Как работает простой датчик для измерения температуры?
Датчики температуры прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Они используются повсеместно - от холодильников и кондиционеров до автомобилей и промышленных печей. Но мало кто задумывается о том, как именно работают эти незаменимые устройства, позволяющие контролировать один из важнейших физических параметров. В этой статье мы разберем принципы работы простых датчиков температуры, рассмотрим их устройство и сферы применения.
Основные типы датчиков температуры
Существует несколько основных типов датчиков для измерения температуры, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Термоэлектрические (термопары)
Термопары используют эффект Зеебека - возникновение термоэлектродвижущей силы при нагревании контакта двух разнородных проводников. На практике два проводника из разных металлов соединяются на одном конце, образуя термопару. При нагреве точки соединения возникает электрический потенциал.
Существует несколько типов термопар, отличающихся используемыми материалами: ХА (хромель-алюмель), ХК (хромель-копель), ПП (платинородий-платина) и др. Каждая термопара имеет определенный рабочий диапазон измеряемых температур.
Термопары могут работать в широком диапазоне температур - от -200 до +2500°C. Они просты в изготовлении и эксплуатации. Но недостатком является невысокая точность измерений.
Полупроводниковые
В полупроводниковых датчиках используется зависимость электрической проводимости полупроводника от температуры. Наиболее распространены термисторы двух типов:
- NTC (с отрицательным температурным коэффициентом) - сопротивление уменьшается с ростом температуры;
- PTC (с положительным температурным коэффициентом) - сопротивление увеличивается с ростом температуры.
Другие разновидности полупроводниковых датчиков - диодные, транзисторные, на основе кремния. Их достоинства - высокая чувствительность, небольшие размеры. Недостаток - ограниченный температурный диапазон.
Терморезистивные
В основе работы терморезистивных датчиков лежит зависимость электрического сопротивления материала от температуры. Чаще всего используются металлические терморезисторы на основе платины, меди, никеля. Они обеспечивают высокую точность измерений, но имеют ограниченный диапазон температур.
Пирометрические (бесконтактные)
Бесконтактные датчики регистрируют инфракрасное излучение, испускаемое нагретым объектом. К их достоинствам относятся возможность дистанционных измерений, отсутствие необходимости контакта с объектом. Недостатком является зависимость показаний от цвета и свойств поверхности объекта.
Существуют и другие типы датчиков температуры - акустические, на основе кварцевых резонаторов, оптоволоконные. Каждый тип имеет свою область применения, где его достоинства используются наиболее эффективно.
Принцип работы термоэлектрического датчика
Рассмотрим подробнее устройство и принцип действия одного из самых распространенных типов датчиков - термоэлектрического, или термопары.
Термопара состоит из двух проводников из разных металлов, например меди и константана. Они скручены или спаяны на одном конце, образуя измерительный спай, а на другом конце присоединены к измерительной цепи.
При нагревании измерительного спая за счет эффекта Зеебека в цепи возникает термоЭДС, величина которой зависит от разности температур спая и свободных концов. Это позволяет определить температуру спая, то есть контролируемого объекта.
Существуют сотни типов термопар, отличающихся используемыми материалами. Например:
- Хромель-копель (ХК) для температур до +1000°C;
- Хромель-алюмель (ХА) до +1200°C;
- Платинородий-платина (ПП) до +1600°C.
Выбор типа термопары определяется необходимым диапазоном измеряемых температур и требуемой точностью. Например, для измерения температуры в духовке может применяться простая и дешевая хромель-копелевая термопара.
Основными достоинствами термоэлектрических датчиков являются простота конструкции, надежность, способность работать в широком диапазоне температур. Их широко используют в промышленности, автотехнике, бытовой технике.
Полупроводниковые датчики температуры
Еще один распространенный тип датчиков температуры - полупроводниковые. Их работа основана на температурной зависимости электрических свойств полупроводников.
Наиболее часто в качестве чувствительного элемента используются термисторы - резисторы с сильно выраженной зависимостью сопротивления от температуры. Различают NTC-термисторы, у которых сопротивление уменьшается с ростом температуры, и PTC-термисторы с обратной зависимостью.
Другие типы полупроводниковых датчиков используют температурную зависимость p-n перехода в диодах и транзисторах. Например, измеряя напряжение на диоде при постоянном протекающем через него токе.
Производительность полупроводникового датчика температуры можно улучшить, добавив линзу для фокусировки инфракрасного излучения на чувствительную площадку, - советует инженер Андрей Николаев.
Полупроводниковые датчики отличаются небольшими размерами, высокой чувствительностью и быстродействием. Их основной недостаток - ограниченный температурный диапазон, обычно от -50 до +150°С. Это определяет их применение в основном для измерения невысоких температур.
Такие датчики широко используются в системах кондиционирования, холодильниках, для измерения температуры окружающей среды.
Терморезистивные датчики
Еще один тип температурных датчиков основан на зависимости электрического сопротивления материала от температуры. Такие датчики называются терморезисторами или терморезистивными датчиками.
В качестве чувствительного элемента чаще всего используются металлы - медь, никель, платина, а также полупроводники на основе оксидов металлов. Их сопротивление изменяется при нагревании за счет температурной зависимости концентрации носителей заряда.
К достоинствам терморезисторов относятся:
- Высокая чувствительность и точность;
- Хорошая воспроизводимость показаний;
- Стабильность характеристик.
Основной недостаток - ограниченный температурный диапазон, обычно не выше +300...+400°С. Поэтому область применения терморезисторов - точные измерения температуры в узком диапазоне.
Их используют в высокоточных измерительных приборах, системах терморегуляции, медицинской технике.
Пирометрические датчики
Еще один распространенный тип датчиков температуры - пирометрические, или бесконтактные. Их работа основана на регистрации инфракрасного излучения от нагретого объекта.
В отличие от контактных датчиков, здесь нет непосредственного контакта с объектом измерения. Датчик улавливает инфракрасные лучи и преобразует их в электрический сигнал, пропорциональный температуре.
Существует несколько типов пирометрических датчиков:
- Болометрические - используют зависимость электрического сопротивления от температуры;
- Пироэлектрические - основаны на пироэлектрическом эффекте в кристаллах;
- Фотонные - применяют полупроводниковые фотодиоды.
К достоинствам бесконтактных датчиков относятся:
- Возможность дистанционного измерения температуры;
- Измерение температуры движущихся объектов;
- Измерение температуры в труднодоступных или опасных зонах.
Основной недостаток - сильная зависимость показаний от цвета, структуры и свойств поверхности объекта. Поэтому для повышения точности необходима предварительная калибровка датчика.
Схемы подключения датчиков температуры
Рассмотрим типовые схемы подключения датчиков температуры к измерительным цепям и микроконтроллерам.
Для соединения датчика на небольшие расстояния чаще всего используется двухпроводная схема. При больших расстояниях применяют трех- и четырехпроводные схемы для компенсации падения напряжения на соединительных проводах.
Для связи с микроконтроллером терморезисторы и термопары подключают к аналоговым входам через усилитель. Полупроводниковые датчики могут напрямую соединяться с цифровыми входами.
При выборе компонентов для измерительной схемы важно учитывать диапазон измеряемых температур и требуемую точность, - комментирует инженер Петров.
Правильный выбор датчика, точная настройка измерительной схемы и алгоритмов обработки данных - залог получения достоверной информации о температуре контролируемого объекта.
Применение датчиков температуры
Рассмотрим основные области применения температурных датчиков.
В промышленности они используются для контроля технологических процессов - измерения температуры в печах, сушилках, холодильниках и т.д. В автомобилях датчики следят за температурой двигателя, в космической технике - за работой бортовых систем.
В бытовой технике датчики применяются в кондиционерах, холодильниках, посудомоечных и стиральных машинах. Они позволяют оптимизировать работу и экономить электроэнергию.
В медицине используются высокоточные датчики для измерения температуры тела. В системах отопления и водоснабжения датчики следят за температурой теплоносителя и горячей воды.
Датчики температуры широко применяются в системах «умный дом» для оптимизации микроклимата и энергосбережения. Они незаменимы при разработке различных автоматизированных систем контроля и регулирования температуры.
Как работает датчик температуры в деталях
Давайте еще раз более подробно разберем, как именно работает датчик температуры.
В основе большинства датчиков лежит зависимость какого-либо физического параметра материала от температуры. Например, электрическое сопротивление металлов и полупроводников зависит от температуры. Это свойство используется в терморезисторах.
В термопарах применяется термоэлектрический эффект - возникновение контактной разности потенциалов в месте соединения двух разнородных проводников при нагреве. Таким образом, "работает датчик температуры" на основе физических законов.
Пирометрические датчики регистрируют инфракрасное излучение, интенсивность которого зависит от температуры. Полупроводниковые датчики используют температурную зависимость характеристик p-n перехода. То есть, основой работы любого датчика температуры являются физические эффекты и закономерности.
Далее измеренный физический параметр, зависящий от температуры, преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается, обрабатывается и отображается в удобном для пользователя виде. Таким образом происходит измерение температуры с помощью датчика.