Датчики температуры. Типы и виды датчиков температуры

При измерении температуры происходит перенос небольшого количества тепловой энергии от объекта измерения к датчику, который преобразует эту энергию в электрический сигнал. Существует два основных метода измерения: равновесный и прогнозируемый. При равновесном способе измерение температуры производится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом датчика наступает тепловое равновесие, т.е. не наблюдается между ними значимой разности температур. При прогнозируемом методе измерения такого теплового равновесия не наступает, а конечное значение температуры определяется по скорости изменения температуры датчика.

Типы датчиков температуры

Типов датчиков температуры всего два: контактные и бесконтактные. Здесь все очень просто: контактные датчики температуры измеряют при непосредственном физическом контакте с объектом измерения. Такие датчики подойдут для измерения температуры твердых тел, жидкостей и газов.

Бесконтактные датчики температуры «снимают» излучаемое объектом тепло в инфракрасном диапазоне без непосредственного контакта с измеряемым объектом. Такие температурные датчики могут использоваться для измерения температуры твердых тел и жидкостей, но не подходят для измерения температуры газов. Бесконтактные датчики температуры не такие универсальные как контактные и на точность их измерения действует большое количество факторов: материал объекта измерения, его цвет, расстояние до объекта измерения, запыленность и т.п.

Виды датчиков температуры

Наиболее распространенными видами датчиков температуры являются:

терморезистивные датчики;

термоэлектрические преобразователи (термопары);

оптические датчики температуры;

инфракрасные датчики (пирометры);

акустические датчики температуры.

Терморезистивные датчики

Терморезистивные датчики температуры могут называться также терморезисторами, термисторами, термосопротивлениями. Терморезисторы представляют собой полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры. По типу зависимости сопротивления от температуры все терморезисторы разделяются на терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC - термисторы) и терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC-термисторы). Кроме того, все терморезисторы можно классифицировать в зависимости от температуры применения на:

низкотемпературные (температура измерения до 170 К);

среднетемпературные (от 170 до 510 К);

высокотемпературные (свыше 570 К).

Преимущества и недостатки терморезистивных датчиков

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Термопары представляют собой прибор для измерения температуры, в основе работы которого лежит термоэлектрический эффект Зеебека, суть которого состоит в следующем: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает электродвижущая сила, если места их соединения (спаи) находятся при разной температуре. При одинаковой температуре спаев термо-ЭДС не возникает.

В зависимости от материала положительного и отрицательного электрода термопары классифицируются на: 

хромель-алюмель (К); 

железо-константан (J);

нихросил-нисил (N);

платинородий-платина (R);

платинородий (30%)-платинородий (6%) (B);

медь-константан (T);

хромель-константан (E).

Преимущества и недостатки термоэлектрических преобразователей (термопар)

 

Оптические датчики температуры

Точнее сейчас речь пойдет о волоконно-оптических датчиках температуры. Принцип работы волоконно-оптических датчиков температуры основывается на том, что при любом физическом воздействии на оптоволокно, в данном случае температурном воздействии локально изменяются характеристики пропускания света в том числе обратно отраженного. В основе измерения лежит сравнение спектров и интенсивности исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении после прохождения по оптоволокну.

Кроме волоконно-оптических датчиков существует еще несколько видов датчиков температуры, которые используют фотоны в качестве носителей информации о температуре, например, интерферометрические датчики. Мы не будем подробно на них останавливаться ввиду узости их применения на практике.

Инфракрасные датчики температуры (пирометры)

Любой объект излучает инфракрасный свет, при этом энергия этого света повышается с повышением температуры объекта. Попадая на элемент детектора ИК датчика излучение создает пропорциональный ему электрический сигнал, который усиливается, обрабатывается и отображается на дисплее.

Классификация ИК датчиков температуры

ИК датчики температуры могут быть:

оптические – позволяют измерять температуру объекта путем сравнения его цвета с цветом эталонной металлической нити, нагреваемой электрическим током в специальных лампах накаливания.

радиационные – на основе мощности теплового излучения объекта измерения.

цветовые – рассчитывают температуру на основании результатов сравнения его теплового излучения в различных участках спектра.

Преимущества и недостатки инфракрасных датчиков (пирометров)

Акустические датчики температуры

Акустические датчики температуры применяются для измерения средних и высоких температур там, где невозможно разместить контактные датчики и использовать пирометры, например, в ядерных реакторах, в криогенных камерах и т.п. Конструктивно такие датчики состоят их разнесенных друг от друга излучателя и приемника акустических волн. При измерении температуры излучатель испускает ультразвуковой сигнал, который проходит через измеряемую среду. Зная базовую скорость распространения ультразвука в данной среде при известной температуре, вычисляется данная температура среды.

Преимущества и недостатки инфракрасных датчиков (пирометров)