Типы датчиков температуры

В каждом приложении могут быть разные потребности в датчиках температуры. Они различаются по тому, что измеряется (воздух, масса или жидкость), где проводится измерение (в помещении или на открытом воздухе) и диапазону измеряемых температур.

Сегодня мы рассмотрим 7 типов датчиков и устройств для измерения температуры, используемых в помещениях и на открытом воздухе — как они работают, чем отличаются друг от друга, а также преимущества и недостатки таких решений.

Термопары

Термопары — наиболее распространенный тип датчиков температуры. Они используются в промышленности, автомобилестроении и бытовой электронике. Термопары являются автономными, не требуют возбуждения, могут работать в широком диапазоне температур и обладают быстрым временем отклика.

Термопары изготавливаются путем соединения двух проводов из разнородных металлов. Это создает эффект Зеебека. Эффект Зеебека — это явление, при котором разница температур между двумя разными проводниками вызывает разность напряжений между двумя веществами. Эту разность напряжений можно измерить и использовать для расчета температуры.

Существует несколько типов термопар, изготовленных из различных материалов, что позволяет работать в разных диапазонах температур и с разной чувствительностью. Различные типы обозначаются буквенными обозначениями.

Некоторые недостатки термопар включают в себя трудности измерения температуры из-за низкого выходного напряжения, требующего точного усиления, восприимчивость к внешним помехам на длинных проводах и наличие холодных спаев. Холодный спай — это место соединения проводов термопары с медными дорожками сигнальных цепей. Это создает еще один эффект Зеебека, который необходимо компенсировать, называемый компенсацией холодного спая.

Резистивный датчик температуры (РТС)

При изменении температуры изменяется и сопротивление любого металла. Именно на этой разнице в сопротивлении основаны терморезисторы. РТС — это резистор с четко определенной температурно-резистивной характеристикой. Платина — наиболее распространенный и точный материал, используемый для изготовления датчиков этого типа.

Платиновые терморезисторы наиболее распространены, поскольку они обеспечивают почти линейную реакцию на изменения температуры, стабильны и точны, обеспечивают повторяемость отклика и имеют широкий температурный диапазон. Терморезисторы часто используются в прецизионных приложениях благодаря своей точности и повторяемости.

Терморезисторы обычно имеют большую тепловую массу и, следовательно, реагируют на изменения температуры медленнее, чем термопары. Для терморезисторов важна обработка сигнала. Им также требуется ток возбуждения, протекающий через датчики. Если этот ток известен, сопротивление можно рассчитать.

Термисторы

Термисторы похожи на терморезисторы тем, что изменения температуры вызывают измеримые изменения сопротивления. Термисторы обычно изготавливаются из полимерного или керамического материала. В большинстве случаев термисторы дешевле, но они также менее точны, чем терморезисторы. Большинство терморезисторов выпускаются в двухпроводном исполнении.

Термистор NTC (с отрицательным температурным коэффициентом) является наиболее распространенным терморезистором для измерения температуры. Сопротивление терморезистора NTC уменьшается с повышением температуры. Терморезисторы имеют нелинейную зависимость сопротивления от температуры. Это требует значительной коррекции для правильной интерпретации данных. Распространенный подход к использованию терморезистора заключается в соединении терморезистора и фиксированного резистора для образования делителя напряжения, выход которого преобразуется в цифровое значение АЦП.

Полупроводниковые интегральные схемы

Полупроводниковые датчики температуры бывают двух типов: локальные датчики температуры и удаленные цифровые датчики температуры. Локальные датчики температуры представляют собой интегральные схемы, которые измеряют температуру собственного кристалла, используя физические свойства транзистора. Удаленные цифровые датчики температуры измеряют температуру внешнего транзистора.

Локальные датчики температуры могут использовать аналоговые или цифровые выходы.

Дистанционные цифровые датчики температуры работают аналогично локальным датчикам температуры, используя физические свойства транзистора. Разница заключается в том, что транзистор расположен удаленно от микросхемы датчика. Некоторые микропроцессоры и ПЛИС используют биполярный транзистор для измерения температуры кристалла целевой микросхемы.

Инфракрасные датчики

Инфракрасные датчики — это бесконтактные датчики. Например, если поднести обычный инфракрасный датчик к передней части стола, не касаясь его, датчик покажет температуру стола на основе своего излучения — вероятно, комнатную температуру.

В случае бесконтактного измерения температуры ледяной воды, показания будут немного ниже 0°C из-за испарения, что может немного занизить ожидаемое показание температуры.

Датчики температуры с фазовым переходом

Датчики фазового перехода измеряют изменение состояния материала, вызванное изменением температуры, например, превращение льда в воду, а затем в пар. Коммерчески доступные устройства выпускаются в виде этикеток, таблеток, карандашей или лаков.

Например, этикетки можно использовать на парогенераторах. Когда парогенератор нуждается в регулировке, он нагревается; затем белая точка на этикетке указывает на повышение температуры, становясь черной. Точка останется черной, даже если температура вернется к норме.

Температурные метки полезны, когда необходимо подтвердить, что температура не превысила определенный уровень, например, по техническим или юридическим причинам во время транспортировки. Поскольку устройства с фазовым переходом не являются электрическими, как биметаллическая полоска, они имеют преимущество в определенных областях применения. Некоторые виды этого семейства датчиков (лак, мелки) не меняют цвет; оставляемые ими метки просто исчезают. Таблеточная версия деформируется визуально или полностью растворяется.

Ограничением является относительно медленное время отклика. Поэтому, если происходит скачок температуры, с резким повышением и последующим падением, видимого отклика может не быть. Точность также не так высока, как у большинства других устройств, широко используемых в промышленности. Однако они очень практичны в приложениях, где требуется необратимая индикация, не требующая электрического питания.

Другие обратимые метки работают по совершенно другому принципу, используя жидкокристаллический дисплей. Цвет дисплея меняется с черного на коричневый, синий или зеленый в зависимости от достигнутой температуры.

Кремниевый диод

Датчик на основе кремниевого диода — это устройство, специально разработанное для криогенного диапазона температур. По сути, это линейные устройства, в которых проводимость диода линейно возрастает при низких криогенных температурах.

Независимо от выбранного датчика, он, скорее всего, не будет работать самостоятельно.

Краткое описание - Датчики температуры

Термопары, терморезисторы, терморезисторы и полупроводниковые интегральные схемы являются основными типами датчиков температуры, используемых сегодня. Термопары недороги, долговечны и могут измерять широкий диапазон температур. Терморезисторы обеспечивают широкий диапазон измерения температуры (хотя и меньше, чем термопары) и обеспечивают точные и воспроизводимые измерения. Однако они медленнее, требуют тока возбуждения и обработки сигнала. Терморезисторы долговечны и малы, но менее точны, чем терморезисторы, и требуют больше коррекций данных для интерпретации температуры. Полупроводниковые интегральные схемы гибки в плане имплантации и могут быть изготовлены в очень маленьких корпусах, но имеют ограниченный температурный диапазон.

Остальные представленные решения являются нестандартными и чаще всего используются в специфических областях применения.