Температурные датчики
В этой статье дано краткое описание наиболее распространенных датчиков температуры.
Часто потребитель, выбирающий средство измерения температуры, обращает внимание только на точность измеряемой величины, приведенную в документации на прибор или преобразователь. Между тем, необходимо понимать с какими датчиками работает данный преобразователь или контроллер.
Термометры сопротивления
Электронный прибор, предназначенный для измерения температуры. Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления металлов, сплавов и полупроводниковых материалов от температуры. При применении полупроводниковых материалов его обычно называют термосопротивлением, терморезистором или термистором. Самый популярный тип термометра – платиновый термометр сопротивления, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры.
Схемы включения
Используется 3 схемы включения датчика в измерительную цепь:
2-проводная. В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление проводов включается в измеренное сопротивление и приводит к появлению дополнительной погрешности. Такая схема не применяется для термометров класса А и АА.
3-проводная обеспечивает значительно более точные измерения за счёт того, что появляется возможность измерить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть их влияние на точность измерения сопротивления датчика.
4-проводная — наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов. При этом по двум проводникам подается ток на датчик, два других, в которых ток равен нулю, используются для измерения напряжения на датчике. Недостаток — увеличение объёма используемого материала, стоимости и габаритов сборки.
В промышленности наиболее распространенной является трёхпроводная схема. Для точных и эталонных измерений используется только четырёхпроводная схема.
Свойства термометров сопротивления трех наиболее распространенных типов
Термисторы
Полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры. Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году. Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.
Два основных типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC ( с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.
Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике.
Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °С. Диапазон наилучшей стабильности термисторов – от 0 до 100 °С. Основными преимуществами термисторов являются вибропрочность, малый размер, малая инерционность и невысокая цена.
Термопары
Старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Принцип работы основан на возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная.
Термопары применяются для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.
Сравнительная таблица трех основных типов контактных температурных датчиков
