делителем напряжения.

В результате, конструкция по своим качествам соответствует целой последовательности диодов. Как итог, показатель по падению напряжения может быть гораздо большим, чем 0,7В.

Поскольку ТКС (температурный коэффициент сопротивления) диода является отрицательным (- 2mV/°C), то он оказался весьма актуальным для использования в варикапах, где ему отводится роль стабилизатора резонансной частоты колебательного контура. Контроль осуществляется при помощи температуры.

Данные по падению напряжения на диодах

При анализе показаний цифрового мультиметра можно отметить, что данные по падению напряжения на p-n-переходе для кремниевых диодов составляют 690-700 мВ, а у германиевых — 400-450 мВ (хотя этот вид диодов на данный момент практически не используется).  Если во время замера температура диода поднимается, то данные мультиметра напротив снизятся. Чем значительнее сила нагрева, тем значительнее падают цифровые данные.

Обычно это свойство используется для стабилизации процесса работы в электронной системе (например, для усилителей звуковых частот).

Схема термометра на диоде.

Датчики температуры для микроконтроллера

На данный момент многие схемы строятся на микроконтроллерах, сюда же можно отнести и разнообразные измерители температуры, в которых могут быть применены полупроводниковые датчики при условии, что температура при их эксплуатации не превысит 125°C.

Поскольку градуирование температурных измерителей происходит ещё на заводе, калибровать и настраивать датчики нет никакой необходимости. Получаемые от них результаты в виде цифровых данных поступают в микроконтроллер.

Применение полученной информации зависит от программного наполнения контроллера.

Помимо прочего, такие датчики могут работать в термостатном режиме, то есть (при заранее заданной программе) включаться или выключаться по достижении определённой температуры.

Однако, если опорными станут другие температурные показатели, программу придётся переписывать.

Прочие сферы применения

Хотя на сегодняшний день выбор температурных датчиков весьма широк, никто не забывает про их диодный вариант, который достаточно часто применяется в электроутюгах,  электрокаминах и электронике в самом широком её смысле.

Несмотря на ограничения по температурному режиму диодные датчики имеют свои значительные плюсы:

— относительная дешевизна;

— скромные габариты;

— запросто подойдут к огромному числу электронных приборов;

— превосходная чувствительность и точность.

Благодаря всем этим качествам область применения датчиков данного типа растёт из года в год.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Порядок подключения

Схема подключения датчика температуры может существенно отличаться. Все зависит от того, какой разновидности отдано предпочтение. Прежде чем приступить к монтажу, надо определиться с требуемой точностью и назначением прибора. Если он будет использоваться для контроля температуры воздуха внутри помещения, потребуется одна схема. Если понадобиться измерить степень нагрева вещества, придется воспользоваться другой.

Как подключить кремниевый

Для подключения датчика температуры кремниевого типа может использоваться схема:

• 2-х проводная. Актуальна при отсутствии повышенных требований к высокой точности, так как в этом случае к измеренному сопротивлению добавляется сопротивление присоединенных проводов. Это существенно увеличивает величину дополнительной погрешности;
• 3-х проводная. Установка датчика температуры по данной схеме позволяет повысить точность. Такое подключение допускает измерение сопротивления проводов, а затем вычесть полученное значение из измеренного;
• 4-х проводная. По такой схеме устройство подключается таким образом, чтобы полностью исключить влияния подводящих проводов. Это позволяет избавиться от дополнительной ошибки и существенно повысить точность контроля.

Как подключить термопару

Для подключения холодных концов используются компенсационные провода либо монтаж производится напрямую к клеммам аналогового входа

При этом важно соблюдать полярность на входе в промышленный контроллер, используемый для программной компенсации температуры холодного спая и последующего расчета температуры в заданной точке

Внутреннюю компенсацию выполняют с использованием температуры модуля, используемого для подключения термопары. Для точной внешней компенсации температуру холодного спая контролируют дополнительным термометром сопротивления, подключаемым к специальному входу.

Как воспользоваться бесконтактным устройством

У датчиков температуры бесконтактного типа есть особенность определения степени нагрева устройства. Непосредственное подключение в этом случае не требуется. Устройство приближается к контролируемому объекту и обеспечивается его совмещение с соответствующим датчиком. Это оказывает существенно влияние на конечный результат, который во многом зависит от опыта и знаний специалиста, производящего измерения. Если поменяем бесконтактное устройство на контактную модель, точность увеличится.

На схеме, приводимой в инструкции к конкретному устройству, указан порядок подключения и последующей эксплуатации датчика температуры. Прежде чем приступить к монтажным работам, стоит с ней тщательно ознакомиться, чтобы избежать типовых ошибок, допускаемых неопытными пользователями при самостоятельном выполнении монтажных работ.