Датчики температуры: виды, принцип работы и применение

Датчики температуры применяют для контроля температуры объектов, жидкостей, газов и других сред. При этом разные типы датчиков используют разные физические принципы: температура может преобразовываться в изменение электрического сопротивления, термо-ЭДС или определяться по характеристикам теплового излучения.

Поэтому общего принципа преобразования, одинакового для всех датчиков температуры, нет. Чтобы понимать различия между ними, важно разделять способ взаимодействия с объектом, физический принцип измерения и формат сигнала, который получает измерительная система.

Что такое датчик температуры

Датчик температуры – это средство получения информации о температуре объекта или среды, в котором чувствительный элемент реагирует на температурное воздействие. В зависимости от конструкции датчик может содержать только первичный чувствительный элемент или дополнительно включать электронику для преобразования и обработки его сигнала.

Чувствительный элемент непосредственно воспринимает температурное воздействие. В зависимости от принципа работы результатом может быть изменение электрического сопротивления, возникновение термо-ЭДС, изменение электрических характеристик полупроводникового элемента или сигнал, связанный с тепловым излучением объекта.

Датчик и устройство, которое показывает значение температуры, не всегда являются одним прибором. Например, первичный преобразователь может формировать величину или сигнал, который поступает на измерительный прибор, регулятор или контроллер. Уже измерительная система обрабатывает полученную информацию с учетом характеристики чувствительного элемента и определяет значение температуры.

В общем виде процесс можно представить так:

Температура объекта или среды → чувствительный элемент → изменение физической величины или формирование сигнала → измерительный прибор или контроллер → значение температуры.

Конкретная цепочка зависит от типа датчика. Кроме того, готовый термопреобразователь может содержать встроенную электронику, которая преобразует первичную измеряемую величину в унифицированный аналоговый или цифровой сигнал.

Общая последовательность преобразования температуры в сигнал, обрабатываемый измерительным прибором.

Как работает датчик температуры

Датчик температуры реагирует на изменение температуры через определенное физическое свойство чувствительного элемента или через физический процесс, параметры которого связаны с температурой.

В зависимости от технологии используется:

• изменение электрического сопротивления;
• термоэлектрический эффект;
• изменение электрических характеристик полупроводникового элемента;
• тепловое излучение объекта;
• другой физический принцип, позволяющий установить связь измеряемой величины с температурой.

Поэтому утверждение, что любой датчик температуры формирует напряжение, пропорциональное температуре, неверно. Например, у термопреобразователя сопротивления первичной информативной величиной является сопротивление, у термопары – термо-ЭДС, а при бесконтактном измерении прибор регистрирует тепловое излучение объекта.

От температуры до показания прибора

В общем виде измерение происходит по цепочке:

Температура → чувствительный элемент → первичная измеряемая величина или сигнал → измерительная цепь → преобразование → значение температуры.

Измерительная система должна учитывать характеристику используемого чувствительного элемента. Для термопары измеряется термо-ЭДС и учитываются особенности соответствующего типа термопары. Для термопреобразователя сопротивления определяется электрическое сопротивление и используется его зависимость от температуры. При бесконтактном измерении регистрируется тепловое излучение объекта, после чего прибор определяет температуру с учетом параметров измерения.

При этом формат выходного сигнала готового датчика не всегда совпадает с первичной измеряемой величиной. В устройство может быть встроен нормирующий преобразователь или другая электроника, которая преобразует первичную величину в унифицированный аналоговый или цифровой сигнал. Поэтому при выборе измерительного входа необходимо учитывать не только принцип работы чувствительного элемента, но и фактический выход конкретного устройства.

Какие бывают датчики температуры

Датчики температуры можно классифицировать по нескольким независимым признакам. Для понимания принципов работы наиболее полезны две классификации: по способу взаимодействия с объектом и по физическому принципу измерения.

По способу взаимодействия с объектом:

• контактные;
• бесконтактные.

Контактный датчик получает информацию о температуре после теплообмена чувствительного элемента с объектом или средой. Бесконтактный получает информацию дистанционно, регистрируя тепловое излучение объекта.

По физическому принципу измерения можно выделить:

• термоэлектрические;
• резистивные металлические;
• резистивные полупроводниковые;
• полупроводниковые интегральные;
• инфракрасные и другие радиационные.

Такое разделение позволяет не смешивать термисторы с металлическими термопреобразователями сопротивления: оба типа используют температурную зависимость сопротивления, но их чувствительные элементы, характеристики и области применения различаются.

Эти классификации также нельзя смешивать с конструктивным исполнением. Например, «термопара» характеризует принцип преобразования, а «погружной» – способ применения и конструкцию датчика. Одна и та же технология может быть реализована в нескольких конструктивных исполнениях.

Типы датчиков температуры различаются физическим принципом преобразования температуры в измеряемую величину или сигнал.

Термопары

Термопары относятся к термоэлектрическим преобразователям температуры. Их чувствительный элемент образован термоэлектродами из разных материалов. При различии температур в термоэлектрической цепи возникает термо-ЭДС, которую измеряет подключенный прибор.

Для определения температуры недостаточно просто измерить электрический сигнал. Измерительная система должна учитывать характеристику соответствующего типа термопары и температуру точки сравнения.

Термопары применяются в промышленном оборудовании и технологических процессах, в том числе для высокотемпературных измерений. Возможности конкретного датчика зависят не только от типа термопары, но и от его конструктивного исполнения и условий эксплуатации.

Подробнее принцип действия и конструкция рассмотрены в отдельном материале «Термопара: что это, устройство, виды и принцип работы».

Термопреобразователи сопротивления

Термопреобразователь сопротивления работает за счет закономерного изменения электрического сопротивления металлического чувствительного элемента при изменении его температуры. Измерительный прибор определяет сопротивление и преобразует полученное значение в температуру с учетом характеристики датчика.

В качестве материала чувствительного элемента применяют, в частности, платину и медь. К распространенным примерам платиновых чувствительных элементов относятся Pt100 и Pt1000. Конкретная номинальная статическая характеристика и исполнение должны соответствовать используемому измерительному оборудованию.

Главное отличие от термопары заключается в первичной информативной величине:

термопара формирует термо-ЭДС, а у термопреобразователя сопротивления информативной величиной является электрическое сопротивление.

Если в конструкцию термопреобразователя встроена дополнительная электроника, наружу может передаваться уже не сопротивление, а преобразованный аналоговый или цифровой сигнал. Это не меняет физический принцип работы самого чувствительного элемента.

Схемы подключения, влияние сопротивления соединительных проводов, НСХ, классы допуска и конкретные диапазоны относятся к отдельной теме о термопреобразователях сопротивления.

Термопара формирует термо-ЭДС, а термопреобразователь сопротивления изменяет электрическое сопротивление чувствительного элемента.

Термисторы

Термистор – это температурно-зависимый резистивный элемент, обычно изготовленный из полупроводникового материала. Его электрическое сопротивление существенно изменяется при изменении температуры.

Основные группы термисторов:

• NTC – сопротивление уменьшается при повышении температуры;
• PTC – сопротивление увеличивается при повышении температуры в характерной для конкретного элемента области работы.

Термисторы применяют в электронных устройствах, системах температурного контроля, компенсации и защиты, а также в составе различных датчиков и измерительных узлов.

Термистор и металлический термопреобразователь сопротивления используют один общий информативный параметр – электрическое сопротивление, однако это разные виды чувствительных элементов. В термопреобразователях сопротивления применяются металлические элементы с нормированной зависимостью сопротивления от температуры, а в термисторах – полупроводниковые материалы с более выраженной и, как правило, нелинейной температурной зависимостью.

Полупроводниковые датчики температуры

В полупроводниковых датчиках температура влияет на электрические характеристики полупроводниковых элементов. Эти изменения используются для получения информации о температуре.

В отличие от отдельного термистора, готовый полупроводниковый датчик может представлять собой интегральное устройство со схемами преобразования, компенсации и обработки сигнала. Поэтому его выход зависит от конструкции: он может быть аналоговым либо цифровым.

Такие датчики применяются в электронных устройствах, измерительной аппаратуре и системах управления, где удобно получать обработанный сигнал непосредственно от датчика. Конкретные возможности, допустимые температуры и формат интерфейса определяются характеристиками устройства.

Бесконтактные датчики температуры

Бесконтактные датчики определяют температуру поверхности объекта по его тепловому электромагнитному излучению. Прибор принимает излучение в определенном спектральном диапазоне и по зарегистрированному сигналу рассчитывает температуру.

К таким устройствам относятся инфракрасные датчики и пирометры. Поскольку непосредственный тепловой контакт с объектом не требуется, бесконтактное измерение удобно, когда объект:

• движется;
• находится в труднодоступном месте;
• имеет высокую температуру;
• не допускает или не требует установки контактного чувствительного элемента.

Бесконтактный способ не означает, что результат зависит только от температуры объекта. Существенное значение имеет излучательная способность поверхности: разные материалы и состояния поверхности излучают и отражают инфракрасную энергию по-разному. Особенно это важно для блестящих и отражающих поверхностей.

Имеет значение и оптика прибора. С увеличением расстояния обычно увеличивается область поверхности, излучение которой попадает на приемник. Поэтому измеряемый участок должен соответствовать полю зрения конкретного прибора. Если в него попадает окружающий фон, результат может не соответствовать температуре интересующей поверхности.

Условия применения, излучательную способность, рабочее расстояние и требования к размеру измеряемой области необходимо определять по документации конкретного прибора.

Контактные и бесконтактные датчики температуры

Контактные и бесконтактные датчики отличаются прежде всего способом получения информации о температуре. Это влияет на монтаж, условия измерения и возможные источники погрешности.

Один способ нельзя считать универсально лучше другого. Для контактного измерения важно обеспечить такие условия теплообмена, при которых температура чувствительного элемента достаточно точно соответствует температуре измеряемого объекта или среды. Для бесконтактного – обеспечить корректные условия наблюдения и учитывать свойства поверхности.

Контактный датчик воспринимает температуру через теплообмен с объектом, бесконтактный – по его тепловому излучению.

Чем отличаются основные типы датчиков температуры

Главное различие между типами датчиков заключается в физическом принципе, по которому температура преобразуется в измеряемую величину или сигнал.

Таблица показывает принципиальные различия, но не определяет характеристики любого конкретного изделия. Диапазон температур, точность, время реакции, исполнение, формат выходного сигнала и допустимые условия эксплуатации зависят от конкретного датчика и документации производителя.

Где применяются датчики температуры

Область применения определяется не только отраслью, но прежде всего объектом измерения и условиями процесса. Один и тот же тип чувствительного элемента может выпускаться в разных конструктивных исполнениях для разных сред и способов монтажа.

Для жидкостей в трубопроводах и резервуарах применяют контактные датчики в исполнении, рассчитанном на соответствующую среду, давление и способ установки. Для воздуха и газовых сред важны расположение чувствительной части и условия теплообмена.

В системах отопления, вентиляции и холодильном оборудовании датчики используются для контроля температуры воздуха, теплоносителя, поверхностей и оборудования. Конкретная измеряемая среда и точка установки определяют подходящий принцип и конструкцию датчика.

В технологическом и энергетическом оборудовании, печах и других термических процессах существенными становятся диапазон температур, рабочая среда, стойкость конструкции и способ монтажа. При невозможности установить контактный датчик или при измерении движущейся либо сильно нагретой поверхности может применяться бесконтактный способ.

Таким образом, связь при выборе выглядит не как «отрасль → один тип датчика», а как:

объект измерения → условия процесса → подходящий физический принцип → конструктивное исполнение датчика.

От чего зависит выбор типа датчика температуры

Универсального типа датчика температуры для всех задач не существует. При предварительном выборе учитывают:

• диапазон измеряемых температур;
• требуемую точность;
• рабочую среду;
• необходимость контактного или бесконтактного измерения;
• требуемую скорость реакции;
• конструкцию и способ монтажа;
• расстояние до измерительного оборудования;
• совместимость первичной величины или выходного сигнала с контроллером и измерительным входом;
• условия эксплуатации.

Эти факторы взаимосвязаны. Например, подходящий физический принцип еще не означает, что любое исполнение датчика можно использовать в конкретной среде или температурном диапазоне. Кроме того, скорость реакции зависит не только от типа чувствительного элемента, но и от его конструкции, размеров и условий теплообмена.

После выбора принципа измерения необходимо подобрать конструктивное исполнение и проверить диапазон, метрологические характеристики, условия эксплуатации и требования к подключению по документации производителя.

Часто задаваемые вопросы