Пример выбора датчика температуры по заданным параметрам

Требование: определение температуры жидкости в диапазоне 0-100 °С, где не требуется высокой точности. Задача может заключаться в определении температуры охлаждающей жидкости для двигателя внутреннего сгорания и ее отображении в виде указателя, перемещающегося по шкале, для обозначения безопасных и небезопасных рабочих температур.

Датчик. В качестве датчика может быть использован термистор. Это дешево и надежно. Это наиболее часто используемое решение для охлаждающей жидкости автомобильного двигателя.

Обработка сигнала: изменение сопротивления термистора необходимо преобразовать в напряжение, которое подается к измерительному прибору, преобразуется в ток через него и, следовательно, в перемещение указателя температуры. На рисунке 3.1 показано возможное решение, включающее схему делителя потенциала для преобразования изменения сопротивления в напряжение.

Предположим, мы используем термистор в форме бусинки сопротивлением 4,7 кОм. Он имеет сопротивление 4.7 кОм при 25 °С, 15.28 кОм при 0 °С и 0.33 кОм при 100 °С. Переменный резистор имеет диапазон 0-10 кОм. Он позволяет изменить чувствительность устройства. При этом, если сопротивление переменного резистора равно нулю то, без защитного резистора, через термистор будет протекать большой ток. Защитный резистор предназначен для предотвращения этого. В соответствии с техническими данными, максимальная мощность, которую может выдержать термистор, равна 250 мВт.

Таким образом, при напряжении питания 6 В, переменном резисторе, установленном на нулевое сопротивление, защитном сопротивлении R и температуре термистора 100 °C, ток I через термистор задается V=IR, т.е 6 = I(0+R+330), и поэтому:
I=6/(R+330)

Термистор рассеивает мощность равную I^2*330, и поэтому, если мы хотим, чтобы она была значительно ниже максимально возможной, скажем, 100 мВт, то:

0.100=(6/(R+330))^2*330

Следовательно, защитный резистор должен иметь сопротивление около 15 Ом.

Отображение показаний: Когда температура термистора равна 0 °С, его сопротивление составляет 15,28 кОм. Если установить сопротивление переменного резистора на 5 кОм, а сопротивление защитного резистора — 15 Ом, то выходное напряжение, при напряжении питания 6 В, будет равно:

Uвых=(5.015/15.28+5.015)*6=1.48 В

Когда температура поднимается до 100 °С, выходное напряжение становится:

Uвых=(5.015/0.33+5.015)*6=5.63 В

Таким образом, в требуемом температурном диапазоне выходное напряжение изменяется от 1,48 В до 5,63 В. Для отображения показаний должен использоваться вольтметр покрывающий этот диапазон напряжений.

Калибровка термометров может осуществляться путем определения их показаний при температурах замерзания и кипения для чистых материалов. В качестве альтернативы, калибровка при различных температурах в пределах диапазона может быть выполнена путем сравнения показаний используемого прибора с показаниями образцового средства измерения.

Измерение температуры. Из книги Вильяма Болтона Instrumentation And Control System

Рассмотрим методы измерения температуры, их основные особенности и характеристики. Ниже приведен любительский перевод параграфа 2.7 из книги Вильяма Болтона 2015 года издания.

Свойства, которые меняются при изменении температуры и используются в приборах измерения температуры:

  • расширение или сжатие твердых тел, жидкостей и газов
  • изменение электрического сопротивления проводников и полупроводников
  • термоэлектрическая ЭДС
  • изменение тока на стыке полупроводниковых диодов и транзисторов

Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых датчиков температуры.

Биметаллические пластины

Биметаллическая пластина состоит из двух полос из разных металлов одинаковой длины, соединенных вместе (рис. 2.42). Поскольку металлы имеют разные коэффициенты расширения, когда температура меняется, биметаллическая пластина изгибается. Величина изгиба пластины зависит от используемых металлов, длины пластины и изменения температуры.

Если один конец биметаллической пластины закреплен, то величина перемещения свободного конца является мерой температуры. Это перемещение может использоваться для коммутации электрических цепей, как в простом термостате, который используется в системах внутреннего отопления или для вращения стрелки, как в биметаллических термометрах.

Устройства с биметаллической пластиной надежны, дешевы, имеют погрешность порядка 1% и относительно большую инерционность.

Стеклянные термометры

Стеклянный термометр состоит из резервуара наполненного жидкостью и капиллярной трубки. Высота, на которую распространяется жидкость в капилляре, является мерой температуры. Диапазоны измерения зависят от термометрической жидкости и могут составлять:

  • ртуть от -35 °С до +600 °С
  • спирт от -80 °С до +70 °С
  • пентан от -200 °С до +30 °С

Стеклянные термометры дешевые. Их используют для визуального наблюдения изменения температуры, являются хрупкими, но долговечными (из-за отсутствия механически изнашиваемых частей), при необходимости, могут изготавливаться термометры высокой точности, медленно реагируют на температурные изменения.

Термометры сопротивления (RTD)

Сопротивление большинства металлов линейно возрастает с температурой  и может быть представлено уравнением:

Rt=R0(1+αt), где Rt — сопротивление при температуре t °; R0 — сопротивление при 0 °C; α — константа для металла, называется температурный коэффициент сопротивления.

Датчики температуры сопротивления (RTD) являются простыми резистивными элементами в виде катушек из металлической проволоки, например платины, никеля или медных сплавов.

Платиновые детекторы имеют высокую линейность выходной характеристики, высокую стабильность, погрешность менее +-0,5%, диапазон от -200 до +850 °C, используются в широком диапазоне сред без ухудшения характеристик. Платиновые чувствительные элементы дороже, чем сенсоры из других металлов, однако, очень широко используются.

Никель и медные сплавы дешевле, но имеют меньшую стабильность, более склонны к взаимодействию с окружающей средой и не могут использоваться в таких больших температурных диапазонах.

В продаже доступны платиновые термометры сопротивления со следующими характеристиками:

  • Диапазон от -200 ° C до +800 ° C
  • Точность +-0.01 ° C
  • Чувствительность 0,4 Ом / °C для 100 Ом

Познавательная статья касательно сенсоров термосопротивления здесь.

Термисторы

Термисторы представляют собой полупроводниковые датчики температуры, изготовленные из смесей оксидов металлов, таких как хром, кобальт, железо, марганец и никель. Сопротивление термисторов уменьшается очень нелинейно с увеличением температуры, что иллюстрирует выходная характеристика.

Изменение сопротивления на градус по температуре значительно больше, чем в резистивных датчиках температуры. Например, термистор может иметь сопротивление 29 кОм при -20 °С, 9,8 кОм, при 0 °С, 3,75 кОм при 20 °С, 1,6 кОм при 40 °С и 0,75 кОм при 60 °С. Чувствительный элемент формируется в различные формы элемента, такие как бусины, диски и стержни (рис. 2.45). Термисторы прочные и могут быть очень маленькими, поэтому можно контролировать температуру в конкретной точке. Из-за их небольшого размера они имеют небольшую теплоемкость и поэтому очень быстро реагируют на изменения температуры. Температурный диапазон зависит от соответствующего термистора, варьируется в пределах от -100 до +300 °C. Изменение на 1 °С приводит к значительному изменению сопротивления, следовательно, калибровка термисторов возможна в небольшом диапазоне, чтобы обеспечить точность порядка 0,1 °С или выше. Однако их характеристики, как правило, дрейфуют со временем.

Основным недостатком термисторов является их нелинейность. Термисторы обычно используются для контроля температуры охлаждающей жидкости, температуры наружного воздуха и внутреннего воздуха в автомобилях.

Ниже приведена спецификация для температурного датчика термистора:

  • Точность +-5%
  • Максимальная мощность 250 мВт
  • Коэффициент рассеяния 7 мВт / ° C
  • Время отклика 1,2 с
  • Термическая постоянная времени 11 с
  • Диапазон температур от -40 °C до +125 °C

Термопары

Когда два разных металла соединены вместе, разность потенциалов происходит через соединение. Разность потенциалов зависит от типа используемых металлов и температуры соединения. Термопара включает в себя два таких соединения, как показано на рисунке ниже (1)

Если температура контактов одинакова, то разность потенциалов компенсируют друг друга, и ЭДС отсутствует. При различной температуре между двумя спаями, появляется ЭДС. Значение этого ЭДС E зависит от двух рассматриваемых металлов и температуры t обоих переходов. Если температура одного спая 0 °C, то справедливо следующее соотношение:

E=at+bt2, где a и b константы для рассматриваемых металлов.
Рисунок выше (2) показывает, как ЭДС варьируется в зависимости от температуры для ряда часто используемых пар металлов. Таблицы со значениями ЭДС при разных температурах, доступны для стандартных металлов, используемых для термопар. Основные типы термопар перечислены в таблице 2.1 с диапазонами температур, при которой они обычно используются и их чувствительностью. Эти термопары обозначаются справочными буквами. Термопары из базового металла, E, J, K и T, относительно дешевы и недолговечны. Они имеют погрешность от +-1 до 3%. Термопары из благородных металлов, например R, дороже, но более стабильны с более длительным сроком службы. Они имеют погрешность порядка +-1% и меньше. Термопары обычно устанавливаются в оболочку, чтобы обеспечить им механическую и химическую защиту. Инерционность термопары маленькая, но с оболочкой она может увеличиваться до нескольких секунд, если используется большая оболочка.

Материал Диапазон измерения, °C Чувствительность, мВ/°C
E хромель-константан 0..980 63
J железо – константан -180..760 53
K хромель-алюмель -180..1260 41
R платина-платинородий 0..1750 8
T медь-константан -180..370 43

Термопара может использоваться с эталонным соединением при температуре, отличной от 0 °C. Однако в стандартных таблицах предполагается, что соединение находится около 0 °C, поэтому в таблицы необходимо внести корректировки. Коррекция осуществляется с использованием так называемого закона промежуточных температур, а именно:

Et,0=Et,I+EI,0

ЭДС Et,0 при температуре t, когда холодный спай 0 °C равен ЭДС Et,I при промежуточной температуре I плюс ЭДС EI,0 при температуре I, когда холодный спад составляет 0 °C. Рассмотрим термопару типа E. Ниже приведены данные из стандартных таблиц.

Темп., °C 0 20 200
ЭДС, мВ 0 1.192 13.419

Таким образом, используя закон промежуточных температур, термоэлектрический ЭДС при 200°C с холодным соединением при 20 ° C:
E200,20=E200,0-E20,0=13.419-1.192=12.227 мВ

Обратите внимание, что это не ЭДС заданные таблицами для температуры 180 °С с холодным спаем при 0 °С, а именно 11,949 мВ.

Чтобы поддерживать одно соединение термопары при 0 °С, его необходимо погружать в ледяную воду. Это неудобно, поэтому используется схема компенсации (рис. 2.48) для обеспечения ЭДС, которая изменяется с температурой «холодного» спая таким образом, что когда она добавляется к ЭДС термопары, генерируется объединенный ЭДС, равный ЭДС которая бы образовалась при температуре холодного спая 0 °C (см. раздел 2.9.3), например Analog Devices AD594 (см. рисунок). Данная схема, при использовании термопары железо-константан и напряжением питания +5 В дает выход 10мВ/°С.

Когда термопара подключена к измерительной цепи, в ней задействованы и другие металлы (см. рисунок ниже). Таким образом, мы можем иметь в качестве «горячего» спая соединение между металлами А и В, а «холодный» спай эффективно расширяется за счет введения медных проводов и измерительного прибора. Так как соединения холодного спая с промежуточными материалами находятся при одинаковой температуре, нет дополнительных ЭДС и мы имеем разность потенциалов между металлами А и В.

Термодиоды и термотранзисторы

При изменении температуры полупроводников меняется скорость движения носителей заряда. В результате возникает падение напряжения на p-n-переходе, ток через переход является функцией температуры. Полупроводники, используемые в качестве датчиков температуры, поставляются вместе со схемой обработки сигналов в виде интегральных схем, например LM3911, выходное напряжение которой пропорционально температуре. Аналогичным образом, транзисторы могут использоваться в качестве датчиков температуры. Датчик температуры на основе транзисторов используют интегральную схему LM35. Выходной сигнал этой схемы является линейной функцией температуры, 10 мВ/°C при напряжении питания 5 В. Спецификация для LM35 следующая: Точность при 25 °C ±0,4%; нелинейность 0,2 °C; чувствительность 10 мВ/°С.

Пирометры

Для измерения температуры используются методы, которые связаны с тепловым излучением объекта, включают:

Оптический пирометр

Оптические пирометры основаны на методе сравнении яркости света, которое излучает нагретое тело, со светом известного стандарта.

Радиационный пирометр

Метод, на котором основан принцип действия радиационных пирометров, заключается в измерении общего (суммарного теплового и светового) количества излучения тела, с помощью термосопротивления или термопар.
Оптический пирометр, известный как пирометр с исчезающей нитью, использует только видимую часть спектра, излучаемого горячим объектом. Излучение фокусируется на нить, так что излучение и нить можно рассматривать в фокусе через окуляр. Нить накаляется электрическим током до тех пор, пока она не окажется одинакового цвета с горячим объектом, и изображение нити не исчезнет на фоне горячего объекта. Ток накала является мерой температуры. Красный фильтр между окуляром и нитью обычно используется для упрощения согласования цветов нити и горячего объекта. Еще один красный светофильтр может быть введен между горячим объектом и нитью, что делает объект менее жарким и таким образом расширяет диапазон прибора.


Пирометр с исчезающей нитью имеет диапазон измерения от 600 до 3000 ° С, с погрешностью около +-0,5%, при этом не требуется физический контакт с горячим объектом. Таким образом, он может использоваться для движущихся или удаленных объектов.
Пирометр полного излучения принимает излучение от горячего объекта и фокусирует его на детекторе излучения. На рисунке ниже показана обобщенная конструкция прибора, использующего зеркало для фокусировки излучения на детектор. Иногда используется линза для фокусировки излучения. Детектор (первичный пирометрический преобразователь (ГОСТ 28243-96) обычно представляет собой термоэлемент, состоящий из 20 или 30 термопар, термосопротивлений или термисторов. Детектор называется broad band (аналогичное название на русском я не нашел, дословно «широкой полосой»), поскольку он обнаруживает излучение в широком диапазоне частот, следовательно выходной сигнал представляет собой суммарную мощность излучения длин волн различной частоты. Мощность пропорциональна четвертой степени температуры (закон Стефана-Больцмана). Точность широкодиапазонных пирометров полного излучения составляет около +-0,5%, а диапазон измерения от 0 °С до 3000 °С. Постоянная времени (мера того, насколько быстро система реагирует на изменение температуры и время, затрачиваемое на достижение около 63% конечного значения) пирометра изменяется от 0.1 с, когда детектором является только одна термопара или небольшой термистор, до нескольких секунд, с применением термобатареи из нескольких термопар.

Some instruments use a rotating mechanical chopper to chop the radiation before it impinges on the detector. The aim is to obtain an alternating output from the detector, since amplification is easier with an alternating voltage. It is thus of particular benefit when the level of radiation is low. However, choppers can only be used with detectors which have a very small time constant and thus tend to be mainly used with small bead thermistor detectors.
Последняя часть параграфа мне не совсем понятна и информации по данной конструкции пирометра я не нашел, поэтому без перевода. Здесь говорится об использовании перфорированного диска для переменной подачи излучения на детектор. Это позволяет получить переменной напряжение на выходе, что в свою очередь облегчает усиление сигнала при низком уровне теплового излучения.