Как выглядит датчик температуры

Датчик температуры: принцип работы, измерения и температурный диапазон

Современное производство просто немыслимо без автоматизации различных технологических процессов. Начиная от атомной станции и заканчивая автомобилями, везде можно обнаружить элементы автоматического контроля и регулирования необходимых параметров. Давление, угловая и линейная скорости, температура и многие другие параметры необходимо контролировать для более эффективной работы всего производства или машины.

Среди общего многообразия контролируемых параметров около половины занимает измерение и контроль температуры. Причём одной из наиболее важных деталей всей системы является датчик. Исходя из того, что условия и диапазоны температур могут сильно варьироваться, датчики и первичные преобразователи исполняются с различными свойствами и качествами в зависимости от технологических требований.

Сам по себе датчик измерения температуры является устройством, способным получать измеряемую величину и преобразовывать её в сигнал для последующей обработки и регулировании контролирующим прибором. Проще говоря, он является преобразователем одной величины (температуры) в другую величину (электрический ток, сопротивление), которую способен обработать прибор (к примеру, регулятор температуры) и на основании полученных данных выполнить действия, для которых создаётся сам этот прибор. К примеру, при достижении температуры выше заданной прибор может отключить исполнительный механизм для остановки источника (среды) нагрева.

Виды датчиков температуры

Ввиду того что условия и диапазоны измерений для разных задач могут сильно отличаться, а требования к измерению различных температурных параметров быть разными, соответственно, и для выполнения тех или иных задач термопреобразователь должен соответствовать этим условиям и определённым требованиям. Поэтому они могут быть разными и использовать в работе различные свойства материалов. Таким образом, датчики бывают:

• Полупроводниковые;
• Терморезистивные;
• Акустические;
• Термоэлектрические;
• Пьезоэлектрические;
• Пирометры.

Коротко опишем особенности каждого из них, чтобы можно было представлять, в каких случаях необходимо использовать тот или иной прибор.

Полупроводниковые термоэлектрические

Термопреобразователи этого типа востребованы в производствах, так как являются недорогими и довольно точными приборами с низкой погрешностью. Под воздействием температуры такой датчик регистрирует изменения в свойствах p-n перехода. Здесь может использоваться практически любой диод или же биполярный транзистор. Высокая точность полупроводниковых термодатчиков достигается за счёт зависимости напряжения на транзисторе от абсолютной температуры.

Терморезистивные термоэлектрические преобразователи

Основными положительными сторонами подобных термодатчиков является их долговечность, стабильность и высокая чувствительность. Они прекрасно вписываются практически в любую схему.

Работа таких термопреобразователей основывается на изменении сопротивления под действием температуры на проводник или полупроводник. Проще говоря, они содержат в своей конструкции терморезистор, который реагирует на изменение замеряемой среды.

В зависимости от материала, используемого в терморезистивных термодатчиках, их разделяют на:

1. Кремниевые резистивные, которые отличаются долговременной стабильностью и высокой точностью.
2. Резистивные детекторы температуры, отличающиеся высокой стабильностью, прочностью и точностью. В основе их работы заложена способность металлов изменять своё сопротивление при воздействии температуры. Чаще в таких датчиках используют платину или медь, а при контроле особо высоких температур — вольфрам. Единственным их недостатком является относительно высокая стоимость.
3. Работа термисторов основана на использовании металлооксидных соединений. Применяют их лишь для замеров абсолютных температур. Основным из минусов можно выделить необходимость калибровки и недолговечность.

Акустические бесконтактные устройства

Такой тип температурного датчика применяется преимущественно для измерения высоких температур. Принцип действия их основан на изменении характеристик звука при различных температурах. Состоит такой термодатчик из приёмника и излучателя. Звук, проходя через исследуемую среду, попадает в приёмник, где фиксируются его параметры, и на их основе определяется температура.

Акустические термодатчики часто используются в медицине и там, где невозможно измерить температуру контактными способами. Одним из основных их недостатков является низкая точность измеряемых температур и высокая погрешность вследствие дополнительных особенностей.

Термоэлектрические датчики

Термоэлектрические датчики, или, проще говоря, термопары отличаются широким спектром измеряемых показателей — от -200 до 2200 градусов Цельсия. При этом их возможности зависят от использованных материалов. Так, термопары из неблагородных металлов позволяют измерять температуру до 1100 °C, с благородными до 1600 °C, а для замера особо высоких терморежимов используются термопары с тугоплавкими металлами типа вольфрама.

Принцип работы термоэлектрических датчиков основан на эффекте Зеебека, т. е. используются спаи разнородных металлов, образующих замкнутый контур, в котором возникает электрический ток, когда места спаев имеют различную температуру. Состоит термопара из двух концов: рабочий и свободный. Первый погружается непосредственно в рабочую среду, а второй нет. Таким образом, возникает разность температур, что отображается в виде выходного напряжения, которое фиксируется мультивольтметром, зачастую входящим в комплект с термоэлектрическим датчиком.

Пьезоэлектрические кварцевые приборы

Принцип работы датчика температуры пьезоэлектрического основан на использовании кварцевого пьезорезонатора. Используемый в нём пьезоматериал исполняет роль резонатора. Когда на него подаётся электрический ток, то этот материал начинает колебаться при воздействии разных терморежимов, и частота колебаний также изменяется, что и положено в основу пьезоэлектрических датчиков.

Бесконтактные термопреобразователи пирометры

Бесконтактные датчики, способные фиксировать тепловое излучение от нагретых тел, называются пирометрами. Удобство подобных приборов заключается в том, что нет необходимости помещать его непосредственно в среду. Однако без прямого контакта точность их показаний относительно низка, ведь здесь могут присутствовать побочные явления, влияющие на показания.

Существует три типа пирометров:

1. Интерферометрические пирометры испускают два луча, которые проходят один через среду, а второй является контрольным. Два этих луча попадают на кремниевый чувствительный элемент, после чего сравнивается преломление и длина лучей, непосредственно зависящие от нагрева среды.
2. Флуоресцентные термодатчики работают по более сложному принципу: на поверхность, где необходимо замерить количество тепла, наносятся компоненты на основе фосфора. После этого объект подвергается ультрафиолетовому импульсному излучению, в результате чего происходят определённые реакции, а излучение подвергается анализу.
3. Датчики, которые содержат растворы, способные менять окраску под воздействием температур. Хлорид кобальта, применяемый в подобных пирометрах, при контакте с измеряемой средой способен изменять цветовой спектр в зависимости от степени нагрева. Таким образом, величина света, проходящего через раствор, позволяет измерять необходимые термопараметры.

Правила выбора

Все вышеперечисленные датчики превосходно выполняют свои функции в заданных пределах. Однако нужно понимать, что выбирать и использовать их необходимо исходя из требований в конкретно взятом случае.

Поэтому при выборе того или иного термопреобразователя стоит уделять внимание следующим моментам:

1. Величина температурного диапазона.
2. Возможность погрузить датчик в измеряемую среду. Если такая возможность отсутствует, то стоит прибегнуть к помощи пирометров или акустических датчиков.
3. Условия измерения являются одним из наиболее важных моментов при выборе датчика. Здесь стоит учитывать не только агрессивность среды, но и такие параметры, как: давление, влажность и т. д. Поэтому выбирать стоит либо бесконтактные датчики, либо в коррозиестойких корпусах.
4. Природа выходного сигнала всегда также должна учитываться. Ведь одни термопреобразователи могут сразу пересчитать сигнал в градусы, а другие выдают его лишь в величине тока.
5. Некоторые датчики довольно нестабильны и недолговечны, что также стоит брать во внимание. Поэтому если требуется долгая работа без замены и калибровки, то этот нюанс также должен быть учтён.
6. Нелишним будет при выборе датчика под определённые потребности обращать внимание и на время срабатывания, разрешение и погрешность, рабочее напряжение питания, тип корпуса.

Учтя все вышеперечисленные нюансы, можно подобрать датчик, полностью соответствующий по своим характеристикам в отдельно взятой ситуации и для конкретно поставленных задач.

Виды и принцип работы термодатчиков

Основной принцип работы температурных датчиков в системах автоматического управления – преобразование температуры в электрическое значение. Эффективность использования электрических величин обеспечена: удобством передачи на большие расстояния с высокой скоростью, возможностью их обратной трансформации, преобразования в цифровой код, чувствительностью измерений. Различают несколько типов устройств.

Принцип действия устройства основан на термоэлектрическом эффекте: если в замкнутом контуре из двух полупроводников или проводников места спаев (контактов) имеют разную температуру, то в нем возникает электрический ток. Спай, расположенный в среде, в которой происходит измерение температуры, называется «горячим», противоположный контакт – «холодным». Чем больше температура измеряемой среды отличается от температуры воздуха, тем больший электрический ток возникает. Эти измерительные устройства могут иметь изоляционный слой или изготавливаться без него. Во втором случае термопары могут использоваться только в схемах, не контактирующих с «землей».

Схематичное изображение термодатчика

Виды термопар

• Хромель-алюминиевые. В основном применяются в промышленности. Характерные особенности: широкий температурный интервал измерений -200…+13000°C, доступная стоимость. Не допускаются к применению в цехах с высоким содержанием серы.
• Хромель-копелевые. Применение сходно с предыдущим типом, особенность – сохранение работоспособности только в неагрессивных жидких и газообразных средах. Часто используются для измерения температуры в мартеновских печах.
• Железо-константовые. Эффективны в разреженной атмосфере.
• Платинородий-платиновые. Наиболее дорогие. Для них характерны стабильные и точные показания. Используются для измерения высоких температур.
• Вольфрам-рениевые. Обычно в их конструкции присутствуют защитные кожухи. Основная область применения – измерение сред со сверхвысокими температурами.

Терморезистивные датчики

Принцип действия резистивных датчиков температуры (RTD) основан на зависимости сопротивления проводника или полупроводника от температуры. Для изготовления проводников применяют материалы с высоким температурным коэффициентом сопротивления и линейным соответствием сопротивления и температуры. Указанные характеристики относятся к пластине, в несколько меньшей степени – к меди.

Преимущества проводниковых термометров сопротивления:

• простая и надежная конструкция, которая обуславливает использование этих устройств в машиностроении и электронике;
• высокая точность и чувствительность;
• простые устройства считывания.

Пример – модель 700-101ВАА-В00, в конструкции которой присутствуют платиновая пластинка и никелевые контакты. Платиновые устройства могут работать в пределах -260…+1100°C.

Полупроводниковые датчики температуры демонстрируют высокую стабильность характеристик во времени. Полупроводниковые терморезисторы имеют большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Датчики температуры с отрицательным ТКС называются термисторами (с ростом температуры сопротивление снижается), с положительным – позисторами (с возрастанием температуры сопротивление увеличивается). Обозначение термисторов – NTC, позисторов – PTC.

Аналоговые и цифровые термометры

Аналоговые

Эти устройства обычно недороги и не требуют сложного ухода. Главная их проблема – шкала. Либо она показывает температуру с высокой точностью, но измерительный интервал при этом очень мал, либо охватывает широкий температурный диапазон, но точность показаний – приблизительна.

Цифровые

Такие устройства дороже, по сравнению с аналоговыми, но их точность гораздо выше. Позволяют производить измерения в широком интервале, применяются в быту и технике.

Сравнение датчиков температуры. Часть 1, аналоговые

Проверите свою наблюдательность? Скажите, сколько датчиков температуры находится в вашем доме? Посчитаю, на примере квартиры. В холодильнике два, основная камера и морозилка; электрический чайник, умеет греть от 60 °C до 100 °C; мультиварка, имеет защиту от перегрева; газовая плита, прекращает подачу газа при отсутствии пламени и поддерживает температуру в духовке; в комнате метеостанция; в шкафу медицинский градусник; на балконе устройство для полива фиалки; в ванной водонагреватель и стиральная машина; в рабочей комнате ноутбук, а на столе паяльная станция. Наверняка датчики температуры есть и в смартфоне, но уже из перечисленного набралось больше дюжины. В ноутбуке вовсе не один датчик, AIDA64 насчитала семь. Итого: 19.

Цифровой градусник выбился в лидеры по точности показаний. Ошибка в 0.1 °С для данного прибора не страшна, ошибка в 1 °С повлияет на ваше настроение или изменит планы на день. Термостат газовой плиты стал лидером среди экстремальных значений, температура в духовке поддерживается на уровне 200…300 °С. От корреляции реальной и измеренной температуры зависит качество приготовляемого картофеля.

Создается впечатление, что невозможно разрабатывать электронику, не измеряя при этом температуру. В инженерной практике доводилось подогревать платы по сигналу DS18B20, калибровать термистор 103F-ET-1-3435F066, включать греющий кабель при росте сопротивления NTCLE100E3 выше порога, поддерживать стабильность температуры по данным от SHT40-AD1B-R2. Поводом к написанию публикации послужило наблюдение: разница показаний около 1 °С двух цифровых датчиков. Любопытство и инженерная потребность точности не позволяют пройти мимо обозначенного вопроса.

Как сравнить датчики температуры между собой? Соберём горстку разных датчиков и подключим все к микроконтроллеру. Далее организуем сбор данных и вывод на график. В силу большого объема материала публикация разделена на три части: обзор аналоговых датчиков, обзор цифровых и практика. Тем, кому по душе изучать загадочные характеристики микросхем или у кого есть насущная задача использовать датчик температуры в своей DIY разработке, предлагаю начать ознакомление с теории. Те, кого интересуют результаты, могут сразу перейти к графикам.

Для сравнения выбраны следующие датчики:

Наименование датчика

Основные характеристики

Описание

Диапазон измеряемых температур от 0°C до 1024°C, рабочий диапазон микросхемы от -20°C до +85°C, разрешение АЦП 12 бит, интерфейс SPI, корпус SO8

Цифровой датчик температуры

Диапазон измеряемых температур от -55°C до 125°C, точность ±0.5°C в середине рабочего диапазона, интерфейс 1-wire, корпус TO92

Высокоточный датчик температуры и влажности

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 85°C, точность ±0.3°C, интерфейс I2C, корпус DFN-6

Высокоточный датчик температуры, давления и влажности

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 85°C, точность датчика температуры ±1°C, интерфейс I2C, корпус LGA-8

Датчик температуры с функцией теплового сторожевого таймера

Диапазон измеряемых температур от -55°C до 125°C, точность ±0.5°C, интерфейс I2C, корпус SSOP8

Аналоговый датчик температуры

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 100°C, точность ±2°C, корпус SO8

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 125°C

Внутренний датчик температуры микроконтроллера

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 85°C

Сбором показаний будет заниматься отладочная плата с микроконтроллером STM32G030F6P6. Прежде, чем перейти к рассмотрению самих датчиков, уделим внимание не менее важному вопросу – качеству питающего напряжения.

Источник опорного напряжения

При плохом питании у человека может наблюдаться гипотермия (пониженная температура тела), а при голодании температура, наоборот, повышается. В этом плане, датчики мало отличаются от людей, отсутствие стабильности напряжения питания не способствует росту точности показаний. В первую очередь это относится к аналоговым датчикам, опросом которых занимается АЦП.

Контроллер STM32G0 имеет всего один питающий вывод, объединенный VDD/VDDA, а на отладочной плате установлен простой линейный стабилизатор AMS1117. Так что точность измерений упадет в силу отсутствия достойной фильтрации по питанию, отсутствия полигона земли и длины соединительных проводов. Однако можно контролировать напряжение стабилизатора, ведь в микроконтроллере есть встроенный источник опорного напряжения. Принцип измерения показан на рисунке 1.

При изменении питающего напряжения показания с VREFINT также будут меняться. Для выбранного микроконтроллера значение внутреннего источника опорного напряжения составляет 1.212 В. Т.е. можно составить пропорцию:

Приведу пример на числах. Допустим с 12-и разрядного АЦП получаем значение 1516 единиц. По формуле рассчитываем:

Проверка Vpow прецизионным мультиметром дает 3.279 В, т.е. относительно VREFINT напряжение измеряется весьма точно. Расчет показаний с аналоговых датчиков привязан к уровню напряжения 3.3 В, за счет схемы питания вносится незначительная погрешность. Дополнительный контроль напряжения питания позволит убедиться в корректности показаний, а его проверка получилась без каких-либо внешних компонентов.

Датчик температуры микроконтроллера

Аналоговый датчик температуры есть внутри микроконтроллера STM32G0. Мелочь, а приятно! Вспоминается пример из практики – включение подогрева платы при температуре ниже -20 °С. Если бы тогда на борту стоял G0, удалось бы сэкономить на датчике температуры. Но добиться очень точных показаний не получится. В памяти МК данной серии сохранена только одна калибровочная константа (по адресу 0x1FFF75A8), соответствующая температуре 30 °С. Согласно документации единицы АЦП для контроллера STM32G030 изменяются пропорционально температуре с углом наклона 2.5 мВ/°С.

И сразу загвоздка: «Measured at VDDA = 3.0 V ±10 mV. The V30 ADC conversion result is stored in the TS_CAL1 byte [1]». Зачем STM поменяли напряжение питания при калибровке на 3 В остается загадка, для серии F0, например, используется 3.3 В. Соответственно необходимо пересчитать калибровочную константу TS_CAL1 на напряжение 3.3 В. Для моего контроллера получаем:

Где d – коэффициент деления, ADC_calib – значение АЦП при 30 °С из памяти.

Внимательный читатель может задаться вопросом, почему TS_CAL1 делится на d, а не умножается. Ответ скрыт где-то в толще полупроводниковых слоёв микросхемы. Все зависит от того, в верхнем или нижнем плече внутреннего делителя STM32G0 установлен термочувствительный элемент. Эксперименты показали, что на d нужно делить.

Попробуем найти уравнение температурной зависимости. Опорное напряжение в моем случае 3300 мВ, разрешение АЦП 12 бит. Имеем:

Т.е. показания АЦП изменяются на 3,1 единицы при изменении температуры на один градус при напряжении питания 3,3 В. Согласитесь, что это совсем мало. Даже учитывая, что датчик подключен к каналу внутри микросхемы, т.е. эффект помех и наводок минимален, оперировать единичными значениями не особенно удобно.

Уравнение температурной зависимости будет таким:

Проверка нескольких микросхем подтвердила, что константа TS_CAL1 слегка изменяется, STMicroelectronics действительно калибрует чипы. В итоге для моей микросхемы имеем уравнение:

Для повышения точности и экономии памяти в программе целесообразно умножить все величины на 10 (не работать с плавающей точкой) и использовать int32_t. Время измерения аналогового сигнала с внутреннего датчика температуры должно быть больше чем T_{S_temp} = 5 мкс. Также после подключения канала АЦП необходимо выждать время стабилизации сигнала t_START = 120 мкс.

Выводы по датчику температуры микроконтроллера:

Подходит для задач, где не требуется высокая точность;

Чипы калибруются, но только одним значением. Внутренний датчик температуры достался за бесплатно и это хорошо;

Коэффициент наклона прямой зависит от питающего напряжения, его необходимо учитывать при расчетах;

Термистор MF52

Термистор, т.е. терморезистор – это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. NTC термистор (Negative Temperature Coefficient) увеличивает свое сопротивление с уменьшением температуры, ориентировочный вид зависимости показан на рисунке 3. Мало того, что зависимость нелинейная, ещё имеется разброс сопротивлений от Rmin до Rmax для каждой точки кривой.

Однако у термистора есть одно отличительное качество – его крайне низкая цена. Поэтому при массовом производстве ширпотреба термисторы незаменимы. А характеристику можно «записать» в память и получать показания разумной точности. Но сперва разберемся с главной характеристикой – коэффициентом температурной чувствительности B.

Этот коэффициент рассчитывается на основе значений сопротивления при двух конкретных значениях температур. Например, для термистора B57164K0472 NTC 4.7 кОм, имеем значение B25/100 = 3950. Т.е. расчёт коэффициента выполнялся на основе сопротивлений, полученных при 25 °С и 100 °С. Коэффициент B измеряется в Кельвинах и рассчитывается при помощи соотношения:

Данное соотношение называется уравнением Стейнхарта-Харта. «Уравнение позволяет по измеренному сопротивлению терморезистора вычислить его температуру и обратно — по температуре терморезистора вычислить его сопротивление, обеспечивает хорошую точность во всем рабочем диапазона температур [3]»

Вычислим коэффициент B для термистора B57164K0472, необходимые данные по температуре и сопротивлению содержатся в документации.

Как видно, рассчитанное и заявленное значения практически совпали. Терморезистор B57164K0472 выбран в качестве подопытного, т.к. для него имеется таблица сопротивлений для всего диапазона рабочих температур. В противном случае замеры можно выполнить вручную, что влечет дополнительные трудозатраты.

Также можно вычислить значение температуры, зная текущее сопротивление термистора и коэффициент B:

Где R100 — сопротивление термистора при температуре 100 °С (T100), выраженных в Кельвинах. Кстати, формула действительно дает хорошее приближение, свидетельство представлено на графике:

Кривая T(R) построена по точкам документации, Tf(R) по формуле Стейнхарта-Харта. Но мы же понимаем, что вычислять натуральный логарифм внутри микроконтроллера – не самый разумный подход. Намного удобнее воспользоваться табличным методом.

Образуем резистивный делитель напряжения с термистором в качестве нижнего плеча. Изменение температуры ведет к изменению напряжения делителя, за которым наблюдает АЦП контроллера. Все подготовительные работы лучше выполнить в Excel, учесть номинал верхнего плеча и разрядность АЦП. На выходе получаем таблицу значений: зависимость единиц АЦП от температуры.

Таблицу сохраняем в память контроллера и соотносим текущее измеренное значение с тем, что хранится в таблице. Если значение совпало (попало в диапазон), текущий индекс массива пересчитываем в значение температуры. Для повышения точности разумно сделать дополнительную линейную аппроксимацию. В моем случае таблица задана с шагом 5°С, деление диапазона между точками массива на 10, позволяет получить разрешение в 0.5 °С.

Выводы по термистору MF52:

Зависимость сопротивления от температуры для MF52 неизвестна, но зная B = 3950, можно использовать либо таблицу от B57164K0472 либо формулу Стейнхарта-Харта. В программе лучше реализовать расчет температуры табличным методом.

Если мощности контроллера позволяют, то с небольшой помощью вместо логарифмов можно составить полином и вычислять температуру по формуле. Однако потребуется как минимум третья степень полинома.

Термистор включается в схему в верхнее или нижнее плечо делителя напряжения (от этого будет зависеть вид характеристики). Изменение сопротивления термистора приводит к изменению напряжения делителя.

Выбирая номиналы делителя (резистора и термистора), следует учесть, что протекающий через термистор ток вызывает его нагрев и, как следствие, искажение показаний.

Между термисторами MF52 в приобретённой партии наблюдается повторяемость характеристик, замеры сопротивления в комнате показали значения: 3.69 Ом, 3.64 Ом, 3.70 Ом, 3.67 Ом, 3.63 Ом, 3.61 Ом, 3.58 Ом. Значит, единожды откалибровав термистор можно более не возвращаться к этому вопросу.

При должной калибровке с термистором можно получить высокую точность измерений, а стоит он копейки.

Датчик температуры LM335MX

От уравнения для определения коэффициента температурной чувствительности изменяется мое артериальное давление, а от названия «соотношение Стейнхарта-Харта» темнеет в глазах. Последующая калибровка и реализация табличного метода расчёта также не добавляет энтузиазма. Как же хочется увидеть простую линейную зависимость с нормальным угловым коэффициентом. Описание микросхемы LM335 для меня, звучит словно музыка.

«Датчик температуры LM335 работает как стабилитрон с напряжением стабилизации прямо пропорциональным температуре. Датчик имеет линейную зависимость с углом наклона прямой 10mV/°K. С динамическим импедансом менее 1 Ом устройство потребляет от 400 мкА до 5 мА без изменения характеристики. Рабочий диапазон температур LM335 от -40 °С до 150 °С. [4]»

В данном случае используется другой физический процесс – зависимость напряжения пробоя (а не сопротивления) от температуры. Схема подключения датчика показана на рисунке:

При напряжении питания 3.3 В резистор в 150 Ом дает ток в 1 мА. Подстрочным резистором не сложно вывести датчик на нужную температуру, иначе ошибка может достигать нескольких градусов.

Напряжение на выходе микросхемы растёт пропорционально температуре с углом наклона 10 мВ/°С (в документации указано изменение на градус Кельвина, но угол от этого не меняется). Выведем уравнение температурной зависимости. Опорное напряжение 3300 мВ, разрешение АЦП 12 бит. Имеем:

Т.е. напряжение на АЦП изменяются показания на 12,412 единиц при изменении температуры на один градус (сравните с датчиком внутри микроконтроллера). Также из документации становится ясно, что при 25 °С напряжение на выходе микросхемы составляет 2980 мВ. Уравнение температурной зависимости:

Заявленная точность измерения температуры после калибровки составляет менее 1 °С практически во всем рабочем диапазоне, соответствующая кривая приводится в документации. Как и в случае с термистором, важно ограничить протекающий через микросхему ток, не потворствовать самонагреву, следить за стабильностью питающего напряжения. Дополнительное внимание следует уделить выбору корпуса микросхемы и трассировке печатной платы. Общая идея проста – трассировать плату так, чтобы обеспечить температуру микросхемы равной температуре измеряемого объекта.

Выводы по датчику температуры LM335:

Микросхема имеет линейную характеристику, что облегчает снятие показаний;

Для достижения точности менее 1 °С требуется калибровка подстроечным резистором;

Имеется исполнение в нескольких типах корпуса;

Преобразователь термопары MAX6675

На любой зависимости некоторого процесса от температуры можно сделать термодатчик. Но не каждый датчик получится сделать простым, компактным и надежным. Термопара представляет интересный случай, когда малый размер датчика, простота, хорошая точность показаний и очень широкий рабочий диапазон соединяются в одном устройстве.

В основу принципа работы термопары положен термоэлектрический эффект, называемый также эффектом Зеебека. Оказывается, что если соединить последовательно два разнородных металлических проводника, и затем нагреть место соединения, то возникнет некоторая разность потенциалов. Далее делаем два спая, один «рабочий», другой «холодный» и соединяем их между собой. Рабочий спай помещаем в измеряемую среду, а холодный держим при температуре 0 °С. При разных температурах спаев по термоэлектродам протекает ЭДС, прямо пропорциональная разности этих температур. Хорошую демонстрацию эффекта Зеебека можно посмотреть по ссылке.

В качестве материалов термоэлектродов применяются различные сплавы, что определяет характеристики термопар и возможности их применения. Согласно ГОСТ Р 8.585-2001 термопары разделяются на типы: E (хромель-константан), J (железо-константан), K (хромель-алюмель), M (медь-копель), N (нихросил-нисил) и другие. Дело остается за малым, точно измерить возникающую в результате нагрева или охлаждения спая разность потенциалов. На помощь приходит микросхема MAX6675, блок-диаграмма которой показана на рисунке 6.

Для точности измерений холодный спай должен всегда иметь неизменную температуру. Поскольку этого довольно сложно добиться, применяются компенсационные схемы. MAX6675 высчитывает температуру относительно виртуального нуля, учитывая температуру окружающей среды. Последняя определяется при помощи термочувствительного диода. Для термопары типа K напряжение в цепи изменяется на 41 мкВ/°C, напряжение на электродах определяется соотношением:

Зная характеристику термопары и температуру окружающей среды Tamb из данного соотношения не трудно найти температуру рабочего спая Tr.

В документации на MAX6675 приводится ряд рекомендаций по трассировке микросхемы. Часть требований относится к толщинам дорожек и полигонам, но встречаются и более необычные. Например, производитель рекомендует избегать механического напряжения на плате и вибраций, рекомендуется периодически проверять и записывать сопротивление термопары. Все это говорит о том, что процесс измерений намного сложнее, чем кажется с первого взгляда. Когда речь идет о величинах порядка десятков микровольт, измерительной схеме нужно уделить особое внимание.

Выводы по конвертеру термопары MAX6675:

Работать с термопарой намного сложнее чем с термистором, нужна более сложная схема измерения напряжения. MAX6675 освобождает нас от лишней работы, представляя готовое решение с цифровым интерфейсом SPI.

В ряде случаев термопара незаменима, т.к. позволяет измерять температуры от -200 до 1250 ⁰ С (нихросил-нисил, тип N).

Для снятия показаний термопары вместо MAX6675 можно использовать схему, собранную на дискретных компонентах. Часто применят каскад на операционному усилителе.

Аналоговые датчики незаменимы

В старых утюгах в качестве датчика температуры использовалась биметаллическая пластина, разрывающая электрическую цепь в случае сильного нагрева. Аналогично работала защита от гашения пламени в старых газовых котлах. Нагрев «фитилька» приводил к изгибу пластины, конец которой удерживал газовый клапан в открытом положении. Это примеры механических датчиков температуры, рассчитанных на одно пороговое значение. Такие датчики, в отличие от термистора, трудно разместить в компактном корпусе и превратить в цифровые. Очевидно, что любой цифровой датчик – это аналоговый датчик + цифровой интерфейс. Именно о них пойдет речь во второй части публикации: «Сравнение датчиков температуры. Часть 2, цифровые».

Виды датчиков температуры и особенности их применения

Проконтролировать степень нагрева любого объекта независимо от его агрегатного состояния помогают специальные устройства — датчики температуры. Их принцип работы и исполнение могут существенно отличаться. Это позволяет подобрать оптимальный вариант в зависимости от преследуемых целей. Зная для чего предназначено устройство, стоит разобраться, как подключить прибор, чтобы он позволил снимать показатели с заданной точностью.

Основные разновидности

Чтобы было проще выбрать подходящую модель, стоит рассмотреть основные виды датчиков температуры, разобраться с их устройством и конструктивными особенностями. Это позволит определиться с наилучшим решением для конкретной ситуации.

Термопара

В состав температурного датчика входят две проволоки, изготовленные из разных металлов. Концы этих проволочек образуют контакт, формируемый посредством скручивания, сваркой встык либо путем формирования узкого сварного шва. Этот контакт называют горячим спаем.

К свободным концам крепятся компенсационные провода, используемые для присоединения измерительного прибора либо автоматического устройства управления. Контакт, образующийся в этих точках соединения, называют холодным спаем.

Когда концы проводов оказываются в зонах, нагретых до различной температуры, внутри термодатчика формируется электрический ток. Его сила напрямую зависит от материалов, которые использовались при изготовлении термопары, и может варьироваться в широком диапазоне.

Наибольшее распространение получили термопары:

• Хромоалюминиевые;
• Железоникелевые;
• Медно-константановые и другие.

Внимание! Стоимость термопары напрямую зависит от вида материала, который использовался для изготовления проволок.

Термопара позволяют определять температуру с достаточно высокой точностью. Однако получить искомый параметры бывает достаточно сложно. Принцип работы датчика предполагает наличие разности температур между разъемами. Используется так называемый термоэлектрический эффект. Горячий спай должен находиться внутри вещества, степень нагрева которого предстоит проконтролировать. Холодный — в окружающей среде.

Терморезисторы

Для подобных приборов характерен более простой принцип работы. Они используют зависимость сопротивления материала от степени нагрева окружающего воздуха. Делятся на отрицательные (NTC) и положительные (PTC). Наибольшую точность демонстрируются температурные датчики, для изготовления которых использовалась платина.

Параметры работы терморезисторов определяются двумя характеристиками:

• базовое сопротивление;
• температура, при которой был найден первый параметр.

Согласно ГОСТ базовое сопротивление должно определяться при 0 °С с использованием нескольких номинальных сопротивлений и температурным коэффициентом, зависящим от значения сопротивления при искомой и нулевой температуре. Для расчета используется специальная формула.

В нормативном документе также можно найти табличное значение температурного коэффициента для термопар, изготовленных из никеля, платины и меди, и коэффициенты полинома, позволяющие рассчитать температуру объекта в зависимости от действительного значения сопротивления.

Проблемой терморезистора считается низкий температурный коэффициент сопротивления. Порядок использования напрямую зависит от комплектации конкретной модели. Базовые включаются в цепь с источника и контролируемого дифференциального напряжения. Для более точного определения предпочтительно использование аналого-цифровых преобразователей. При наличии в датчике аналогового выхода оцифровка значение осуществляется путем подключения терморезистора к преобразователю.

Комбинированные

В состав устройства входит несколько проводников, формирующих единое устройство. У некоторых моделей имеется встроенный цифровой интерфейс. К комбинированным датчикам прибегают, если надо подключить устройства параллельно. Такое устройство позволяет произвести расчеты с погрешностью в 2 °С. Однако необходимо оптимизировать интерфейс.

Цифровые

Имеют трехвыводную микросхему. Для считывания показателей используются несколько датчиков, работающих параллельно. Они снимают показания с достаточно высокой точностью. Около 0.5 °С. Могут эксплуатироваться в широком температурном диапазоне. Однако для получения искомого значения необходимо много времени, порядка 750 секунд. Уменьшить время можно путем регулировки параметров.

Бесконтактные

В состав устройства входит тонкая пленка, нагреваемая под воздействием инфракрасных лучей. Такие термодатчики устанавливаются внутрь пирометров, позволяющих определить степень нагрева объекта на расстоянии. Это актуально при измерении температуры тел, разогреваемых до достаточно высокой температуры. В такой ситуации использование контактных устройств становится невозможным. Однако точность показаний в этом случае остаточно низкая.

Существуют также бесконтактные датчики для измерения степени нагрева металла. Благодаря такому прибору, подключенному к специальному оборудованию, удается проконтролировать состояния сплава, нагретого до температуры более 1000 °С. Это подходящий вариант для литейных и прокатных предприятий, кузнечнопрессового производства и ряда специализированных предприятий, занимающихся выпуском огнеупорных материалов.

Кварцевые

Актуальны для объектов, уровень нагрева которых выходит за стандартные значения. Они востребованы, если температура колеблется в интервале от −80 °С до 250 °С. Их принцип работы основан на использовании частотной зависимости. Может выполнять несколько функций, зависящих от расположения среза по осям кристалла.

Для датчиков кварцевого типа характерна высокая стабильность, разрешение и точность определения искомого параметра. Считаются более предпочтительными при измерении искомого параметра. Чаще всего устанавливаются внутрь цифровых термометров.

Шумовые

Позволяет снять показания, используя разность потенциалов на резисторе. Последняя зависит от степени нагрева устройства. Для использования подобного прибора надо знать одну из температур. Сравнивая два полученных шума, от известной и найденной температуры, определяются искомый параметр.

Благодаря принципу работы такого датчика можно менять температуру в интервале от −270 °С до +1100 °С. При этом имеется возможность изменения показателей в термодинамике, однако реализовать данный способ на практике достаточно сложно.

Ядерного квадрупольного резонанса

Биметаллический терморегулятор использует момент ядра, образующегося при отклонении заряда от симметрии сферы и градиент поля тока решетки кристалла. На частоту влияет градиент поля решетки, который может меняться в достаточно широком диапазоне в зависимости от вещества. Чем выше степень нагрева объекта, тем выше частота.

ЯКР образует ампулу, внутрь которой помещено вещество. Она помещается внутрь обмотки индуктивности для дальнейшего соединения с контуром генератора. При совпадении частот энергия, излучаемая генератором, поглощается. Если измерения производятся на морозе, погрешность составляет 0.02 градуса. При нагреве до 27 °С точность измерения повышается. К преимуществам стоит отнести стабильность показателей. Однако преобразующая функция является нелинейной.

Объемные

Биметаллическое устройства в своей работе использует способность материала расширяться и сжиматься при изменении температуры. Диапазон действия напрямую зависит от стабильности материала. Температура может варьироваться от −60 °С до +400 °С. Погрешность варьируется в интервале 1–5 %.

Если устройство используется для измерения степени нагрева жидкости, точность измерения повышается и погрешность снижается до 1–3 %, зависит от среды. На интервал работы также влияет температура, при которой закипает либо замерзает жидкость.

Канальный

К данному типу относятся все цифровые модели, использующие для передачи сигнала каналы. Канальность устройства зависит от количества задействованных «магистралей». У одной модели может быть один канал, у другой три.

Назначение

Необходимость в использовании датчиков, контролирующих температурные параметры, может возникнуть в различных ситуациях. Это универсальные приборы используются повсеместно на предприятиях, где стабильность температурных параметров способно нанести вред качеству выпускаемой продукции либо повлиять на технические характеристики эксплуатируемого оборудования.

Их активно подключают на предприятиях нефтегазового и энергетического комплекса, обеспечивается реализация технологических процессов на литейном, машиностроительном, прокатном производстве, при изготовлении металлоконструкций и выполнении механической обработки. Они незаменимы в транспортной индустрии, на предприятиях пищевой промышленности, в фармацевтики, сельском хозяйстве.

• контролирует протекание химических реакций;
• проводятся научные исследования;
• обеспечивается поддержание степени нагрева обрабатываемого изделия в заданном диапазоне;
• поддерживаются оптимальные температурные параметры в различных узлах автомобильного и железнодорожного транспорта;
• создаются нужные условия для обработки зерна и при производстве комбикорма;
• измеряется температура конкретного объекта с заданной точностью;
• реализуется обратная связь, благодаря которой удается избежать преждевременного выхода оборудования из строя.

Внимание! Термопары могут не только использоваться для контроля температуры, но и выступать в качестве источника энергии.

Как выбрать

Чтобы определиться с тем, какой датчик для измерения температуры нужен, стоит учесть ряд параметров. При правильном подборе, удастся обеспечить комфортную работу прибора. Внимания заслуживает:

• Рабочая температура. Устройства конкретного типа ориентированы на использование в определенном температурном диапазоне. При этом учитывается погрешность, с которой определяются результаты. При небольших перепадах, можно воспользоваться термисторами. Если эксплуатация будет производиться в достаточно жестких условиях, стоит выбрать приборы шумового типа;
• Условия проведения замеров. Схема подключения может отличаться. Одни устройства позволяют поместить термометр внутрь материала, другие допускают измерения только снаружи. Радиационные модели позволят снять показания через преграду. При наличии агрессивной среды предпочтительны модели в коррозионно-стойком корпусе либо выносные датчики бесконтактного типа;
• Время до замены либо калибровки. Зависит от условий работы. Датчик температуры воздуха может эксплуатироваться в обычных условиях, при повышенной влажности, пожароопасности, в условиях окислительной среды. Если калибровка невозможна, устройство придется заменить;
• Величина выходного сигнала. Его параметры должны соотноситься с возможностями электроприборов и учитывать порядок дальнейшей обработки. Параметры выходного сигнала зависят от показателей температуры, которые в дальнейшем будут преобразованы в энергию.
• Погрешность. Для измерения показателей с высокой точностью потребуется больше времени. Наибольшей точностью обладают цифровые модели датчиков, измеряющих температуру воздуха в помещении. Биметаллический термометр, использующий принцип ЯКР, позволяет снять показания быстрее прочих аналогов;
• Разрешение. Влияет на точность производимых измерений. При работе в малом режиме 0.5 °С, в максимальном — 0.625 °С;
• Напряжение. Сопротивление резистора существенно влияет на выходное напряжение. Последнее бывает линейным и нелинейным. Температура объекта влияет на эталонные величины, устанавливаемые на выводах термометра каждого датчика;
• Время сработки. Влияет на скорость получения замеров. Быстрые замеры получаются с большой погрешность. Если требуется точность, придется пренебречь временем срабатывания.

Где купить

Различные датчики всегда можно купить в близлежащем специализированном магазине. Но существует другой вариант, который недавно получил ещё и значительные улучшения. Долго ждать посылку из Китая больше не требуется: в интернет-магазине АлиЭкспресс появилась возможность отгрузки с перевалочных складов, расположенных в различных странах. Например, при заказе вы можете указать опцию «Доставка из Российской Федерации».

Переходите по ссылкам и выбирайте:

Порядок подключения

Схема подключения датчика температуры может существенно отличаться. Все зависит от того, какой разновидности отдано предпочтение. Прежде чем приступить к монтажу, надо определиться с требуемой точностью и назначением прибора. Если он будет использоваться для контроля температуры воздуха внутри помещения, потребуется одна схема. Если понадобиться измерить степень нагрева вещества, придется воспользоваться другой.

Как подключить кремниевый

Для подключения датчика температуры кремниевого типа может использоваться схема:

• 2-х проводная. Актуальна при отсутствии повышенных требований к высокой точности, так как в этом случае к измеренному сопротивлению добавляется сопротивление присоединенных проводов. Это существенно увеличивает величину дополнительной погрешности;
• 3-х проводная. Установка датчика температуры по данной схеме позволяет повысить точность. Такое подключение допускает измерение сопротивления проводов, а затем вычесть полученное значение из измеренного;
• 4-х проводная. По такой схеме устройство подключается таким образом, чтобы полностью исключить влияния подводящих проводов. Это позволяет избавиться от дополнительной ошибки и существенно повысить точность контроля.

Как подключить термопару

Для подключения холодных концов используются компенсационные провода либо монтаж производится напрямую к клеммам аналогового входа. При этом важно соблюдать полярность на входе в промышленный контроллер, используемый для программной компенсации температуры холодного спая и последующего расчета температуры в заданной точке.

Внутреннюю компенсацию выполняют с использованием температуры модуля, используемого для подключения термопары. Для точной внешней компенсации температуру холодного спая контролируют дополнительным термометром сопротивления, подключаемым к специальному входу.

Как воспользоваться бесконтактным устройством

У датчиков температуры бесконтактного типа есть особенность определения степени нагрева устройства. Непосредственное подключение в этом случае не требуется. Устройство приближается к контролируемому объекту и обеспечивается его совмещение с соответствующим датчиком. Это оказывает существенно влияние на конечный результат, который во многом зависит от опыта и знаний специалиста, производящего измерения. Если поменяем бесконтактное устройство на контактную модель, точность увеличится.

На схеме, приводимой в инструкции к конкретному устройству, указан порядок подключения и последующей эксплуатации датчика температуры. Прежде чем приступить к монтажным работам, стоит с ней тщательно ознакомиться, чтобы избежать типовых ошибок, допускаемых неопытными пользователями при самостоятельном выполнении монтажных работ.