Для получения наиболее точных результатов потребуется много времени. Наилучшие результаты дают биметаллические термометры, основанные на принципе НКР, и цифровые термометры. Первые быстрее, а вторые — точнее.
Датчики
Для измерения температуры различных физических объектов человечество изобрело множество типов приборов и еще больше вариаций их применения. Тем не менее, выбрать правильный тип датчика для проекта микроконтроллера несложно, нужно лишь знать характеристики некоторых основных принципов измерения. Ниже приводится краткое описание основных типов температурных датчиков, имеющих практическое значение для автоматических измерительных систем.
Самый простой и распространенный тип датчика температуры — термометр сопротивления. Принцип его работы основан на зависимости удельного сопротивления металлов от температуры. Это означает, что при повышении температуры сопротивление металлической проволоки увеличивается. Коэффициент, описывающий эту зависимость, называется температурным коэффициентом сопротивления (TCR). Это значение является положительным для металлов.
Термометр сопротивления состоит из маленькой спирали медной или платиновой проволоки, заключенной в защитную оболочку. Для оптимальной производительности измерений провод должен быть как можно длиннее. Для удобства использования все термометры стандартизированы по так называемому нулевому сопротивлению, т.е. сопротивлению при температуре 0 градусов Цельсия. Промышленность выпускает термометры с нулевым сопротивлением 50, 100, 500, 500 и 1000 Ом. Термометры маркируются в зависимости от типа металла, используемого для измерения, и нулевой температуры. Например, очень распространены медные датчики TCM100 и платиновые датчики TSP100 и Pt100. Характеристики двух последних немного отличаются, что необходимо учитывать.
 |
| Промышленные термометры |
Термометры сопротивления используются для измерения температуры о т-50 до 200 градусов Цельсия. Одним из их преимуществ является высокая точность измерений при низкой стоимости. В изделиях для промышленного применения погрешность составляет порядка 0,1 градуса. Использование термометров сопротивления требует построения специальных схем, с помощью которых можно определить сопротивление датчика с высокой точностью.
Терморезисторы
Принцип работы термисторов аналогичен принципу работы термометров сопротивления. Они отличаются в основном технологией производства и конструктивными особенностями. По внешнему виду они часто напоминают обычные резисторы. Термисторы выпускаются в виде положительных резисторов TKC и отрицательных резисторов TKC.
Нулевое сопротивление термисторов может достигать нескольких десятков килоом. Их использование аналогично использованию термометров сопротивления. К недостаткам относится значительная нелинейность свойств этих элементов.
Термопары.
Принцип действия термопары основан на возникновении термоэлектрического удара (эффект Зеебека) на стыке двух разнородных металлов. Значение EED пропорционально разнице температур между «горячим» концом или спаем и «холодным» концом, который является соединением проводников со счетчиком. Наиболее часто используемые в нашей стране пары металлов — хром-алюминий (международное обозначение — К, национальное обозначение — НА), хром-медь (тип L или TXK), платина-родиевая платина (t yp S или TPP). Существуют также некоторые другие типы термопар.
Выходной сигнал термопары представляет собой напряжение, измеряемое в мВ. Это означает, что для проведения достоверных измерений необходимо использовать усилитель. Второй особенностью использования термопар является необходимость компенсации холодного спая. В общем случае термопара представляет собой спай двух разнородных проводников. Точки подключения этих проводников к измерительному прибору, в свою очередь, являются аналогом спая, который вносит погрешность в измерение. Чтобы учесть это, дополнительный датчик температуры размещается как можно ближе к месту контакта, и его показания вычитаются из показаний основного датчика. Третья особенность — необходимость использования специальных соединительных кабелей, обычно изготовленных из того же материала, что и термопара. Несоблюдение этого требования приводит к увеличению погрешности измерений из-за дополнительных пересечений.
Основным преимуществом термопар является их способность измерять высокие температуры. Например, диапазон измерения типа XA составляет о т-180 до 1300 градусов Цельсия. В некоторых специальных моделях верхнее значение может достигать 1800 градусов. Помимо большого диапазона измерений, термопары характеризуются относительно высокой погрешностью измерения, составляющей около 1 градуса. Кроме того, необходимо учитывать нелинейность термопар, особенно при больших диапазонах температур.
В следующей таблице приведено сравнение различных типов температурных датчиков, описанных в этой статье. Однако эту информацию следует воспринимать как обобщение. Таблица предназначена в основном для тех, кто имеет небольшой опыт и/или знания о температурных датчиках.
Параметры выбора
Для того чтобы выбрать подходящий термометр, необходимо установить некоторые условия, которые должны быть соблюдены для комфортной работы прибора.
Диапазон рабочей температуры
Важно знать, при каких температурах будет использоваться термометр. Также необходимо определить, какая погрешность допустима для получения результатов. Если температурный диапазон невелик, достаточно будет термисторов. В более жестких условиях большинство шумомеров будут работать.
Условия проведения замеров
Можно установить термометр на заменяемой среде или материале. Если это не так, данные можно получить с помощью радиационных термометров, которые измеряют температуру через препятствия.
Время работы до калибровки или замены
Определите условия эксплуатации датчика. Окружающая среда может быть стандартной, с высокой влажностью, окисляющей, воспламеняющейся и так далее.
Величина сигнала выхода
Выходной сигнал должен соответствовать возможностям электроизмерительного оборудования для обработки полученных данных. Это зависит от того, насколько измеренные температуры преобразуются в энергию.
Другие технические данные
При выборе подходящего датчика температуры необходимо учитывать и вторичные факторы. Эти нюансы позволяют выбрать наиболее подходящее устройство для получения нужных данных.
Погрешность
Для получения наиболее точных результатов потребуется много времени. Наилучшие результаты дают биметаллические термометры, основанные на принципе НКР, и цифровые термометры. Первые быстрее, а вторые — точнее.
Разрешение
Этот индикатор обеспечивает более точные шаги измерения температуры датчика. Типичным примером является DS18B20, который может работать с разрешением 9, 10, 11 и 12 бит. Самый низкий режим дает 0,5°C, а самый высокий — 0,0625°C.
Напряжение
На величину выходного напряжения влияет сопротивление резистора. В зависимости от этого напряжение может быть линейным (изменяющимся в зависимости от температуры) или нелинейным. Для каждого датчика на клеммах термометра имеется опорное значение, которое зависит от температуры измеряемого объекта.
Время сработки
Это значение отвечает за скорость получения результатов измерения. Как правило, быстрые измерения могут быть выполнены с большой погрешностью. Чтобы устранить этот недостаток, временем реакции следует пренебречь и увеличить его до требуемого значения точности.
Промышленные термодатчики и сенсоры
Помимо обычных бытовых датчиков температуры, существуют также промышленные датчики температуры, которые используются исключительно в специальных приложениях. Их распространение направлено на определенную группу людей, поскольку они могут быть использованы только в производстве. Некоторые из них способны работать в различных нестандартных условиях и в сложных условиях. Выбор подходящих типов осуществляется так же, как и для домашних датчиков.
Применение
Важно знать, что каждый тип датчика предназначен для использования в определенных условиях. Практически во всех сферах производства и жизни необходимо знать температуру. Например, термисторы следует использовать для абсолютных измерений, датчики шума — для измерений в помещениях, цифровые датчики — для получения наиболее точных данных и т.д.
Мир температурных датчиков охватывает все сферы жизни, где необходимо измерять показатели. Это может быть комната, жидкость или предмет с очень разными оттенками. В некоторых комнатах очень влажно, а в других нет доступа. Аналогичные параллели можно провести с жидкостями и предметами. При выборе подходящего термометра следует обратить внимание на тонкости условий измерения.
