Сравнение датчиков температуры. Часть 3, практика
Когда речь идет об измерении температуры несколькими датчиками, простое большинство определяет истину. Семь датчиков показывают температуру 25…26 °С, один – около 23…24 °С. Вывод напрашивается сам собой – истинная температура 25,5 °С, а восьмой датчик даёт ложные значения.
На рисунке 1 показаны результаты измерения комнатной температуры несколькими аналоговыми и цифровыми датчиками. Характеристики первых рассмотрены в статье «Сравнение датчиков температуры. Часть 1, аналоговые», характеристики вторых в статье «Сравнение датчиков температуры. Часть 2, цифровые». В этой публикации собраны результаты.
Схема на макетной плате
Итак, изначальная задумка – собрать разные датчики и подключить к одному микроконтроллеру. Затем нужно вывести результаты измерений на график, посмотреть, что получится. Сбором показаний будет заниматься отладочная плата на базе STM32G030F6P6. Три датчика (AHT20, STLM75, BME280) вешаем на шину I2C, один (MAX6675) на SPI, один (DS18B20) на UART, остальное подключено к аналоговым входам. Прелесть выбранного контроллера в том, что все необходимые интерфейсы не пересекаются между собой. Более того, из семнадцати GPIO шесть остались свободны, так что есть потенциал для расширения. Передачей данных на ПК занимается USB-UART преобразователь FT232RL. Общая схема подключения показана на рисунке 2.
При монтаже схемы может потребоваться навык вязания крючком. Длинные провода, отсутствие общего полигона земли и слабая фильтрация питания – это всё источники вносимых погрешностей. На фото показано размещение датчиков на макетной плате.
Последний этап приготовлений – терминал для вывода результатов. Здесь на помощь приходят PyQt5, QtSerialPort и pyqtgraph. Даже обладая минимальными знаниями на Python, можно написать небольшое приложение под текущую задачу. Но и переоценивать простоту языка не следует, для разбора данных с последовательного порта потребовался дополнительный поток. Так что приложение на вечер превратилось в приложение на неделю. Здорово помог курс по PyQt5 и QtDesigner, радует обилие готовых проектов на GitHub. Так или иначе терминал заработал, первый эксперимент по измерению комнатной температуры был показан на рисунке 1. Теперь можно заняться более интересными опытами.
Испытания датчиков
Допустим летним утром вы открываете окно комнаты, чтобы прохладный свежий воздух заполнил помещение. Легкий ветерок колышет шторы, и вы радуетесь тому, что удаётся немного охладиться, развеять духоту. Но действительно ли утренний ветерок холодный? Взгляните на рисунок 4.
Датчики MF52 и MAX6675 (термопара), самые маленькие по размеру, т.е. имеют наименьшую теплоемкость. Именно они лучше всего отреагировали на небольшие притоки теплого воздуха с улицы. Можно сказать, что на графике видны дуновения ветра, во время которых происходит рост температуры, затем датчики возвращается к исходным показаниям. В данном случае свежий ветер ощущается как прохладный, но на самом деле он повышает общую температуру в комнате.
«Ты, без платья, налегке,
Искупайся в молоке,
Тут побудь в воде вареной,
А потом еще в студеной,
И скажу тебе, отец,
Будешь знатный молодец!»
Чтобы оценить скорость реакции датчиков на изменение температуры и работу на морозе, открытой форточки явно недостаточно, нужны более радикальные меры. Из домашнего инвентаря морозильная камера хорошо подходит для обозначенной цели. Взгляните на следующий рисунок.
Как и в предыдущий раз датчики с наименьшей теплоёмкостью быстрее всех отреагировали на изменение температуры. MF52 поменял показания с +20 °С до -10 °С приблизительно за 30 секунд. Тем временем термопара дошла до порогового 0 °С, а AHT20 и вовсе «отвалился». Оставшиеся в живых датчики приблизились к правдивым показаниям спустя две минуты.
Кратковременный сброс питания реанимировал AHT20, но не надолго. С чем связано подобное поведение для меня останется загадкой. Проблемы могут крыться как в самом чипе, так и в плохих контактах макетной платы или проблемами обмена шины I2C. Эксперимент с охлаждением впоследствии был повторен и AHT20 засбоил при температуре -3,2 °С. В сравнении с комнатной температурой для остальных датчиков вырос разброс показаний, LM335M судя по всему завышает значения, STM32G0 – занижает. Оцениваю, вновь, по мнению большинства.
С отрицательными температурами теперь все более-менее понятно, а как насчет температур положительных? На помощь приходит другой неотъемлемый реквизит кухонного оборудования – газовая духовка. Но с поддержанием стабильной температуры здесь все немного сложнее, после включения нагрева температура нарастает довольно резко, создаётся риск измерить не температуру, а количество выживших устройств. Поэтому спустя 5…6 секунд пламя пришлось погасить. На начальный участок графика рисунка 7 не стоит обращать внимания, это инициализация массива начальными значениями.
Цифровые датчики, как всегда, отреагировали на изменение температуры с некоторой задержкой, их характеристика более плавная. Судя по всему, внутри микросхемы имеется механизм фильтрации показаний. Спустя две минуты температура начала постепенной падать, в некотором приближении можно зафиксировать стабилизацию процесса.
Теперь LM335M показывает заниженные результаты, ошибка от общего мнения больше 4..5 °С. Полученный результат радует, т.к. говорит о симметричности отклонений относительно нуля, ошибку легко исправить изменив значение углового коэффициента теоретически рассчитанной прямой. Цифровые датчики ведут себя достойно, единодушно объявив о нагреве до 55 °С.
Выводы
Мир настолько сложен, что мы вынуждены его упрощать, для понимания заменять общими моделями. Взять, к примеру, прогноз погоды, большую часть времени он верен. Тем не менее в середине лета мне довелось попасть под дождь, хотя утром обещали солнечный день. Стоит ли ожидать точность там, где её крайне сложно достичь.
Поводом к написанию публикации послужило наблюдение: разница показаний около 1 °С двух цифровых датчиков (если быть точнее, то разница в 0,7 °С двух датчиков: 29,1 °С от DS18B20 и 29,8 °С от SHT4). В комментариях предшествующих публикаций коллеги высказывали возможные причины такого расхождения. Почти наверняка используемый DS18B20 контрафактный, датчик приобретен в Поднебесной и находится внутри металлической гильзы. Но вряд ли это стало определяющим фактором. Я нашел оригинальный DS18B20 2008 года выпуска на завалявшейся старой плате (благодарю @vau за полезную методику), разница показаний с тем, что приобретен на Али около 0,3 °С. Вероятно причин больше: потоки воздуха с окна или кулера ноутбука, теплоёмкость материала (в моём случае металлической гильзы), солнечный свет и т.п. Измерять температуру оказалось намного сложнее, чем я ожидал.
Большую часть времени датчики дают более-менее совпадающие результаты, в диапазоне 1 °С. Посмотрите, как дружно работают DS18B20, AHT20, MF52, STLM75.
Однако стоит открыть форточку, и ситуация изменится. А если поместить датчики в более жёсткие условия, от прежнего единства не останется и следа. На изменение температуры каждый датчик отреагирует по-разному и показания будут менять до тех пор, пока процесс не установится. Поэтому разница измерений в диапазоне 1 °С – это хороший результат.
Вторым неожиданным следствием публикации стал вопрос надежности самих датчиков. Когда разрабатываемое вами устройство трудится вдали от комфортной комнатной температуры а датчик установлен на самой плате, возможно лучше воспользоваться чем-то попроще. Пусть показания будут плавать и не всегда точны, зато и ломаться будет нечему. Программным фильтром легко сгладить резкие колебания считанных значений, защитив схему от ложных сигналов. При должной калибровке термистор MF52 за 7 рублей даст фору в десять раз более дорогой цифровой микросхеме.
Внимательно выбирайте датчик температуры под свои уникальные требования и задачи, надеюсь, данная публикация поспособствует это цели.
Виды электрических датчиков температуры
Измерение температуры по-прежнему является одной из наиболее распространенных форм электрических измерений. Однако его измерение и преобразование в электрический сигнал можно выполнить разными способами.
Любой современный датчик температуры можно разделить на два последовательно соединенных блока преобразования температуры в электрический сигнал и блок обработки этого электрического сигнала. В этом обзоре мы в основном сосредоточился на первом блоке.
Электрические датчики температуры, которые могут работать по разным принципам и их можно разделить на две основные группы:
- Сенсорное (контактное) измерение – датчик необходимо прикрепить (прикоснуться) к объекту или веществу, температуру которого необходимо измерить. Здесь используется теплообмен между двумя объектами. Его можно использовать везде, где есть легкий доступ к измеряемому объекту, окружающая среда или сам измеряемый объект не вступает в химическую или иную реакцию с датчиком.
- Бесконтактное измерение – датчик находится на определенном расстоянии от измеряемого объекта и при этом нет взаимного влияния. Здесь используется явление, когда каждый объект при определенной температуре излучает определенную длину волны инфракрасного излучения — пирометрия.
1. Сенсорное измерение температуры (датчики температуры прикосновения)
В первой части краткого обзора принципов измерения температуры мы рассмотрим сенсорные методы.
Уже из приведенного выше названия этой группы датчиков ясно, что измерение температуры данного тела происходит путем непосредственного размещения и прикосновения измерительного датчика к его поверхности (внешнее измерение — обычно твердые тела) или, возможно, путем введения его во внутреннюю конструкцию материала (внутреннее измерение — пористые твердые или жидкие и газообразные тела).
Самый основной принцип сенсорного измерения заключается в передаче тепла материала воспринимаемого объекта через кожух самого датчика к его точке измерения за счет теплопроводности материалов.
- малое влияние окружающего шума и влияние на само измерение = возможность очень точного измерения,
- простота изготовления и использования датчика,
- возможность измерения температуры даже внутри тела (под его поверхностью).
- зачастую лишь относительно небольшой диапазон измеряемой температуры (всего несколько сотен °C),
- скорость измерения зависит от теплопроводности корпуса датчика и поверхности измеряемого объекта (среды),
- возможное влияние измеряемого объекта самим датчиком (отвод тепла к датчику, загрязнение веществом или объектом веществ или бактерий на поверхности датчика (зонда) и т. д.),
- корпус датчика должен быть выбран (изменен) в соответствии со свойствами измеряемого материала с которым он соприкасается.
Резистивные металлические датчики
Принцип действия: температурная зависимость сопротивления металла от температуры. Это вызвано увеличением числа столкновений свободных электронов с положительными ионами в решетке во внутренней структуре металла по мере повышения температуры.
- широкий диапазон измеряемых температур,
- хорошая линейность,
- временная стабильность,
- возможность использования больших значений тока для измерения сопротивления.
- малый температурный коэффициент (т.е. малая чувствительность = малый выходной сигнал),
- медленная реакция на изменение температуры (не подходит для систем с большой динамикой изменения температуры).
Типы резистивных металлических датчиков:
Типовой диапазон измерения: от -200 °C до +1000 °C.
Производство: при значениях R0 = 100 Ом (Pt100), 200 Ом (Pt200), 500 Ом (Pt500), 1 кОм (Pt1000) или 2 кОм (Pt2000) в виде проволоки, сплавленной с керамикой или стеклом или намотанной на подложку из пертинакса или слюды, и в классах допуска A (диапазон от -200 °C до +650 °C) и B (диапазон от -200 °C до + 850°С).
Использование: в качестве погружного датчика для измерения температуры воды в системах отопления и охлаждения, температуры пара, в качестве зонда для измерения температуры хлебобулочных изделий в пекарнях и везде, где измеряются высокие температуры (например, автоматическое регулирование температуры в алюминиевых плавильных печах) и т. д.
Типовой диапазон измерения: от -60 °C до +180 °C.
Производство: при значениях R0 = 100 Ом (Ni100), 200 Ом (Ni200), 500 Ом (Ni500), 1 кОм (Ni1000) или 2кОм (Ni2000) по тонкопленочной технологии на керамической подложке из тонкодисперсного корунда, когда точное значение сопротивления устанавливается с помощью лазера.
Преимущества перед платиновыми: более быстрая реакция на изменение температуры, более высокая чувствительность и малые габариты.
Типовой диапазон измерения: от -200 °C до +200 °C.
Производство и использование: в качестве датчика не производится из-за низкого удельного сопротивления, но может использоваться для измерения температуры обмотки электродвигателя.
Специальные сплавы – сплавы Rh-Fe или Pt-Co для температур до -250 °C.
Резистивные полупроводниковые датчики — термисторы
Принцип действия: зависимость электрического сопротивления материала от температуры за счет зависимости концентрации свободных носителей заряда от температуры.
- высокая чувствительность = относительно большой выходной сигнал.
- хуже стабильность и больше шума, малый температурный диапазон, нелинейность.
Типы резистивных полупроводниковых датчиков:
- Термисторы (NTC):
Типовой диапазон измерения: от -50 °C до +150 °C. Однако в случае порошковой технологии возможен нижний предел всего в несколько К или верхний предел до 1000° С. В случае тонкопленочной технологии также возможны диапазоны от -170°С до +450°С. У них отрицательный температурный коэффициент, т.е. их сопротивление уменьшается с повышением температуры.
Производство: по порошковой технологии, т.е. прессованием смеси оксидов металлов (например, Fe2O3 + TiO2 или MnO + CoO и др.), либо по тонкопленочной технологии из материала SiC или поликристаллического Si (миниатюрные NTC).
Использование: только для узкого диапазона измеряемых температур, например датчик комнатной температуры в вентиляционном и кондиционирующем оборудовании, датчик температуры наружного воздуха, измерение температуры охлаждающей жидкости в автомобилях и т.п.
- Термисторы — Позисторы (PTC):
Типовой диапазон измерения : от +60 °C до +180 °C. Они имеют положительный температурный коэффициент, т.е. их сопротивление увеличивается с повышением температуры. Производство: из поликристаллической сегнетоэлектрической керамики (например, BaTiO3).
Использование: поскольку их температурная характеристика показывает резкое повышение температуры, их обычно используют в качестве датчиков с двумя состояниями, где точка излома температуры определяется химическим составом позистора.
Резистивные полупроводниковые датчики — монокристаллические и датчики CMOS
Принцип действия: основан на изменении подвижности свободных носителей заряда (электронов в случае полупроводника N-типа) при изменении температуры. С повышением температуры подвижность уменьшается, поэтому проводимость полупроводника уменьшается, а сопротивление увеличивается.
Используется в интегральных схемах с МОП и КМОП транзисторами.
Типовой диапазон измерения: от -50 °C до +150 °C
- линейность,
- лучшая стабильность,
- чем у термисторов.
- малый диапазон температур,
- меньшая чувствительность, чем у термисторов.
Производство: из кремния (Si), германия (Ge), индия (In) и др., но в промышленной практике датчики Si выпускаются серийно.
Применение: для измерения обычных температур с меньшими требованиями к чувствительности. Он используется в интегрированных интеллектуальных датчиках CMOS.
Датчики PN из монокристаллического кремния
Принцип: функция основана на температурной зависимости напряжения PN-перехода в прямом направлении.
Температурный коэффициент отрицателен и в зависимости от структуры перехода колеблется от -2,5 до 2 мВ/К. Типовой диапазон измерения: от -50 °C до +125 °C.
- линейность,
- чувствительность,
- простая интеграция.
- небольшой температурный диапазон.
Производство: используется PN-переход транзистора база-эмиттер. Однако для простого измерения температуры можно использовать любой универсальный выпрямительный диод, если он питается от источника тока и при изменении температуры измеряется изменение напряжения на диоде.
Применение: для измерения температуры в подавляющем большинстве полупроводниковых датчиков распространенных температур (охлаждение, нагрев, контроль температуры электроприборов и т.д.), зачастую уже в конструкции со встроенной управляющей и обрабатывающей электроникой непосредственно на одной микросхеме с измерением температуры. Обычно используют два каскадных токовых зеркала, при этом одно из них рассматривается из-за влияния температуры на BE-переход. Иногда его называют источником тока с регулируемой температурой.
Термоэлектрические датчики — термопары
Принцип действия: основан на так называемом явлении Зеебека, т.е. явлении преобразования тепловой энергии в электрическую путем соединения в одной точке двух проводников из разных материалов, при этом на свободных концах генерируется электрическое напряжение.
Это активные датчики, которые сами генерируют слабое электрическую энергию.
Типовой диапазон измерения: от — 200 до 3500 °C. Однако термопары делятся на категории T/J/E/K/N/S/R/B в зависимости от типа соединяемого металла.
- линейные характеристики,
- большой диапазон температур,
- малые размеры зондов ( < 1 мм).
- низкая чувствительность = малые значения выходного напряжения,
- более сложное правильное подключение к измерительному блоку для исключения влияния помех (температура окружающей среды на измерение).
Применение: для измерения больших изменений и абсолютных значений температуры, например в качестве погружных, сенсорных, пункционных, пространственных, щелевых зондов и др.
Кристаллический датчик температуры
Принцип действия: используется температурная зависимость резонансной частоты среза кварца. Типовой диапазон измерения: от -80 °C до +250 °C и разрешение до 10 -4 °C.
- высокое разрешение.
- более низкая стабильность,
- чувствительность к окружающему шуму.
Применение: изменение частоты генератора из-за изменения температуры, т.е. прямое преобразование температуры в частоту. Генератор чаще всего подключается к контуру фазовой автоподстройки частоты.
Датчики с использованием оптоволокна
Принципы работы: Оптическое волокно, на конце которого находится зависящий от температуры слой люминофора, который после освещения световым импульсом светодиода излучает обратно с определенной временной задержкой в зависимости от температуры.
Оптическое волокно здесь работает только для направления света. Изменение затухания в прослойке между двумя концами оптических волокон. Прямое влияние тепловых потерь оптического волокна.
Применение: измерение температуры до 1500 °С, для измерения во взрывоопасных зонах (взрывоопасных средах, средах с повышенными электромагнитными помехами, легко воспламеняющихся средах), для измерения температуры поверхности (например, проверка температуры хранимых материалов на предмет самовозгорания, температуры жидкости) и др.
2. Бесконтактное измерение температуры
Бесконтактное измерение температуры, так называемая пирометрия, использует физический принцип испускания инфракрасного излучения нагретым объектом. Затем это излучение улавливается датчиком (пирометром), который преобразует его в электрически измеримую величину, которую другие электрические цепи уже будут обрабатывать аналогично сенсорным (контактным) датчикам температуры.
В принципе, бесконтактное измерение температуры позволяет измерять только температуру поверхности объекта и непосредственно реагирует на тепловое излучение только той части объекта в направлении, на которое направлен датчик.
- быстрое измерение (в миллисекундном диапазоне),
- безопасное измерение даже высоких температур (до 3000 °C),
- незначительное влияние методики измерения на измеряемый объект, возможность измерения движущихся объектов,
- быстрая реакция на изменение температуры,
- поверхности тел можно сканировать — так называемое тепловидение, при этом отсутствует риск загрязнения и влияния измерения на поверхность измеряемого объекта.
- измеряемый объект должен быть оптически виден датчику,
- оптика датчика должна быть защищена от загрязнения,
- возможно измерение только температуры поверхности,
- погрешности измерения, вызванные неопределенностью определения коэффициента излучения измеряемого объекта, проницаемости окружающую среду и отраженное излучение от окружающей среды.
Инфракрасные термодатчики (датчики термоэлектрического излучения)
Принцип работы: при поглощении фотонов чувствительная часть датчика нагревается, а поглощенная энергия оценивается косвенно через датчики температуры прикосновения. Поэтому сами принципы измерения температуры аналогичны сенсорным датчикам температуры, с той разницей, что здесь тепло передается в виде инфракрасного света, который улавливается на нагреваемой им светочувствительной поверхности.
Применение: измерение изменений температуры тела, обнаружение людей в охранных системах, т. н. ИК-датчик, ПЗС-тепловизионные системы, измерение инфракрасного излучения длинных волн, т.е. низкие температуры.
Зависимость температуры тела от длины волны испускаемого им инфракрасного излучения задается физикой устранения черного тела, которая вообще справедлива для всех бесконтактных датчиков температуры.
Типы тепловых инфракрасных датчиков:
- Инфракрасные термопары (термобатареи)
Принцип действия: чувствительная чувствительная часть сенсора зачернена и иногда содержит оптику, именно здесь происходит поглощение сфокусированного инфракрасного излучения. При этом чувствительная поверхность датчика нагревается, и ее температура впоследствии измеряется термопарами.
Типовой диапазон измерения: от -100°C до +500°C в зависимости от типа используемых термопар и оптики.
Производство: серийно расположенные термопары, выполненные в виде тонких металлических полос (0,03 мм) или полос, изготовленных по тонкопленочной технологии или технологии монолитного кремния. Чувствительная часть сенсора зачернена.
Применение: для дешевых и простых бесконтактных измерений и оценки, где можно использовать стандартную электронную оценку, как для классических термопар.
Принцип действия: чувствительная чувствительная часть датчика зачернена и именно здесь поглощается инфракрасное излучение и нагревается чувствительная поверхность датчика, температура которой впоследствии измеряется по изменению проводимости датчика при нагреве изменяется чувствительная часть (явление теплопроводности).
Типовой диапазон измерения: длина волны инфракрасного излучения от 1,6 до 500 мкм = практически от -200°C до более 1500°C.
Изготовление: используются те же материалы, что и для резистивных датчиков температуры. Чаще всего используются тонкопленочные сенсоры MgO, MnO, NiO, TiO2 и др.
Пироэлектрические датчики
Принцип действия: принцип основан на так называемом пироэлектрическом явлении, т.е. изменении спонтанной поляризации при изменении температуры. Это создает электрический на поверхности материала, куда падает инфракрасное излучение, который далее измеряется. Это явление демонстрируют пироэлектрики с постоянной поляризацией и некоторые сегнетоэлектрики, в которых ориентация создается сильным электромагнтном поле (например, TGS, керамика PZT, LiTaO 3, PVDF)
Типовой диапазон измерения: длина волны инфракрасного излучения от 5 до 14 мкм = температура примерно от -50 до 400 °C.
Изготовление: датчик состоит из 2-х электродов (один должен быть прозрачным для излучения), между которыми находится пироэлектрик. Структура аналогична пластинчатому конденсатору. При изменении температуры меняется поляризация и на электродах индуцируется электрический заряд, который далее оценивается электронным способом.
Основным параметром является пироэлектрический коэффициент, который как раз и указывает на изменение спонтанной поляризации при изменении температуры.
Квантовые датчики инфракрасного излучения
Принцип действия: физические явления используются при прямом воздействии падающих фотонов на структуру датчика.
Применяются полупроводниковые фотодиоды и детекторы фотопроводимости, работающие в инфракрасном диапазоне и обычно в так называемом режиме напряжения.
Для требований к высокому отношению сигнал/шум (SNR) необходимо охлаждать датчики.
Производство: используется большое количество различных полупроводниковых материалов, каждый для своего диапазона длин волн инфракрасного излучения. Тенденция заключается в использовании перехода металл-полупроводник.
Использование: для измерения коротковолнового инфракрасного излучения (в единицах мм ) = измерение высоких температур порядка тысяч °С.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Выбор датчика температуры
При выборе датчиков температуры (ДТ) следует учитывать много нюансов, описание которых в короткой статье не представляется возможным. Поэтому специалисты отдела датчиков ОВЕН дали базовые рекомендации, которые помогут выбрать наиболее подходящий датчик для решения задачи. Основными типами термопреобразователей – устройств, предназначенных для преобразования температуры в электрический сигнал, являются термосопротивления и термопары. Термосопротивления – датчики, принцип действия которых основан на свойстве проводника менять электрическое сопротивление пропорционально изменению температуры среды. Термопары – датчики, принцип действия которых основан на возникновении термоэлектродвижущей силы в замкнутой системе, состоящей из двух проводников с разными термоэлектрическими свойствами. Компания ОВЕН производит множество модификаций термопар и термосопротивлений. При подборе датчика нужно исходить из следующих основных критериев: температура измерения; место монтажа; расстояние от датчика до прибора.
Температура измерения
Основной показатель для выбора датчика – это измеряемая температура: максимальная при нагреве и минимальная при охлаждении. Например, для процесса термообработки металла при 1000 °C следует выбирать термопару, которая может долговременно работать при данной температуре. Это может быть хромель-алюмель ХА (К), нихросил-нисил НН (N) или более дорогая, но надежная платинородий-платиновая термопара ПП (S). При охлаждении ниже минус 70 °C – выбор за термосопротивлениями 50П и 100П, которые стабильно работают до -196 °C. На заметку. Для измерений до 400-500 °C при прочих равных условиях выбирают термопреобразователи на более высокие температуры – термопары.
Протяженность линий связи датчик-прибор
Немаловажный параметр при выборе – это расстояние между датчиком и вторичным прибором. Так, ДТ без нормирующего преобразователя (НП) (выходной сигнал «сенсор») рассчитан на относительно небольшие линии связи между датчиком и вторичным прибором (ЖКХ, печи). ДТ с НП (с выходным сигналом 4…20 мА) предназначается на расстояния более 40-50 метров (склады, теплицы и т.д.). ДТ с RS-485 рассчитаны на протяженные линии связи – до 1200 метров.
Место монтажа датчика
Сначала необходимо определиться, в какой точке процесса нужно измерять температуру. Часто производители технологического оборудования сами предусматривают места установки датчиков – в стенках агрегатов, печей уже имеются технологические отверстия, резьбовые втулки и др. Для трубопроводов чаще всего применяются датчики с резьбовым штуцером и дополнительной арматурой для монтажа – гильзами и бобышками. Но возможен и вариант применения накладных датчиков температуры.
Передача показаний
Считывающее устройство может не заработать с конкретным типом датчика. У терморегуляторов или модулей ввода есть собственный набор типов сенсоров, с которыми они могут работать. Их список указывается в Руководстве на прибор. Если планируется подключение датчика к ПЛК или программируемому реле, то, скорее всего, потребуется либо датчик с унифицированным выходным сигналом тока 4…20 мА, либо с интерфейсом RS-485. Если сигнальный кабель от места установки датчика до вторичного прибора уже проложен, или расстояние от точки измерения температуры до прибора неизвестно – следует выбирать датчик с коммутационной головкой, также этот вариант предпочтителен при измерении высоких температур. Если же расстояние известно, и температура измерения до 400 °C, то можно выбрать датчик со встроенным кабелем с заказной длиной, т.е. датчик с кабельным выводом. Если расстояние «датчик-прибор» будет составлять сотни метров – то предпочтение отдают датчику с выходным сигналом 4…20 мА или RS-485.
Типы термопар и их особенности
В качестве материала термопары используются металлы и сплавы, наилучшим образом подходящие на роль проводников-термоэлектродов. Они попарно компонуются в связки, называемые типами термопар: хромель – алюмель ХА (К), хромель – копель ХК (L), нихросил-нисил НН (N), железо-константан ЖК (J), платинородий-платина ПП (S, R), платинородий-платинородий ПП (В) и др. Различаются величиной вырабатываемой термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), температурой применения, чувствительностью, особенностями эксплуатации и т.д. Пара хромель-алюмель (К) устойчива к деформации, имеет высокую чувствительность, применяется на производстве и в лабораторных установках. В этой паре со временем происходит дрейф ТЭДС, т.е. растет погрешность измерения. Погрешность зависит от условий эксплуатации: величины рабочих температур; состава среды, с которой контактирует термопара; конструктивного исполнения термопары и т.д. Диапазон измеряемых температур термопары ХА: от -200 до +1200 ˚С, однако, не следует применять ее на предельных значениях, т.к. это приводит к ускоренному дрейфу термоЭДС (ТЭДС), и, как следствие, термопара прослужит недолго. ОВЕН рекомендует применять хромель-алюмелевые термопары (ДТПК) в диапазоне: от -40 до +1100 ˚С. Верхняя граница диапазона измеряемых температур для пары хромель-копель (L) по сравнению с предыдущей ХА ниже (ОВЕН ДТПL до +600 ˚С). К ее особенностям относятся: высокая чувствительность и высокая термоэлектрическая стабильность, т.е. ничтожно малый дрейф ТЭДС. К недостаткам – высокая чувствительность к деформации. За рубежом ХК практически не применяется, используется похожий по характеристикам тип Е. Термопара железо-константан (J) служит для измерения не очень высоких температур (до +750 ˚С). Ее отличает от других термопар стабильная работа в восстановительной среде (СО и H2). Поэтому она применяется для контроля температуры в печах для безокислительного нагрева металла. В агрегатах с восстановительной атмосферой термопары типа J будут лучшим выбором. Термопара нихросил-нисил (N) является улучшенной версией термопары ХА. Температура применения до 1250 ˚С, дрейф термоЭДС и погрешность измерения гораздо меньше. Это позволяет применять термопару типа N вместо дорогостоящих термопар, например, вместо платинородий-платиновой (S). ДТПN считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. Класс термопар из благородных металлов: платинородий-платина (S, R), платинородий-платинородий (В) широко распространен во всем мире. Альтернативы им для измерения температур в диапазоне 1250…1600 ˚С практически не существует. Термопары типа S и R различаются содержанием родия в платинородиевом термоэлектроде (10 и 13 % соответственно). Их свойства практически идентичны. Тип S распространен в РФ, тип R – на Западе.
Термопара типа S отличается большей чувствительностью, диапазон измеряемых температур: от 0 до 1400 ˚С, кратковременно – до 1600 ˚С. Выше 1400 ˚С ДТПS длительно применять не рекомендуется – начинают расти зерна платины, изменяя генерируемую ТЭДС этой термопары. Термопара типа В развивает небольшую термоЭДС при температуре ниже 600 ˚С, поэтому для измерения низких температур не подходит. Однако, она подходит для долговременного измерения температур вплоть до 1600 ˚С, кратковременно – до 1800 ˚С. Платинородий-платиновые датчики отличаются стабильностью, высокой точностью и сопротивлением к коррозии в окислительных и нейтральных средах.
Конструктивные исполнения термопар
Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и вредных воздействий внешней среды их помещают в защитную арматуру. При изготовлении малогабаритных термопар для измерения температур до 300-400 ˚С используются трубки из латуни; для более массивных датчиков, предназначенных на температуры до 800-900 ˚С, используются трубки из нержавеющей стали. Выше 1000 ˚С и до 1250 ˚С применяются трубки из жаростойких сталей и сплавов (15Х25Т, ХН45Ю, Nicrobell), а также керамические защитные чехлы. При измерении температуры расплавов металлов и солей применяют толстостенные чехлы из серого чугуна, нитрида и карбида кремния.
Тип коммутации
По типу коммутации с приборами термопары делятся на два больших класса: с кабельными выводами и с коммутационными головками.
Датчики с кабельным выводом (рис. 2) можно подключать к измерителям, при этом нужно точно оценить длину кабеля. Такие модели рекомендуется применять до 400 ˚С. В датчиках с коммутационной головкой (рис. 3) провода для линии связи «датчик-прибор» подключаются к клеммам в головке. Этот класс стоит использовать для более высоких температур (до 800 – 900 ˚С), а также при неизвестном расстоянии между датчиком и прибором. Термопарный провод при этом приобретается отдельно. Категорически не рекомендуется подключать термопары к вторичным приборам медными или алюминиевыми проводами (рис. 4, 5). Это приведет к ошибке измерения, может повлечь брак термообрабатываемой продукции и другие непредсказуемые последствия.
Существует также третий класс – бескорпусные (поверхностные) датчики (рис. 6). Конструкция такой термопары максимально проста: термоэлектроды находятся внутри оплетки из кремнеземной нити, рабочий спай открытый, температура применения – вплоть до 300 °C.
Термометры сопротивления
Термометры сопротивления (ТС) – это датчики температуры, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления сенсора от температуры. Термосопротивления также существуют несколько видов. Рассмотрим основные характеристики наиболее часто используемых ТС. НСХ (номинально-статическая характеристика) – это самая важная характеристика ТС, которая определяет зависимость сопротивления от температуры. На рис. 7 показан диапазон измерения температур в зависимости от НСХ.
- номинал сопротивления R0 (50 Ом, 100 Ом, 500 Ом, 1000 Ом);
- материал чувствительного элемента (медь, платина);
- температурный коэффициент α, где:
- α=0,00428 ⁰С-1 – для 50М/100М
- α=0,00391 ⁰С-1 – для 50П/100П
- α=0,00385 ⁰С-1 – для Pt100/Pt500/Pt1000
Выбор сопротивления: 50 Ом, 100 Ом или 1000 Ом
Принцип действия ТС – это изменение сопротивления сенсора при изменении температуры. Но к сопротивлению чувствительного элемента прибавляется сопротивление линий связи от датчика до прибора. Исходя из этого, лучше использовать ТС с большим сопротивлением, по сравнению с сопротивлением линии связи. Поэтому 1000 Ом – оптимальный выбор. Однако многие приборы не могут работать с таким видом НСХ, поэтому стандартом является 50 Ом и 100 Ом.
Необходимо сказать пару слов о схемах подключения ТС (рис. 8):
— некоторые приборы поддерживают только двухпроводную схему подключения ТС (например, программируемое реле ПР200). В таком случае рекомендуем выбирать именно РТ1000, чтобы минимизировать ошибку измерения
— если есть возможность, лучше использовать трех- или четырехпроводные схемы подключения. Тогда и с помощью низкоомных датчиков получится точно измерять температуру.
Что лучше: медь или платина?
От материала чувствительного элемента зависит диапазон измерения температур. Медные: от -50 до +180 ⁰С, платиновые: от -196 до +500 ⁰С. По цене: термосопротивления из меди – дешевле, из платины – дороже. Еще один показатель, который нужно учитывать при выборе материала, это стабильность и точность. В ГОСТ Р 6651-2009 приведена таблица зависимости класса точности от материала и диапазона измерения.
Отличие 100П и Pt100
Существуют следующие технологии производства чувствительных элементов: намоточная (проволочная) и тонкопленочная (рис. 9).
100П применяется в основном российскими производителями, изготавливается по проволочной технологии, работают в широком диапазоне, но сенсор достаточно громоздкий.
Рt100 на основе тонкопленочных чувствительных элементов получают напылением тонкого слоя металла на керамическую подложку с образованием токопроводящей дорожки. Этот чувствительный элемент имеет малые габариты, что позволяет использовать в моделях с малым диаметром. Также технология производства позволяет делать 500- и 1000-омные сенсоры.
Точность
Класс допуска определяет максимально допустимое отклонение от номинальной характеристики. Отклонение, как функция температуры, фиксирует наименьшее допустимое отклонение при нуле градусов. При уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.
Существуют 4 класса допуска АА, А, В, С (рис. 10).
Класс допуска В – общепромышленное исполнение, которое является стандартом ОВЕН.
Класс допуска А и АА – заказываются для лабораторных измерений.
Выходной сигнал: сопротивление, ток или цифровой
При выборе выходного сигнала все сводится к надежности и цене. Надежность рассматривается в разрезе помехоустойчивости: токовый сигнал более помехоустойчив, чем сигнал «сопротивление»; цифровой сигнал, например, RS-485, более помехоустойчив, чем токовый.
Что касается цены: самый дешевый – сопротивление, токовый – средняя ценовая категория, самый дорогой цифровой. Но, с другой стороны, при выборе комплекта оборудования стоит учитывать, что датчики с RS-485 позволяют использовать более дешевые контроллеры, т.к. нет необходимости в аналоговых входах и применении модулей аналогового ввода.
Для выбора датчика следует обращаться в техподдержку ОВЕН, на почту support@owen.ru или заполнить и отправить опросные листы по датчикам, и мы поможем не ошибиться с выбором.
Тел: +7 (495) 64-111-56 e-mail: aip@owen.ru
111024, Москва, 2-я ул. Энтузиастов, д. 5, корп. 5
редакция АиП© Автоматизация и Производство, 2024. Все права защищены. Любое использование материалов допускается только с согласия редакции. За достоверность сведений, представленных в журнале, ответственность несут авторы статей.
Издание зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Свидетельство о регистрации средств массовой информации ПИ № ФС77-68720.
ООО «СиБ Контролс»
Температура может быть измерена с помощью большого количества типов датчиков. Все они реагируют на изменение температуры изменением некоторых своих физических параметров. Можно назвать шесть основных типов температурных сенсоров, с которыми инженер, вероятно, столкнется в процессе своей работы. Это следующие типы температурных сенсоров: термопары, сенсоры сопротивления (термометры сопротивления (RTD — Resistance Temperature Detector) и термисторы), инфракрасные датчики, биметаллические устройства, жидкостные термометры (использующие свойства жидкости расширяться при изменении температуры), и сенсоры, работа которых основана на эффекте изменения состояния вещества при воздействии температуры.
Термопары состоят по существу из двух полос или проводов, изготовленных из различных металлов и соединённых с одного конца. На свободных концах данного устройства можно обнаружить электродвижущую силу (ЭДС), вызванную контактной разностью потенциалов двух материалов. Изменение температуры в этом соединении вызывает изменение ЭДС. Данная ЭДС увеличивается, хотя и нелинейно, вслед за повышением температуры.
Термометры с сенсорами сопротивления используют свойство зависимости электрического сопротивления материала сенсора от температуры. Есть два основных типа таких сенсоров: термометры сопротивления (RTD), работа которых основана на свойстве металла изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры, и термисторы, работа которых так же основана на свойстве полупроводника изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Термометры сопротивления имеют практически линейную зависимость сопротивления от температуры. У термисторов с повышением температуры сопротивление нелинейно падает.
Инфракрасные датчики являются датчиками бесконтактного типа. Они определяют температуру путем измерения величины теплового излучения, испускаемого материалом.
Биметаллические устройства используют разницу в коэффициентах теплового расширения двух различных металлов. Полоски из двух разнородных металлов скрепляются вместе. При нагревании один из металлов устройства будет расширяться больше, чем другой, и полоска будет изгибаться в сторону материала с меньшим коэффициентом теплового расширения. Степень изгиба может быть преобразована в механическое перемещение указателя температуры или в замыкание или размыкание управляющих контактов. Эти устройства достаточно компактны и им не требуется блок питания для работы, но они обычно менее точные, чем термопары или термометры сопротивления (RTD) и с их помощью трудно производить регистрацию температуры.
Жидкостные термометры используют свойства жидкости расширяться при изменении температуры. Жидкостные термометры, характерный пример — бытовые термометры, обычно представлены двумя основными классами: ртутные термометры и термометры с использованием органической жидкости, например, спирта. Также есть варианты с использованием газа вместо жидкости. Ртуть является экологически опасной жидкостью, поэтому есть строгие правила, регулирующие использование устройств, которые её содержат. Жидкостные термометры не требует внешнего электропитания, не взрывоопасны и стабильны при многократных циклах измерений. С другой стороны, их показания практически невозможно автоматически записать или передать на расстояние, и трудно изготовить термометр с изменяемой точкой срабатывания контакта, хотя существуют ртутные термометры с такой функцией.
Датчики температуры, использующие эффект изменения состояния вещества при воздействии температуры изготавливаются в виде ярлычков, шариков, мелков, лаков или жидких кристаллов, состояние которых изменяется (обычно цвет), как только достигается определенная температура. Они используются, например, с конденсаторами пара. Когда температура конденсатора превышает определенную величину, белая точка на ярлычке, приклеенном к корпусу, станет черной. Время отклика обычно занимает минуты, поэтому такие датчики не реагируют на быстрое изменение температуры и точность их значительно ниже, чем у других типов датчиков. Кроме того, изменение состояния, как правило, необратимо, кроме случаев использования жидких кристаллов. Но даже в этом случае такие датчики могут быть удобными, если требуется быть уверенным, что температура части оборудования или материала не превысила определенный уровень, например, при транспортировке.
В промышленности, наиболее широко, используются следующие температурные сенсоры — термопары, сенсоры сопротивления (термометры сопротивления и термисторы) и инфракрасные устройства.
Термометры сопротивления (RTD) более устойчивы, чем термопары. С другой стороны, диапазон температур данных сенсоров не столь широк: RTD работают от приблизительно -250 до 850°C, тогда как диапазон работы термопар располагается от приблизительно -270 до 2300°C. Термисторы имеют более ограниченный температурный диапазон и широко используются между -40 и 150°C, но имеют большую чувствительность и могут обеспечить более высокую точность измерения в вышеуказанном диапазоне.
Термисторы и термометры сопротивления (RTD) имеют одно очень важное ограничение. Поскольку это сенсоры сопротивления, то для измерения величины сопротивления необходимо через них пропускать ток. Даже при использовании тока очень незначительной величины сенсор дополнительно разогревается, что вносит погрешность в измерение температуры. Особенно это важно при измерении температуры среды с малой теплопроводностью, особенно при отсутствии её движения и перемешивания.
Эта проблема не возникает с термопарами, имеющими малое внутреннее сопротивление и генерирующими ЭДС. При использовании измерителей ЭДС с большим входным сопротивлением дополнительный разогрев термопары практически отсутствует.
Инфракрасные датчики, хотя и относительно дороги, являются почти незаменимыми при измерении чрезвычайно высоких температур. Они применяются при температуре до 3000°C, значительно превосходя диапазон термопар или других устройств, измеряющих температуру контактным способом. Инфракрасный способ также привлекателен, когда нежелательно вступать в контакт с поверхностью, температура которой должна быть измерена. Таким образом, хрупкие или влажные поверхности, типа окрашенных поверхностей, выходящих из сушильного шкафа, могут быть проконтролированы таким образом. Вещества, которые являются химически активными или находящиеся под напряжением (например, металл в индукционной печи) — идеальные кандидаты на способ инфракрасного измерения. Также, таким способом выгодно измерять температуры очень больших поверхностей, типа стен зданий, которые потребовали бы большого множества термопар или RTD для проведения измерений.