Давачі температури – значення у промисловості

Контроль температури має вирішальне значення у багатьох промислових додатках. Наприклад, під час формування розплаву конструкційної сталевої балки температура суміші заліза та вуглецю впливає формування кристалічного малюнка і, як наслідок, на міцність готової балки. Структури, в яких використовуються ці балки, повинні враховувати розширення та стиснення балки, коли вона досягає твердого стану.

Температура також впливає фізичні властивості електронного пристрою. Відстежувати ці впливи можна за допомогою різних інструментів і методологій.

Розглянемо деякі з найпоширеніших типів та методів давачів температури, а також основи їхньої роботи.
Давачі температури важливі для промислового застосування, тому що:
Вони підходять для використання в чутливих об’єктах, таких як котельні, системи опалення, вентиляції та кондиціювання повітря, електростанції і т. д. Часто використання давача температури, що монтується на поверхні, обмежує процес контролю в місцях, недоступних для людини, наприклад, усередині котлів. Тоді виникає потреба у використанні давачів температури зондового типу.

У промислових операціях, таких як видобуток з корисними копалинами, через характер роботи, існують обмеження на пересування людини. Наприклад, токсичність при видобутку корисних копалин, екстремально високі температури тощо. У таких випадках давачі температури ставляться у складні місця для контролю температури.

Багато процесів обробки матеріалів, такі як кування, лиття і т. д., вимагають дуже високих температур і, як наслідок, використання приладів, призначених для високих температур.

В автомобільних, авіаційних та аерокосмічних додатках використовуються складні зборки, де RTD або термопар для поверхневого монтажу може бути недоцільним. Давачі температури ідеально підходять для цих складних умов.

У медичній промисловості давачі температури зазвичай використовуються як клінічні термометри.

Типи давачів температури

Давачі температури на основі опору

При зміні температури будь-якого провідника змінюється його питомий опір. У складних схемах питомий опір може бути шкідливим, і часто встановлює граничні значення температури для електронних компонентів. Однак цю фізичну характеристику можна використовувати для визначення температури компонента або навколишнього середовища. Двома поширеними пристроями, що використовують питомий опір, є термометри опору (RTD) та термістори.

Давачі температури опору

В RTD використовуються металеві провідники, такі як платина, які мають добре відому залежність температури від питомого опору для створення вимірюваного сигналу, на який безпосередньо впливає температура провідника. Залежність температури від питомого опору деяких металевих матеріалів є відносно лінійною та постійно відтворюваною, що робить термометри опору бажаними у високоточних додатках.

Термометри опору працюють у широкому діапазоні температур і навіть використовуються для вимірювання наднизьких температур, аж до 10 мілікельвінів. Однак платина часто є основним матеріалом у термометрах опору, що робить їх менш рентабельними, ніж більшість інших рішень для вимірювання температури. Більш дешеві RTD зазвичай використовують мідні або плівкові матеріали, але ці пристрої менш лінійні і відтворювані, ніж платинові RTD.

Термістори

Термісторні давачі є значно дешевшою альтернативою RTD, але вони можуть похвалитися тим самим температурним діапазоном, лінійністю чи точністю, як і RTD. Основна відмінність між термісторами і RTD полягає в їхньому конструкційному матеріалі — термістори зазвичай виготовляються з керамічної або полімерної суміші. Термістори в основному мають негативний температурний коефіцієнт (NTC), а це означає, що їхній питомий опір зменшується з підвищенням температури. Термістори NTC мають експоненційну вихідну залежність, що потребує схеми лінеаризації, але вони також мають мінімальну затримку. Ці якості роблять їх затребуваними у середовищах із сильними коливаннями температури.

Термостати: біметалічні пристрої

У термостатах використовуються два провідники, механічно скріплені між собою. Коли ці провідники зазнають впливу різних температур, вони розширюються і стискаються з різною швидкістю. Це розширення та стиснення створює «штовхаючу» або «тягнучу» силу, яка формує двійковий сигнал увімкнення/вимкнення.

Коли традиційні термостати в системах опалення та охолодження житлових приміщень стискаються, пристрій запускає піч доти, доки температура навколишнього середовища не підніметься достатньо, щоб викликати розширення провідників, тим самим відключивши піч. У деяких сучасних термостатах досі використовується ця технологія, особливо захисту ланцюгів чутливої до температури електроніки. Користувачі можуть налаштувати термостат для автоматичного відключення живлення схеми, якщо довкілля стає надто високою, що зрештою захищає схему від пошкоджень.

Термопари: найпоширеніший промисловий давач температури

Термопари є найпоширенішими давачами температури у промислових умовах. Ви знайдете термопари майже в кожній галузі, де потрібно вимірювати температуру, наприклад:

• Виробництво
• Автомобільна промисловість
• Аерокосмічна промисловість
• Сільське господарство

Термопари використовують ефект Зеєбека, коли тепло змушує два різнорідні провідники створювати перепад напруги. Нагрітий провідник оживляє електрони провідника, що з огляду на унікальні властивості металів створює вимірну різницю в електронній активності.

Грунтуючись на цій різниці напруги та відомих відносних відмінностях між металами, можна розрахувати температуру термопари. Зв’язок між напругою та температурою в термопарах нелінійний, тому лінеаризація важлива і при розрахунку температури. Низьковольтна природа ефекту Зеєбека також вимагає посилення сигналу напруги для багатьох програм. Якщо це посилення неправильне, термопари можуть мати низькі допуски. Проте простота, надійність та низька вартість термопара зробили їх популярним вибором в електронній промисловості.

Інфрачервоні давачі температури

Усі температурні давачі, які ми посилалися, призначені для локалізованого вимірювання температури. Це означає, що температура давача повинна бути локальною (або навіть інтегральною) по відношенню до температури пристрою.

З іншого боку, інфрачервоні давачі температури можуть визначати дистанційно температуру поверхні об’єкта, використовуючи технологію термобатарей. Термобатареї використовують самі принципи, як і термопара, виявлення інфрачервоної енергії, випромінюваної об’єктом. Термобатареї виконують це завдання, використовуючи безліч холодних і гарячих спаїв, часто зроблених з напівпровідникового матеріалу, для зміни сигналу, що випромінюється ними.

Інфрачервоні давачі температури можуть навіть складатися з матриць термоелементів, також званих інфрачервоними або тепловізійними камерами, для виявлення візуалізується «зображення» різної інтенсивності інфрачервоного випромінювання. Інфрачервоні давачі, також звані тепловими давачами, вимагають надійної кількості схем, що підтримують, для живлення та інтерпретації сигналу, створюваного давачем. Тим не менш, їх гнучкість та застосовність зробили інфрачервоні давачі температури революційною технологією за останні 50 років. Крім того, інфрачервона технологія пропонує безконтактне вимірювання температури, що робить її широко популярною в галузі медицини та охорони здоров’я.

Посібник з вибору давача температури

Давачі температури слід вибирати після ретельного розгляду вимог вашої програми. Незалежно від типу та технічних характеристик обраного давача температури важливо забезпечити якість та робочі характеристики.

Вибір правильного давача температури для вашої конструкції зводиться до чотирьох факторів:

• Діапазон вимірювання температури
• Довговічність
• Точність
• Затримка

Після того, як ви визначили свої параметри, можна приступати до вибору відповідних компонентів для вашої програми.