Процесс выбора подходящего термометра для конкретного применения требует тщательного анализа различных условий, которые необходимы для обеспечения корректной работы данного устройства.
Датчики температуры. Виды и принцип действия, Как выбрать
Использование датчиков температуры имеет критическое значение для мониторинга температурных условий в разнообразных средах, таких как помещения, жидкости, твердые вещества и расплавленные металлы. Эти устройства помогают контролировать температуру и осуществлять управление, что особенно важно в промышленных и научных приложениях.
Термопары.
Термопары представляют собой конструкции из двух проводов, изготовленных из различных металлов, которые соединены между собой. При наличии разницы температур между горячим и холодным концом термопары возникает электрический ток. Уровень этого тока варьируется в зависимости от конкретного типа термопары и может составлять от 40 до 60 мкВ, в зависимости от того, какие материалы были использованы для ее создания. Для построения термопары могут использоваться такие металлы, как никель-хром, хром-алюминий, железо-никель и другие комбинации.
Хотя термопары обеспечивают высокую точность измерений температуры, важно отметить, что они обладают определенными трудностями в использовании. Необходимо понимать, что термопары являются датчиками относительной температуры, а уровень напряжения на них зависит от разности температур между двумя контактами. Температура холодных соединений термопары обычно считается равной температуре окружающей среды, например, комнатной температуре.
Давайте разберем работу термопар более подробно. В системе термопары имеются два отдельных электрода, которые контактируют при разных температурах. Таким образом, электроэнергия, которая генерируется в этой цепи, будет напрямую зависеть от величины разности температур. Чтобы учесть температуру холодного соединения, проводят его компенсацию с использованием второго термопары, расположенного в сводном температурном контуре.
Одним из методов компенсации является программный подход, в котором одновременно используется сторонний датчик температуры, располагающийся в термостатируемой камере вместе с холодным контактом, с целью обеспечения высокой точности измерений. Однако стоит отметить, что термопары предоставляют некоторые сложности в процессе считывания их показаний.
Во-первых, стоит учитывать, что термопары имеют нелинейную характеристику. Стандарты ГОСТ рекомендовали использование полиномиальных коэффициентов для преобразования преобразуемого электрического сигнала в температуру и наоборот. Эти полиномы могут иметь достаточно высокий порядок, и хотя контроллер может легко производить вычисления, следует иметь это в виду при инженерных решениях.
Во-вторых, важно понимать, что термоэлектрическое напряжение, возникающее в термопарах, измеряется в единицах или сотнях микровольт. Это может стать причиной того, что использование доступных аналого-цифровых преобразователей (ADC) часто оказывается неэффективным. В конструкциях, где используются термопары, крайне важно применять малошумящие, многоканальные и высокоточные аналого-цифровые преобразователи.
Тепловое сопротивление
В качестве более простого решения для термометрии могут использоваться термисторы. Они функционируют благодаря зависимости электрического сопротивления самого материала от внешней температуры. Металлические термометры сопротивления, особенно платиновые, отличаются высокой точностью и линейностью откликов. Принцип функционирования термометров сопротивления основывается на двух основных характеристиках.
Базовое сопротивление термометра определяется при конкретной температуре. Согласно стандартам ГОСТ, эталонное сопротивление соответствует температуре 0 градусов Цельсия. В разных приложениях используются различные номинальные значения для сопротивления и температурного коэффициента в омах. Это значение рассчитывается как разница между резистивным значением при определенной температуре и его значением при 0 градусах Цельсия, разделенная на текущую температуру, умноженная на базовое сопротивление.
Датчик температуры НКР
Датчик температуры НКР представляет собой устройство, которое формирует материализованную ампулу, соединенную с индуктивной катушкой, которая, в свою очередь, связана с цепью осциллятора. Когда частота генератора совпадает с частотой, созданной НКР, происходит поглощение энергии от генератора. Допуск измерения температуры в этом случае составляет -263° C с погрешностью ±0,02° C и 27 градусов Цельсия с погрешностью ±0,002° C. Особенностью термометра НКР является его стабильность с течением времени, но отсутствует высокая степень линейности функции преобразования.
Преобразователи объема
Преобразователи объема реагируют на расширение и сжатие различных материалов в ответ на температурные изменения. Диапазон рабочих температур этих преобразователей напрямую зависит от стабильности физико-химических свойств используемых в них материалов. Например, некоторые датчики способны измерять температуру в диапазоне от -60 до 400 градусов Цельсия, при этом погрешность может составлять от 1% до 5%. Время реакции жидкостных преобразователей – как правило, зависит от температур кипения и замерзания используемых жидкостей. Погрешность измерений может колебаться от 1% до 3% в зависимости от текущей температуры окружающей среды.
Нижний предел измерений для газовых преобразователей определяется точкой, где газ начинает конденсироваться в жидкость, тогда как верхний предел ограничивается теплопроводностью самого баллона.
Датчик температуры состоит из двух проводников, сделанных из различных металлов. Концы этих проводов создают контактную точку, которая может быть сформирована методом скручивания, сварки или создания узкого шва. Эта контактная область имеет название горячее соединение.
Датчик температуры двигателя
Одним из ключевых компонентов является датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя. Также существуют датчики температуры входящего воздуха. Различные системы управления двигателем могут отличаться по конструкции, но датчик температуры охлаждающей жидкости остается необходимым элементом в каждой из них. Большинство систем управления также пользуется данными от датчиков температуры входящего воздуха.
На изображении представлен датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя (слева) и датчик температуры всасываемого воздуха (справа).
Электронный блок управления (ЭБУ) двигателя использует показания датчика температуры охлаждающей жидкости для регулировки процессов, таких как температура охлаждающей жидкости, холостой ход двигателя и момент зажигания, основываясь на текущих показателях температуры. Роль данных, получаемых с датчика температуры охлаждающей жидкости, в системе управления двигателем весьма значима. Например, если вычисленная температура охлаждающей жидкости, определяемая ЭБУ, заметно отличается от реальной из-за поломки датчика, это может привести к тому, что двигатель будет вести себя неправильно — он может не запуститься или остановиться несмотря на попытки системы поддерживать оптимальную работу.
По конструкции и принципу работы большинство датчиков температуры всасываемого воздуха аналогичны датчикам для охлаждающей жидкости. Данные о температуре обращаемого воздуха также важны для модуля управления, который может немного оптимизировать состав топливной смеси в зависимости от температурных показателей. Особенно заметно влияние данного датчика в тех системах, которые не используют датчик расхода воздуха.
Принцип действия датчиков температуры двигателя
Как и датчики температуры охлаждающей жидкости, большинство датчиков температуры воздуха в системе впуска двигателя основаны на использовании термистора с отрицательным температурным коэффициентом. Это означает, что при повышении температуры сопротивление датчика падает. Для установки датчика температуры охлаждающей жидкости он помещается в поток охлаждающей жидкости, циркулирующего в двигателе. При низких температурах охлаждающей жидкости сопротивление датчика будет высоким — порядка 3,52 кОм при +20°C. С увеличением температуры это значение падает до примерно 240 Ом при +90°C.
На датчик температуры двигателя подается опорное напряжение 5 В от ЭБУ, которое проходит через резистор с постоянным значением сопротивления. Второй проводник датчика подключается к общей земле.
На изображении представлена принципиальная схема датчика температуры двигателя с использованием термистора как чувствительного элемента и его подключения к блоку управления ЭБУ.
- Место подключения зажима «крокодил» для датчика осциллографа.
- Точка подключения датчика осциллографа для захвата осциллограммы выходного напряжения датчика.
- Датчик температуры.
- Выключатель зажигания.
- Аккумулятор.
Датчик температуры двигателя определяет опорное напряжение, и сигнал от него будет ниже установленного напряжения при изменении температуры. При увеличении температуры охлаждающей жидкости, например, во время прогрева двигателя, сопротивление датчика уменьшается, что приводит к снижению выходного напряжения на его выходе. Блок управления двигателем использует эту информацию для расчета текущей температуры охлаждающей жидкости на основе полученного напряжения.
Характеристика датчика температуры охлаждающей жидкости.
| Температура, °C | Сопротивление, Ω ± 2%. |
| -40 | 100700 |
| -30 | 52700 |
| -20 | 28680 |
| -15 | 21450 |
| -10 | 16180 |
| -4 | 12300 |
| 0 | 9420 |
| +5 | 7280 |
| +10 | 5670 |
| +15 | 4450 |
| +20 | 3520 |
| +25 | 2800 |
| +30 | 2240 |
| +40 | 1460 |
| +45 | 1190 |
| +50 | 970 |
| +60 | 670 |
| +70 | 470 |
| +80 | 330 |
| +90 | 240 |
| +100 | 180 |
| +130 | 70 |
Одной из наиболее частых проблем, с которыми сталкиваются термостатические датчики температуры двигателя, является несоответствие между электрическим сопротивлением и фактической температурой. Обычно такие неисправности проявляются в виде резкого увеличения сопротивления датчика в довольно узком диапазоне температур (или в разных температурных диапазонах) корпуса устройства. Это может произойти, но не ограничивается разрывом чувствительного элемента. В момент, когда температура корпуса датчика попадает в данный диапазон, происходит резкое увеличение сопротивления, что соответственно приводит к увеличению напряжения выходного сигнала датчика. Следовательно, температура, вычисленная блоком управления на основе этого увеличенного напряжения, окажется ниже реальной. Это может привести к неправильным расчетам блока управления и слишком богатой смеси, что может привести к затруднению запуска или полной остановке двигателя. Иногда может потребоваться даже замена свечей зажигания для восстановления работоспособности двигателя. Неисправный датчик температуры двигателя можно выявить, используя измеритель сопротивления и сравнивая его показания с эталонными значениями для конкретной температуры.
При необходимости диагностировать датчик температуры следует контролировать его выходное напряжение с помощью осциллографа в различных температурных режимах. При тестировании датчика полезно записывать и визуализировать осциллограмму сигнала на выходе датчика на всех этапах: от полного охлаждения двигателя до его прогрева и охватывая ситуации, когда включается вентилятор охлаждения или двигатель останавливается из-за каких-либо неисправностей.
На представленной осциллограмме видно, как напряжение на неисправном датчике температуры охлаждающей жидкости колеблется. При прогреве холодного двигателя напряжение плавно снижается, и отсутствуют любые скачки или резкие изменения.
Своевременная заземленность в корпусе термопары может снизить тепловую инерцию, увеличить отклик датчика и повысить точность измерений в реальном времени.
Промышленные термодатчики и сенсоры
В дополнение к стандартным термодатчикам, используемым в быту, существуют и промышленные термометры, предназначенные для уникальных приложений. Их использование часто ориентировано на специфические группы пользователей и связано с высокой функциональностью, необходимой в производственных условиях. Некоторые из этих датчиков специально разработаны для контроля температуры в уникальных и экстремальных условиях. При выборе подходящего типа промышленного термодатчика следует придерживаться тех же принципов, что и для бытовых датчиков, обеспечивая правильный учет условий эксплуатации и требований безопасности.
Применение
Важно осознавать, что каждый тип датчика изначально разработан для использования в определенных условиях. Практически в каждой сфере жизнедеятельности и производства знание температуры является ключевым аспектом. Поэтому для абсолютных измерений критично применять термисторы, для измерений в помещении актуальными будут шумовые датчики, а для получения наилучшей точности данных — цифровые варианты датчиков.
Мир температурных датчиков охватывает все аспекты жизни, где необходимы температурные замеры. Это может быть как помещения, так и жидкости или совершенно различные материалы. Условия в некоторых помещениях могут быть весьма влажными, в то время как другие – недоступными. То же самое можно сказать о жидкостях и материалах. При выборе соответствующего термометра следует акцентировать внимание на мелких различиях в условиях измерений для достижения наилучших результатов.
