Виды датчиков температуры и особенности их применения

Проконтролировать степень нагрева любого объекта независимо от его агрегатного состояния помогают специальные устройства — датчики температуры. Их принцип работы и исполнение могут существенно отличаться. Это позволяет подобрать оптимальный вариант в зависимости от преследуемых целей. Зная для чего предназначено устройство, стоит разобраться, как подключить прибор, чтобы он позволил снимать показатели с заданной точностью.

Термопары

Конструктивно термопара представляет собой спайку двух проволок из разного металла. Разность температур между горячим и холодным концами провоцирует в цепи возникновение ЭДС, величина которой зависит от материала и термоэлектрической силы термопары и может быть от 40 до 60 мкВ. В качестве материала термопары используют сочетания никель-хром, хром-алюминий, железо-никель, железо-константан и другие. Термопара обеспечивает высокую точность, однако снять эту точность проблематично. Являясь относительным датчиком, термопара имеет зависимость уровня напряжения от разности температур между спаями. Холодный спай обычно имеет температуру среды, в которой находится. Если углубиться в принцип работы термопары, то он выглядит следующим образом: на горячем и холодном концах термопары есть две температуры, от разности которых зависит ЭДС. Температуру холодного спая необходимо компенсировать. Решением этой задачи в аппаратной среде является использование второй термопары, помещенной в среду с заранее известной температурой. В программной среде используется другой, абсолютный датчик температуры, помещенный в изотермическую камеру вместе с холодными спаями. Такой датчик контролирует температуру спаев с заданной точностью. В работе с термопарой существует ряд трудностей, сопровождающих снятие данных с датчика:

• Нелинейность термопары
  . Для перевода значения ЭДС в температуру и обратно используются полиномы большого порядка, прописанные в ГОСТе
• Значения термо-ЭДС
  , получаемые с термопары малы, порядка единиц и сотен микровольт, что делает невозможным применение обычных аналогово-цифровых преобразователей. Для снятия неискаженных данных с термопары используются прецизионные многоразрядные малошумящие аналогово-цифровые преобразователи

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.

Терморезисторы

Более простым и распространенным устройством для измерения температуры являются терморезисторы. Их работы основана на принципе зависимости сопротивления материалов от внешней температуры. Металлические термометры сопротивления, особенно платиновые, обеспечивают высокую точность и линейность измерений. Основной характеристикой термометра сопротивления является базовое сопротивление термометра при определенной температуре. Согласно ГОСТ базовым считается сопротивление при нуле градусов Цельсия. В ГОСТе рекомендуется использовать несколько номиналов сопротивлений в Омах и температурный коэффициент, который определяется по формуле: Ткс = (Re – R0c)/(Te – T0c)*1/R0c,

Где
Re
– сопротивление при нашей температуре;
R0c
– сопротивление при нуле градусов;
Te
– наша температура;
T0c
– температура нуля. ГОСТ терморезисторов содержит температурные коэффициенты для различных термометров из платины, меди и никеля и коэффициенты полинома для расчета температуры из текущего сопротивления резистора. Несмотря на то, что термометры сопротивления обладают малым температурным коэффициентом сопротивления, получить высокую точность при измерении сопротивления проще, чем при измерении малых значений напряжения при работе с термопарой. Для измерения сопротивления, термосопротивление включается в цепь источника тока, после чего измеряется дифференциальное напряжение. Температурный коэффициент при использовании полупроводников составит доли единиц процента. Для таких измерений применяются аналогово-цифровые преобразователи. Датчики температуры, реализованные в виде интегральных микросхем оснащены аналоговым выходом, соответствующим напряжению питания. Для оцифровки сигнала с таких датчиков используются восьми- или десятибитные АЦП.

Принцип работы

Основная функция микросхемы DS18B20 — трансформация показаний встроенного датчика температуры в цифровой код. Это преобразование зависит от разрешения преобразования, установленного пользователем, которое варьируется от 9 до 12 бит (0,5°–0,625°С). Если настройки не производились, то установка регистра конфигурации соответствует 12 битам.

В начальном состоянии DS18B20 находится в состоянии покоя или иными словами в низком энергетическом уровне. Для начала измерений микроконтроллер подает сигнал [0х44], после чего полученные данные сохраняются в регистр, а сам датчик переходит в режим «покоя».

При работе цифрового датчика температуры DS18B20 от независимого источника питания микроконтроллер способен контролировать процесс выполнения команды [0х44], которая осуществляет измерение температуры. Таким образом, датчик температуры DS18B20 сформирует логический «0» во время трансформации показаний температурного режима и логическую «1» в случае окончания процесса преобразования.

Если питание микросхемы осуществляется при помощи «паразитного метода», то контроль логических «0» и «1» невозможен, поскольку на шине будет постоянно дежурить высокий уровень напряжения питания.

После снятия и обработки сигнала с датчика температуры в микросхеме DS18B20 полученные данные в градусах Цельсия сохраняются в виде 16-битного числа с признаком (S), который отвечает за знак «+» или «-» температуры. Структура регистра температуры будет выглядеть так, как показано ниже.

Если показания температуры выше «0», то показатель S=0, если же значение температуры отрицательное, то S=1. Ниже представлена таблица соответствия данных и температуры.

Кварцевые преобразователи температуры

При необходимости расширения диапазона измеряемой температуры, применяют кварцевые преобразователи. Они позволяют производить измерения в интервале от -80 до +250 градусов Цельсия. Принцип их действия основан на частотной зависимости кварца от температуры. Функция преобразователя меняется от расположения среза по осям кристалла. Кварцевые датчики обеспечивают высокие чувствительность и разрешение замеров, вкупе со стабильностью работы. Благодаря этим свойствам, кварцевые датчики широко распространены в цифровых термометрах.

Корпус

Датчики серии TSic выпускаются в корпусах SOP-8 и TO92, распиновка доступна в документации.
Кроме того, существует возможность поставки датчиков TSic в нестандартных корпусах, с разного рода кабелями, коннекторами, контактными площадками и так далее. Тут всё обсуждается индивидуально, но сразу скажу, что для использования этой возможности совершенно не обязательно иметь проект на сотни датчиков в год.

Шумовые датчики температуры

В основе работы шумовых датчиков температуры лежит зависимость шумовой разности потенциалов на резисторе от температуры. На практике, для измерения температуры шумовыми датчиками, нужно сравнить шумы двух одинаковых резисторов, один из которых находится в среде с известной температурой, второй – в среде, температуру которой нужно измерить. Диапазон температур, которые можно измерить с помощью шумовых датчиков составляет от -270 до +1100 градусов. Основное преимущество шумовых датчиков – возможность измерения температуры в термодинамике, осложняется крайне малым напряжением шума, сравнимым с уровнем собственных шумов усилителя. Из-за этого напряжение шума крайне сложно измерить.

Рекомендации по монтажу своими руками

Подобные приборы широко используются в разных целях: ими оснащаются радиаторы, котлы нагревания и другие бытовые приборы.

Перед началом монтажа следует внимательно прочитать инструкцию: в ней указываются не только особенности установки (например, размеры для подсоединения к патрубку), но и правила эксплуатации, а также границы температур, для которых годится измерительный прибор.

Необходимо также учесть размер гильзы, который может варьироваться в пределах 120-160 мм.

Рассмотрим два наиболее часто встречающихся случая монтажа термодатчика.

Подключение прибора на радиатор

Не стоит оснащать термостатом все отопительные приборы. Согласно регламенту, датчики устанавливаются на батарею, если ее суммарная мощность превышает 50% от выработки тепла аналогичными системами. Если в помещении имеется два нагревателя, то термостат устанавливается лишь на одном, имеющем больший показатель мощности.

Клапан прибора устанавливается на подающий трубопровод в месте подключения радиатора к сети отопления. При невозможности его врезки в уже имеющуюся цепь следует демонтировать подводку подачи, что может вызвать некоторые сложности.

Для проведения этой манипуляции необходимо воспользоваться инструментом для резки труб, тогда как монтаж термоголовки легко производится без спецоборудования. Как только датчик будем смонтирован, достаточно совместить сделанные метки на корпусе и приборе, после чего головка фиксируется плавным нажатием руки.

Монтаж термодатчика воздуха

Подобный прибор устанавливается в наиболее холодном жилом помещении без сквозняков (в холле, кухне или котельной его монтаж нежелателен, так как может вызвать нарушения в работе системы).

При выборе места нужно следить, чтобы на устройство не падали солнечные лучи, рядом не должно быть отопительных приборов (обогревателей, радиаторов, труб).

Подключение прибора осуществляется согласно инструкциям, которые находятся в техническом паспорте, при этом используются клеммы или кабель, которые входят в комплект.

При необходимости отслеживания температуры термодатчик в «теплом полу» может располагаться в глубине бетонной стяжки. В этом случае для защиты можно применить гофрированную трубу, имеющую один закрытый торец и покатый изгиб

Последняя особенность позволяет при необходимости извлечь сломанный прибор и заменить его на новый.

Монтаж устройства осуществляется следующим образом:

1. В стене устраивается углубление для крепежа навесного прибора.
2. С термодатчика снимается передняя деталь, после чего приспособление устанавливается на подготовленном участке.
3. Далее к контактам подсоединяется греющий кабель, тогда как к датчикам – клеммы.

Заключительный этап — подсоединение питающего кабеля и установка передней панели на свое место.

Схема подключения термостата для котла отопления подробно описана в этой статье.

Если устройство, для функциональности которого необходимо внутреннее подключение датчиков, имеет сложную конструкцию, лучше обратиться к специалистам.

Датчики температуры ЯКР

Функционирование термометров ЯКР

– ядерного квадрупольного резонанса, происходит за счет действия градиента поля тока решетки кристалла и момента ядра, который вызван отклонением заряда от симметрии сферы. Это создает процессию ядер. Частота зависит от градиента поля решетки и для разных веществ может достигать тысяч мегагерц. Градиент зависит от температуры, с возрастанием которой, частота ЯКР уменьшается. Конструктивно датчики температуры ЯКР представляют собой ампулу с веществом, помещенную в обмотку индуктивности, соединенную с контуром генератора. Когда частота генератора совпадает с частотой ЯКР, энергия генератора поглощается. При замере температуры -263 градуса, допуск составляет ±0,02 градуса, а при 27 градусах — ±0,002 градуса. Несмотря на значительную нелинейность преобразующей функции, термометры ЯКР обладают неограниченной по времени стабильностью.

Пользовательское голосование

Какой датчик температуры с Алиэкспресс вы бы выбрали или посоветовали?

Feiyang DS18B20

33.33% ( 1 )

CG WRNT-03

0.00% ( 0 )

Si Tai&SH DS1820

33.33% ( 1 )

NTC B3950

0.00% ( 0 )

Eiechip DS18B20

0.00% ( 0 )

Dynoracing

0.00% ( 0 )

YAOPEI 226408209R

0.00% ( 0 )

ESIRSUN 71741017

0.00% ( 0 )

M8 PT100

0.00% ( 0 )

RQG DS18B20

0.00% ( 0 )

ESIRSUN 71753245

0.00% ( 0 )

ESIRSUN 277227085R

0.00% ( 0 )

GVDA AT380

0.00% ( 0 )

KT3100

0.00% ( 0 )

Nashone OPS100

0.00% ( 0 )

Awaywar Tuya WIFI

0.00% ( 0 )

Объемные преобразователи

Свойство веществ расширяться и сжиматься при изменении температуры нашло применение в объемных датчиках. Интервал измеряемых температур зависит от стабильности свойств материалов. Обычно этот интервал составляет от -60 до +400 градусов Цельсия при допуске от 10 до 5%. При работе с жидкостью, интервал датчика зависит от температуры закипания и замерзания. При этом, погрешность измерения составляет от 1 до 3% и зависит от температуры среды. Нижняя граница измерений при работе с газом определяется температурой перехода газа в жидкое состояние, верхняя граница – стойкостью баллона к воздействию температуры.