Принцип работы датчика температуры

Принцип работы датчиков температуры:

Датчик температуры — это устройство, которое определяет температуру и преобразует ее в измеряемый сигнал. Принцип работы основан на различных физических эффектах, включая термоэлектрические, резистивные, термисторные, термопарные, эффекты теплового расширения, полупроводниковые и поглощения инфракрасного излучения. Ниже приводится подробное объяснение этих принципов:

1. Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект является основой термопарных датчиков температуры. Термопара с двумя различными материалами проводника, составленного из замкнутого контура, когда на двух концах существует градиент температуры, будет ток через контур, в это время между двумя концами существует электрический потенциал - термоэлектродвижущая сила. Это явление электрического потенциала из-за разницы температур известно как эффект Зеебека. Измеряя эту электродвижущую силу, можно достичь измерения температуры. Термопары имеют преимущества широкого диапазона измерения и высокой точности и широко используются в различных ситуациях измерения температуры.

   - Термопара — это датчик, образованный путем сварки двух разных металлических проводников.

   - Когда паяные соединения датчика находятся при разных температурах, образуется разность температур, которая генерирует небольшой электрический потенциал (сигнал напряжения).

   - Величина этой электродвижущей силы связана с разницей температур, а температуру можно измерить с помощью калиброванной кривой напряжение-температура.

2. Резистивные и термисторные эффекты

Эффект сопротивления и эффект термистора являются принципами работы термисторных датчиков температуры. Термистор — это элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Согласно закону изменения сопротивления в зависимости от температуры, термисторы можно разделить на два типа: положительный температурный коэффициент (PTC) и отрицательный температурный коэффициент (NTC). Значение сопротивления материалов с положительным температурным коэффициентом увеличивается с ростом температуры, а значение сопротивления материалов с отрицательным температурным коэффициентом уменьшается с ростом температуры. Измерение температуры может быть достигнуто путем измерения значения сопротивления термистора. Термисторные датчики могут достигать высокой точности в ограниченном диапазоне температур (например, от -90 °C до 130 °C).

2.1 Эффект термистора:

   - Термисторы — это резисторы, сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры. Обычно их делят на два типа: с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) и с положительным температурным коэффициентом (PTC).

   - Значение сопротивления термисторов NTC уменьшается с ростом температуры, тогда как у термисторов PTC увеличивается с ростом температуры.

   - Измеряя изменение значения сопротивления, можно вывести изменение температуры. Обычно существует определенная нелинейная зависимость между значением сопротивления и температурой, которая требует калибровки и специальной схемы для преобразования в значение температуры.

2.2 Эффект сопротивления:

   - Термометр сопротивления (RTD) — это датчик, в котором в качестве чувствительного элемента используется проволока или пленка из чистого металла (обычно платины).

   - При изменении температуры изменяется значение сопротивления металлического резистора, и это изменение линейно связано с температурой.

   - Измеряя изменение значения сопротивления, можно рассчитать значение температуры.

3. Эффект поглощения инфракрасного излучения

Инфракрасные датчики температуры основаны на принципе, что внутреннее тепловое движение объекта излучает электромагнитные волны (содержащие инфракрасные лучи с длиной волны от 0,75 до 100 мкм) во всех направлениях. Эти датчики не требуют прямого контакта с измеряемым объектом и косвенно измеряют температуру, измеряя инфракрасную энергию, излучаемую объектом. Поэтому они особенно подходят для измерения температуры поверхности движущихся объектов, небольших целей и объектов с малой теплоемкостью или быстрыми изменениями температуры (переходными процессами).

   - Инфракрасные датчики измеряют температуру поверхности объекта, принимая испускаемое им инфракрасное излучение.

   - Тепловое излучение объекта пропорционально температуре его поверхности, и датчик может определить температуру объекта, измеряя интенсивность полученного излучения.

4. Эффект теплового расширения: 

Датчик теплового расширения — это использование определенных материалов с температурными изменениями и характеристиками объемного расширения для измерения температуры. При изменении температуры длина материала в датчике будет меняться, и информацию о температуре можно получить, измерив изменение длины.

5. Полупроводниковый эффект: 

Полупроводниковые материалы имеют более высокую скорость изменения сопротивления с температурой, чем металлы, поэтому их можно использовать в качестве датчиков температуры. При повышении температуры сопротивление полупроводника будет быстро уменьшаться, и температуру можно точно измерить, используя эту характеристику.

На практике выбор подходящего датчика температуры следует осуществлять в соответствии с конкретным диапазоном измерений, требованиями к точности, условиями окружающей среды и другими факторами.

1. Термопары: Термопары обычно имеют большой диапазон измерения и приличную точность, но их линейность и стабильность могут зависеть от температуры и типа материала. При экстремальных температурах производительность термопар может ухудшаться, что влияет на точность.

2. Датчики коэффициента теплового расширения (измерители расширения): Измерители расширения менее точны и обычно используются для относительно грубых измерений температуры. Они подходят для измерения изменений температуры, а не точных значений температуры.

3. Термометры сопротивления (RTD): Термометры сопротивления обеспечивают хорошую точность и стабильность, особенно при постоянных температурах. Они имеют широкий диапазон измерений, но имеют медленное время отклика и не подходят для мониторинга быстро меняющейся температуры.

4. Термисторы (полупроводниковые датчики температуры): Термисторы очень чувствительны и могут очень быстро реагировать на изменения температуры. Однако их долгосрочная стабильность может быть не такой хорошей, как у RTD, а при экстремальных температурах может происходить ухудшение производительности.

Подводя итог

Датчики температуры работают на основе различных принципов, основанных на различных физических эффектах для измерения температуры. Датчики термопар используют термоэлектрический эффект; датчики термисторов используют резистивный и термисторный эффекты; а инфракрасные датчики используют эффект поглощения инфракрасного излучения. Эти датчики имеют свои преимущества и недостатки и подходят для различных случаев и потребностей измерения. Например, в случаях, когда требуется более высокая точность, обычно используются термопары или термометры сопротивления; в случаях, когда требуется быстрое время отклика, обычно используются датчики термоэлектрического эффекта или полупроводникового эффекта; в случаях, когда требуется низкая стоимость, обычно используются датчики эффекта теплового расширения.

В целом, ни один датчик температуры не является наиболее точным при всех условиях. Выбор датчика зависит от конкретных требований к применению, включая желаемый диапазон измерения, точность, время отклика, стоимость и условия окружающей среды. При выборе датчика температуры обычно приходится идти на компромиссы на основе этих факторов.