Датчики температуры — значение в промышленности

Контроль температуры имеет решающее значение во многих промышленных приложениях. Например, во время формования расплава конструкционной стальной балки температура смеси железа и углерода влияет на формирование кристаллического рисунка и как следствие, на прочность готовой балки. Структуры, в которых используются эти балки, должны учитывать расширение и сжатие балки, когда она достигает твердого состояния.

Температура также влияет на физические свойства электронного устройства. Отслеживать эти влияния, можно с помощью различных инструментов и методологий.

Рассмотрим некоторые из наиболее распространенных типов и методов датчиков температуры, а также основы их работы.

Датчики температуры важны для промышленного применения, потому что:

Они подходят для использования в чувствительных объектах, таких как котельные, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, электростанции и т. д. Часто использование датчика температуры, монтируемого на поверхности, ограничивает процесс контроля в местах, недоступных для человека, например, внутри котлов. Тогда возникает необходимость в использовании датчиков температуры зондового типа.

В промышленных операциях, таких как добыча полезных ископаемых, из-за характера работы, существуют ограничения на передвижение человека. Например, токсичность при добыче полезных ископаемых, экстремально высокие температуры и т. д. В этих случаях датчики температуры ставятся в сложные места для контроля температуры.

Многие процессы обработки материалов, такие как ковка, литье и т. д., требуют очень высоких температур и как следствие, использования приборов, предназначенных для высоких температур.

В автомобильных, авиационных и аэрокосмических приложениях используются сложные сборки, где RTD или термопар для поверхностного монтажа может оказаться нецелесообразным. Датчики температуры идеально подходят для этих сложных условий.

В медицинской промышленности датчики температуры обычно используются в качестве клинических термометров.

Типы датчиков температуры

Датчики температуры на основе сопротивления

При изменении температуры любого проводника изменяется и его удельное сопротивление. В сложных схемах удельное сопротивление может быть вредным, и оно часто устанавливает предельные значения температуры для электронных компонентов. Однако эту физическую характеристику мы можно использовать для определения температуры компонента или окружающей среды. Двумя распространенными устройствами, использующими удельное сопротивление, являются термометры сопротивления (RTD) и термисторы.

Датчики температуры сопротивления

В RTD используются металлические проводники, такие как платина, которые имеют хорошо известную зависимость температуры от удельного сопротивления, для создания измеримого сигнала, на который напрямую влияет температура проводника. Зависимость температуры от удельного сопротивления некоторых металлических материалов является относительно линейной и постоянно воспроизводимой, что делает термометры сопротивления желательными в высокоточных приложениях .

Термометры сопротивления работают в широком диапазоне температур и даже используются для измерения сверхнизких температур, вплоть до 10 милликельвинов. Однако платина часто является основным материалом в термометрах сопротивления, что делает их менее рентабельными, чем большинство других решений для измерения температуры. Более дешевые RTD, как правило, используют медные или пленочные материалы, но эти устройства менее линейны и воспроизводимы, чем платиновые RTD.

Термисторы

Термисторные датчики являются значительно более дешевой альтернативой RTD, но они не могут похвастаться тем же температурным диапазоном, линейностью или точностью, что и RTD. Основное различие между термисторами и RTD заключается в их конструкционном материале — термисторы обычно изготавливаются из керамической или полимерной смеси. Термисторы в основном имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC), а это означает, что их удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры. Термисторы NTC имеют экспоненциальную выходную зависимость, что требует схемы линеаризации, но они также имеют минимальную задержку. Эти качества делают их востребованными в средах с сильными колебаниями температуры.

Термостаты: биметаллические устройства

В термостатах используются два проводника, механически скрепленных между собой. Когда эти проводники подвергаются воздействию различных температур, они расширяются и сжимаются с разной скоростью. Это расширение и сжатие создает «толкающую» или «тянущую» силу, которая формирует двоичный сигнал включения/выключения.

Когда традиционные термостаты в системах отопления и охлаждения жилых помещений сжимаются, устройство запускает печь до тех пор, пока температура окружающей среды не поднимется достаточно, чтобы вызвать расширение проводников, тем самым отключив печь. В некоторых современных термостатах до сих пор используется эта технология, особенно для защиты цепей чувствительной к температуре электроники. Пользователи могут настроить термостат для автоматического отключения питания схемы, если окружающая среда становится слишком высокой, что в конечном итоге защищает схему от повреждений.

Термопары: наиболее распространенный промышленный датчик температуры

Термопары являются наиболее распространенными датчиками температуры в промышленных условиях . Вы найдете термопары почти в каждой отрасли, где требуется измерение температуры, например:

• Производство
• Автомобильная промышленность
• Аэрокосмическая промышленность
• Сельское хозяйство

Термопары используют эффект Зеебека, когда тепло заставляет два разнородных проводника создавать перепад напряжения. Нагретый проводник оживляет электроны проводника, что, учитывая уникальные свойства металлов, создает измеримую разницу в электронной активности.

Основываясь на этой разнице напряжений и известных относительных различиях между металлами, можно рассчитать температуру термопары. Связь между напряжением и температурой в термопарах нелинейна, поэтому линеаризация важна и при расчете температуры. Низковольтная природа эффекта Зеебека также требует усиления сигнала напряжения для многих приложений. Если это усиление выполнено неправильно, термопары могут иметь низкие допуски. Однако простота, надежность и низкая стоимость термопара сделали их популярным выбором в электронной промышленности.

Инфракрасные датчики температуры

Все температурные датчики, на которые мы ссылались, предназначены для локализованного измерения температуры. Это означает, что температура датчика должна быть локальной (или даже интегральной) по отношению к температуре устройства.

С другой стороны, инфракрасные датчики температуры могут дистанционно определять температуру поверхности объекта, используя технологию термобатарей. Термобатареи используют те же принципы, что и термопара, для обнаружения инфракрасной энергии, излучаемой объектом. Термобатареи выполняют эту задачу, используя множество холодных и горячих спаев, часто сделанных из полупроводникового материала, для изменения излучаемого ими сигнала.

Инфракрасные датчики температуры могут даже состоять из матриц термоэлементов, также называемых инфракрасными или тепловизионными камерами, для обнаружения визуализируемого «изображения» различной интенсивности инфракрасного излучения. Инфракрасные датчики, также называемые тепловыми датчиками, требуют надежного количества поддерживающих схем для питания и интерпретации сигнала, создаваемого датчиком. Тем не менее, их гибкость и применимость сделали инфракрасные датчики температуры революционной технологией за последние 50 лет. Кроме того, инфракрасная технология предлагает бесконтактное измерение температуры, что делает ее широко популярной в области медицины и здравоохранения.

Руководство по выбору датчика температуры

Датчики температуры следует выбирать после тщательного рассмотрения требований вашего приложения. Независимо от типа и технических характеристик выбранного датчика температуры важно обеспечить качество и рабочие характеристики.

Выбор правильного датчика температуры для вашей конструкции сводится к четырем факторам:

• Диапазон измерения температуры
• Долговечность
• Точность
• Задержка

После того, как вы определили свои параметры, можно приступать к выбору подходящих компонентов для вашего приложения.