Датчик температури – це один з основних компонентів електронного термометра, що перетворює фізичний параметр (температуру) в електричний сигнал для подальшої обробки та відображення. Принцип роботи заснований на фундаментальних властивостях матеріалів змінювати свої характеристики при зміні температури.
Це обладнання повсюдно зустрічається в різних інженерних системах, наприклад, таких як промислова холодильна камера. Найбільш поширеними вважаються термістори (що змінюють опір), термопара (що генерують термоЕРС) і напівпровідникові сенсори (що змінюють електричні параметри p-n-переходу).
Як зазначив видатний фізик Вільгельм Конрад Рентген (1845-1923): «Точне вимірювання температури – це не просто технічний процес, а мистецтво розуміння природи теплових процесів, що лежать в основі багатьох фізичних явищ».
Содержание
Області застосування температурних датчиків
Датчики температури знайшли застосування в різноманітних сферах діяльності людини завдяки своїй універсальності та різноманіттю конструкцій.
Наприклад, у медицині термодатчик забезпечує контроль стану пацієнтів, роботу діагностичного обладнання та підтримання необхідного температурного режиму в приміщеннях клінік.
У системах клімат-контролю датчики забезпечують підтримку комфортної температури, ефективне використання енергоресурсів і захист обладнання від перегріву. Новітні системи «розумний будинок» засновані на мережах розподілених датчиків для оптимізації мікроклімату.
Застосування температурних датчиків у різних галузях
Галузь | Мета застосування | Вигода | Рекомендації щодо вибору |
Медицина | Контроль температури тіла | Точна діагностика стану пацієнта | Вибирайте датчики з похибкою не більше ±0,1°C |
Харчова промисловість | Контроль процесів приготування | Дотримання технології та безпеки | Бажані вологозахищені моделі з нержавіючої сталі |
Холодильна техніка | Підтримка заданого режиму | Збереженість продуктів, економія енергії | Рекомендуються датчики з широким діапазоном від’ємних температур |
Опалювальні системи | Управління котлами та теплообмінниками | Оптимальна витрата енергоносіїв | Використовуйте термопари або платинові термоопори |
Електроніка | Захист компонентів від перегріву | Продовження терміну служби пристроїв | Вибирайте мініатюрні швидкодіючі датчики |
Автомобільна промисловість | Контроль двигуна та систем | Безпека експлуатації | Необхідні вібростійкі моделі з термозахистом |
Типи датчиків та особливості їх конструкції
Термопара – це найпростіший тип температурних датчиків, принцип роботи яких заснований на ефекті Зеебека – виникненні ЕРС в замкнутому ланцюзі з різнорідних провідників при наявності різниці температур. Їх головна перевага – широкий діапазон вимірюваних температур (від -200°C до +2500°C).
Термістори змінюють свій опір при зміні температури. Існують моделі з негативним (NTC) і позитивним (PTC) температурним коефіцієнтом. NTC-термістори зменшують опір при нагріванні, PTC – збільшують, що визначає області їх застосування.
Термометр опору використовує залежність опору металу від температури. Найбільш поширені платинові (Pt100, Pt1000) та мідні датчики. Вони відрізняються високою лінійністю характеристики та стабільністю показань.
Напівпровідникові датчики – це інтегральні мікросхеми, що вимірюють температуру на основі властивостей p-n-переходу. Їх переваги – компактність, низька вартість, висока точність в обмеженому діапазоні температур і можливість цифрового виведення даних.
Типи температурних датчиків та їх характеристики
Тип датчика | Особливості |
Термопари | Широкий діапазон температур, простота конструкції, низька вартість, не потребують живлення |
NTC-термістори | Висока чутливість, нелінійна характеристика, обмежений діапазон температур |
PTC-термістори | Режим перемикання при пороговій температурі, застосовуються для захисту від перегріву |
Платинові термоопори | Висока точність і стабільність, лінійна характеристика, дорожнеча |
Мідні термоопори | Гарна лінійність, обмежена верхня межа температури (до +180°C) |
Кремнієві датчики | Інтеграція з електронікою, цифровий вихід, висока точність у вузькому діапазоні |
Інфрачервоні датчики | Безконтактне вимірювання, швидкодія, залежність від оптичних властивостей поверхні |
Історичний розвиток вимірювальних елементів
Датчики температури пройшли тривалий шлях еволюції від найпростіших біметалевих пластин до новітніх інтегральних мікросхем. Історично першою була термопара, відкрита Томасом Зеебеком у 1821 році, але її практичне застосування почалося лише на початку XX століття.
Інвестиції в розробку досконаліших датчиків завжди окупалися підвищенням надійності та точності вимірювань. Наприклад, перехід від біметалевих термометрів до електронних з термісторами дозволив збільшити термін служби приладів з 2-3 років до 10-15 років, при одночасному підвищенні точності вимірювань.
Впровадження платинових термоопорів вимагало значних капіталовкладень у виробництво високочистих матеріалів, але забезпечило безпрецедентну стабільність показань протягом десятиліть.
Нові напівпровідникові датчики з цифровим виходом коштують дорожче простих термісторів, але забезпечують можливість побудови складних систем моніторингу з мінімальними витратами на обслуговування та калібрування.
Провідні виробники датчиків температури:
- Endress+Hauser (Швейцарія)
- Texas Instruments (США)
- Honeywell (США)
- Siemens (Німеччина)
- Sensirion (Швейцарія)
- Microchip Technology (США)
- TE Connectivity (Швейцарія)
Принцип роботи сучасних температурних сенсорів
Термодатчики різних типів використовують різні фізичні принципи для перетворення температури в електричний сигнал.
Для вимогливих промислових застосувань часто використовуються дорогі платинові термометри опору, що забезпечують точність до ±0,01°C і довготривалу стабільність.
Читайте також як термометр дізнається температуру
У побутовій техніці та споживчій електроніці перевага віддається недорогим термісторам або інтегральним датчикам, які при обмеженому діапазоні температур забезпечують прийнятну точність ±0,5°C. Їх заміна при виході з ладу обходиться дешевше, ніж використання більш надійних промислових аналогів.
Екстремальні умови експлуатації (високі температури, вібрація, радіація) вимагають спеціальних версій датчиків з відповідним захистом, що збільшує їх вартість у 3-5 разів. Але якщо врахувати вартість простою виробництва або ризики виходу з ладу дорогого обладнання, такі інвестиції повністю виправдані.
Виробники датчиків температури та їх спеціалізація
Виробник | Країна | Цінова категорія | Рекомендовані умови експлуатації |
Sensirion | Швейцарія | Преміум | Високоточні лабораторні та медичні вимірювання |
Maxim Integrated | США | Преміум | Системи з цифровою обробкою, IoT пристрої |
Honeywell | США | Стандарт | Промислова автоматизація, HVAC системи |
TE Connectivity | Швейцарія | Стандарт | Автомобільна електроніка, вологі умови |
Microchip | США | Економ | Побутова електроніка, розумні будинки |
OMEGA Engineering | США | Економ | Системи опалення, вентиляції |
NXP Semiconductors | Нідерланди | Економ | Споживча електроніка, автомобілі |
Критерії вибору датчика під задачу
Датчик температури для конкретного застосування слід вибирати з урахуванням кількох основних параметрів:
- діапазону вимірюваних температур;
- необхідної точності;
- швидкодії;
- умов експлуатації;
- типу вихідного сигналу;
- вартості. Ігнорування навіть одного з цих факторів може призвести до некоректної роботи всієї системи або необґрунтованих витрат.
Правильно підібраний термодатчик забезпечує точні вимірювання, а також оптимальне співвідношення «ціна-якість» для конкретного завдання. Наприклад, для медичного термометра критична точність у вузькому діапазоні 35-42°C, для холодильника важливий розширений діапазон від’ємних температур, а для промислової печі – стійкість до високих температур і вібрацій.
Вплив характеристик датчика на економіку приладу
Термопара як основний компонент вимірювального приладу може становити від 10% до 40% його собівартості, тому вибір датчика – важливий фактор ціноутворення кінцевого продукту. При цьому економія на якості датчика часто обертається підвищеними витратами на обслуговування та калібрування в процесі експлуатації.
Історія розвитку температурних датчиків наочно демонструє, як технологічні інновації сприяють зниженню вартості та підвищенню доступності точних вимірювань. За словами Лорда Кельвіна (Вільяма Томсона, 1824-1907): «Якщо ви можете виміряти те, про що говорите, і виразити це в числах, значить ви щось знаєте про предмет; але якщо ви не можете виміряти це, якщо не можете виразити це в числах, ваші знання мізерні та незадовільні».
Точність вимірювань як результат технологічного вибору
Датчик температури останнього покоління забезпечує безпрецедентний рівень точності за рахунок інтеграції мікропроцесорів безпосередньо в вимірювальний модуль.
Споживач отримує вигоду від новітніх технологій у вигляді підвищеної надійності, розширеної функціональності та зручності використання. Наприклад, бездротові датчики з автономним живленням дозволяють створювати розподілені системи моніторингу без прокладання кабелів, а інтелектуальні пристрої з самодіагностикою значно спрощують обслуговування. «Наука збільшує нашу силу в тій мірі, в якій зменшує нашу гордість» – зазначав Клод Бернар (1813-1878), підкреслюючи, що технологічний прогрес вимагає від нас постійного навчання та адаптації до нових можливостей.
