Разновидности датчиков температуры воды

История термометров

Исследователи расходятся во мнении, кто первый изобрёл термометр. Кандидаты на роль:

1. Галилео Галилей.
2. Корнелис Дреббель.
3. Роберт Флуд.
4. Санторио Санторио.

Ещё Филон Византийский и Герон Александрийский знали об изменении свойств веществ под действием температуры. В особенности, древних интересовал воздух. Замечено, что при изменении температуры герметичной колбы, частично заполненной водой, уровень раздела сред перемещается. Это сильно напоминает современные ртутные приборы. Галилео Галилея называют изобретателем указанного класса приборов — учёный конструировал термоскопы. Отличие заключается в отсутствии шкалы.

Датчик измерения

Вынуждены признать первопроходцем Роберта Флуда, первым догадавшегося количественно попробовать измерить сдвиг в 1638 году. Конструкция вышла крайне удачной. Нечто подобное используется в промышленности и поныне. В 1613 и 1611 годах со шкалой уже экспериментировали Санторио Санторио и Франческо Сагредо. Термин «термометр» впервые упоминается в издании La Récréation Mathématique 1624 года.

Быстро стало понятно, что тепловой коэффициент расширения воды невысок, уже в 1654 году появился аналог со спиртом, к 1730 конструкция обрела практически современный вид (шкалой физика Реомюра  и сейчас пользуются во Франции). Учёные активно экспериментировали с прочими жидкостями. Параллельно шли работы над шкалой: в 1665 году Христиан Гюйгенс предложил в качестве стандартных точек температуры кипения и замерзания воды.

Не выделялось единого понятия о размере градуса, пока в 1742 году Цельсий не поделил расстояние между упомянутыми выше двумя точками на сто равных частей (в первоначальном варианте за нуль брали точку кипения воды, на таяние льда приходилось 100 градусов). Появилась единица измерения в нынешнем представлении. В 1848 году Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы с нулём, ниже которого температура уже не опустится (минус 273,16 градусов Цельсия — нуль по шкале Кельвина). По величине градусы Цельсия и Кельвина равны.

Окончательную форму состав термометра принял в 1714 году, благодаря Даниэлю Фаренгейту, определившему, что максимальным коэффициентом термического расширения характеризуется ртуть. В 1724 году стеклодув предложил собственную шкалу, именем устройства называется рассказ Рея Бредбери (за точку отсчёта бралась температура смеси воды, соли и льда). История не заканчивается, и в 1999 году появился первый височный бесконтактный термометр. Аналогичные применяются, к примеру, для доведения до кондиции молока, предназначенного в пищу.

Работа датчика

Аналоговые полупроводниковые датчики

Простые аналоговые полупроводниковые датчики практически в чистом виде реализуют идею измерения температуры, с помощью определения падения напряжения на p-n переходе. Для устранения всех отрицательных явлений, связанных с работой такого перехода, используется специальная схема, содержащая в своем составе два чувствительных элемента (транзистора) с различными характеристиками. Выходной сигнал формируется как разность падений напряжения на каждом чувствительном элементе. При вычитании значительно сокращаются негативные моменты. Дальнейшее повышение точности измерения осуществляется калибровкой датчика с помощью внешних цепей.

 Основной характеристикой датчика температуры является точность измерений. Для полупроводниковых моделей она колеблется от ±1°С до ±3.5°С. Самые точные модели редко обеспечивают точность лучше чем ±0.5°С. При этом данный параметр сильно зависит от температуры. Как правило, в суженном диапазоне от  -25° до 100°С точность в полтора раза выше, чем в полном диапазоне измерений -40°С до +125°С. Большинство аналоговых датчиков температуры, иначе называемых интегральными датчиками, содержит три вывода и включается по схеме диода. Третий вывод обычно используется для целей калибровки. Выходной сигнал датчика представляет собой напряжение, пропорциональное температуре. Величина изменения напряжения различна и, например, составляет 10мВ/градус. Для точного определения значения температуры необходимо знать падение напряжения при каком-либо ее фиксированном значении. Обычно в качестве такового используется значение начала диапазона измерений либо 0°С.

Примеры аналоговых датчиков температуры

Кроме простых датчиков, производители предлагают также готовые интегральные системы термостатирования. Подобные микросхемы, например LM56 от National Semiconductor, оснащены выходом для управления нагрузкой. Температура срабатывания выхода задается в виде заводской установки, либо с помощью навесных элементов, подключаемых к специальным входам задания. Невысокое качество регулирования, обеспечиваемое данными элементами, компенсируется их простотой использования и сверхнизкой стоимостью готовых систем управления.

Гигрометры

Цифровой датчик температуры – это далеко не весь потенциал цифры. В таком датчике также может быть совмещен и измеритель влажности воздуха. А благодаря возможности программировать цифровое устройство, аппарат становиться и своего рода реле для климатических установок и вентиляций.

Требования к гигрометру всегда одни: точность, чувствительность, легкий монтаж и заменимость

Второстепенным, но немаловажным будет стоимость гигрометра, на которую также обращает внимание среднестатистический покупатель

Виды гигрометров:

Емкостные.

Они представлены в виде конденсатора с воздушным зазором. Когда изменяется число водяного пара, изменяется и емкость конденсатора. Прибор достаточно точен для измерения влажности в бытовых условиях, хотя и не удовлетворит специфических требований по особо точным измерениям низкой влажности. Среднее отклонение у таких устройств 2% при разбросе измеряемой влажности в 5-95%.

Принцип работы основан на измерении влажности гигроскопической среды. В датчике находится подложка, на которую при помощи фоторезистора наложили пару электродов и накрыли проводящим полимером.

Срабатывает система каждые 10-30 секунд. Устройство не требовательно к настройке и легко заменяется. Исправная работа устройства обеспечивается до 5 лет при условии отсутствия в воздухе высокого содержания вредных химических примесей.

Теплопроводящие.

Такие чаще всего используются в бытовых приборах. Суть их работы в связанных между собой в одном мосту нескольких термисторов. Один из термисторов изолирован, в то время как другой открыт, разнится между ними и преобразуется в необходимый результат.

Цифровой.

Цифровой измеритель в отличии от аналогов собрать самостоятельно намного сложнее, он требует настройки от специалиста. Его преимуществом является выносной дисплей с элементами программирования датчика. Такими как установка таймеров измерения, срабатывание на движение (при оборудовании его еще и датчиком движения), и в целом цифровой датчик является своего рода конструктором который можно собрать в нечто намного большее, чем просто гигрометр. Или же расширять его возможности постепенно по мере необходимости. Из минусов помимо проблем с первоначальной настройкой – отсутствие вентиляции при выключенном электричестве.

Как измерить температуру

Для измерений используются термометрические свойства веществ. Звучит тривиально, наподобие фразы «масло масляное», но такова действительность. У веществ от температуры зависят:

1. Геометрические размеры. Упомянутое качество отмечали древние на примере воздуха и воды. В нынешнем мире чаще используется способность различного термического расширения двух разнородных металлов. Их соединяют в полосу, «спина к спине», получается датчик. Термометр называется биметаллическим. Подобные свойства в паре проявляют, к примеру, железо и цинк. Две полоски, будучи объединены заклёпками вместе, при нагревании изогнутся.
2. Электрическое сопротивление. Качество активно используется в полупроводниковой технике. Все дешёвые холодильники, где нерационально использовать термопару, снабжаются подобными сопротивлениями. Свойство работает на практике. Разумеется, свойства материалов различны, скорость изменения параметров неодинакова.
3. Электродвижущая сила. Учёные обнаружили, что отдельные полупроводники при нагреве способны образовывать потенциал. Аналогичными качествами характеризуются минералы. К примеру, известный турмалин, получивший название за способность притягивать пепел (при нагреве поверхность кристалла приобретала заряд, ставший причиной указанного явления).
4. Спектр излучения. Тело, помещенное в холодную среду, испускает волны электромагнитной природы. Причём на графике плотности излучения это выглядит как горб со смещённой влево вершиной. Чем выше температура, тем сильнее гора смещена вверх по шкале частот. К примеру, Солнце настолько горячее, что максимум солнечного излучения приходится на видимый спектр в районе зелёного цвета. Аналогично, кузнец видит раскалённый металл, меняющий оттенки, пока меха раздувают огонь. Спектральные термометры позволяют выполнять дистанционные измерения.

Процесс измерения

Индикатор температуры двигателя особенности

Начнем с распространенной ситуации. Допустим, в автомобиле имеется штатный стрелочный указатель температуры, однако на таких приборах шкала зачастую может не иметь калибровок, а стрелка рабочей температуры двигателя в среднем положении отображает реальную картину только условно.

При этом в процессе эксплуатации водитель замечает, что если середина на шкале является нормой, то в различных ситуациях стрелка может заметно подниматься и выше (например, в пробках). Казалось бы, происходит перегрев мотора.

Естественно, движение на автомобиле сразу прекращается, владелец спешит заглушить двигатель и открыть капот. Однако при осмотре агрегата следов утечки ОЖ нет. Далее производится повторный запуск и выясняется, что вентилятор радиатора даже не включается, хотя устройство работоспособно.

При ощупывании верхний патрубок радиатора имеет приемлемую температуру, нигде не «давит» антифриз, нижний патрубок может быть и вовсе холодным и т.д. Дальнейшая проверка уровня ОЖ и состояния самого тосола/антифриза также показывает, что жидкость системы охлаждения в норме, нормально работает внутрисалонный отопитель (печка), в системе нет воздушных пробок, помпа также исправна.

Еще бывает так, что если дать двигателю полностью остыть, затем завести мотор и прогревать силовой агрегат до рабочих температур, этот процесс может занять много времени (судя по указателю на панели приборов). При этом можно заметить, что хотя стрелка только немного поднялась, а вентилятор радиатора уже срабатывает, нижний патрубок радиатора теплый и т.д.

Если учесть, что с вентилятором и системой охлаждения все в порядке, тогда описанные выше признаки указывают на большую погрешность или проблемы именно с указателем температуры двигателя. Вполне очевидно, что в подобной ситуации становится сложно понять, когда мотор выходит на рабочие температуры, перегревается ли ДВС, сколько необходимо прогревать двигатель перед поездкой и т.д.

На начальном этапе многие водители начинают искать причину. Некоторые сразу:

• промывают систему охлаждения
• меняют ОЖ и термостат
• проверяются штатные температурные датчики на двигателе и в приборной панели;
• прозванивается  проводка и т.д.

В одних случаях проблему удается решить, тогда как в других добиться корректной работы штатного указателя температуры все равно не удается.  Дело в том, что нередко виновником являются управляющие электронные модули, дающие определенный сбой.

Менять такие модули дорого и нецелесообразно. В этой ситуации качественным решением является цифровой индикатор температуры двигателя. Такой электронный датчик имеет вполне приемлемую стоимость (в среднем, от 15 до 55 у.е.), относительно легко подключается и устанавливается. Диапазон измеряемых температур также весьма широк (в среднем, от -65 до +240).

Отметим, что на разных типах ДВС особенности монтажа могут несколько отличаться.

1. Запитывается устройство обычно от замка зажигания.
2. Цифровая панель устанавливается в удобном месте в салоне автомобиля.
3. Что касается самого датчика, для точных показаний его необходимо погружать в охлаждающую жидкость.

Другими словами, устройство нужно вкрутить в блок или врезать в патрубок. Чтобы это сделать, одни водители заменяют штатный датчик температуры, попросту вкручивая вместо него новый. Однако на автомобилях с ЭБУ по ряду причин так делать нельзя.

Дело в том, что контроллер получает показания о температуре ОЖ. В этом случае нужно отдельно реализовывать монтаж датчика цифрового индикатора, так как убирать стандартный температурный датчик из системы настоятельно не рекомендуется.

Расширенная классификация термометров

Оговоримся, что в рамках обзора не отделяем от темы пирометры. Это чуть иной класс приборов, активно используется для аналогичных целей, что и датчики температуры. Итак, принято различать:

Термометры расширения. Базируются на способности тел менять геометрические размеры:

1. Стеклянные жидкостные термометры — за окном. Уже считаются датчиками температуры. Чаще в качестве жидкости используется ртуть по ряду причин: сохраняет агрегатное состояние в широком диапазоне условий окружающей среды, не смачивает стекло, легко извлекается из природных компонентов. К недостаткам относятся токсичность, малый коэффициент температурного расширений и застывание уже при минус 35 градусах Цельсия. Это напоминает о пользе спиртовых термометров.
2. Манометрические термометры основаны на зависимости давления паров вещества в рабочей камере от температуры. Подобные системы охотно применяются в качестве термостатов стареньких холодильников, где нет электроники. Плюсы: система не нуждается в питании электрическим током, что сильно упрощает конструкцию прибора. Эти температурные датчики размещаются в районе испарителя, через трубку соединяются с регулятором (находится в холодильном отсеке), где стоит реле.

Термометрические датчики и термометры сопротивления включают в состав термопары и термисторы. Это избитая тема, коснёмся чуть ниже. В качестве материалов для указанных датчиков температуры применяются металлы, полупроводники, прочие классы таблицы Менделеева.

Термометр сопротивления

Принцип действия термометра сопротивления

Термометры сопротивления могут использоваться для измерения температуры электрическим путем, так как существует прямо пропорциональная зависимость между изменениями сопротивления и изменением температуры.

Другими словами, при повышении температуры величина сопротивления возрастает прямо пропорционально, а при понижении температуры сопротивление пропорционально уменьшается. Подобный принцип используется в термометрах сопротивления, так как сопротивление термометра уменьшается или увеличивается пропорционально температуре процесса, который он измеряет. Любое изменение сопротивления может быть зарегистрировано и преобразовано в температурные показания с помощью таблицы, или отображено на шкале, которая откалибрована в единицах измерения температуры.

Как и термопара или любой другой температурный датчик термометр сопротивления (RTD) функционален при измерении температуре только, если он подсоединен к электрической цепи. Обычно с термометрами сопротивления применяются мостовые схемы, так как такие схемы позволяют добиться высокой точности. Вместе с мостовой схемой используется батарея, которая служит в качестве источника питания. Цепи термометров сопротивления должны иметь внешний источник питания, так как они не способны генерировать напряжение сами.

Мостовая схема термометра сопротивления с батареей

Мостовая схема, изображенная на рисунке выше состоит из пяти резисторов: Р1, R2, R3, R4, R5; и точек соединения: А, В, С, D.

В данном случае давайте предположим, что каждый резистор в мостовой схеме обладает одинаковым сопротивлением. Так как ток протекает от минуса к плюсу в данном контуре, то протекание начинается с минусовой клеммы батареи и ток достигает точки А. В точке А ток расщепляется на равные части: одна половина протекает через сопротивление R1 в точку В, а другая половина протекает через R2 к точке С. Так как сопротивление всех резисторов одинаковое, то между точками В и С нет разницы в величине напряжения, поэтому ток через R5 не протекает.

Когда ток через средний резистор не протекает, то мост, как говорится «уравновешен». В данном примере ток протекает от точки В, через R3 в точку D. Ток также протекает от точки С через R4 в точку D. Ток от точки D возвращается на положительную клемму батареи, завершая цепь.

Протекание тока через уравновешенный мост

Мостовая схема, изображенная на рисунке выше похожа на предыдущую схему за исключением того, что резистор R3 заменен термометром сопротивления. В данной конфигурации ток по-прежнему протекает от минусовой клеммы батареи на точки В и С. Однако, если сопротивление термометра сопротивления (RTD) отличается по величине от сопротивления резистора R4, то между точками В и С появится напряжение. Это означает, что мост неуравновешен и ток будет протекать через резистор R5.

Мостовая схема с термометром сопротивления

Ток, протекающий через мост, может быть измерен, если мы заменим R5 измерительным прибором, который и будет определять температуру, измеряя ток. Так схема обеспечивает высокую точность, то она часто используется вместе с термометрами сопротивления для измерения температуры.

Мостовая схема с термометром сопротивления и измерительным прибором

Когда для измерения температуры используются термометры сопротивления, то они включаются в схему, подобно той, что показана на рисунке выше. Во многих случаях термометры сопротивления расположены на удалении от остальных элементов цепи, так как они подвержены воздействию температуры технологического процесса. По мере того, как температура вокруг термометра меняется, то пропорционально меняется величина сопротивления термометра. Когда сопротивление термометра меняется, то мост становится неуравновешенным и определенный ток протекает через измерительный прибор. Этот ток пропорционален изменениям температуры. Температура процесса затем может быть определена по показаниям шкалы прибора. В некоторых случаях шкалы откалиброваны на показания величины сопротивления, а не температуры. В таких случаях надо воспользоваться переводной таблицей для перевода ом в градусы.

Виды

1. Погружной

Подобные измерители используются в местах, где могут быть непосредственно погружены внутрь локальных хранилищ воды. Они подключены проводами к головному процессоры, в который передают считываемые данные. Процессор расшифровывает полученные данные и подает сигналы для соответствующего нагревания или охлаждения жидкости согласно заранее заданным параметрам работы.

Погружной датчик температуры TeS-W31

Для примера так работает отопительный прибор Zota Lux. Прибор может быть подключен не только к отопительным радиаторам и батареям, но и также может обогревать элементы «теплого пола». Датчик температуры воды zota 1 3 6 используется для измерения воды внутри себя, не позволяя зота люкс, кипятится больше заданного пользователем параметра. Помимо этого при отоплении больших помещений также могут использоваться наружные измерители тепла.

1. Накладной

Такие датчики крепятся снаружи непосредственно на трубу при помощи хомута. Они снимают измерения с воды внутри трубы. Такой датчик температуры воды может использоваться в большой котельной для сравнения показатель уходящей температуры воды и приходящей обратно.

Однако для котла принято использовать именно погружной.

Накладные часто используют в домашних условиях для измерения качества отопления в доме. А также в иных трубах раскинутых на большом расстоянии, для съемки качественных показаний с каждого из участков ее протяженности.

Датчики температуры

Принцип работы

Термометры сопротивления (терморезисторы, термосопротивления)

Термометр сопротивления (Resistance Thermometer) — датчик для измерения температуры, принцип действия которого основан на зависимости электрического сопротивления от температуры.

Термосопротивления могут быть металлические (платина, никель, медь) или полупроводниковые.

Для большинства металлов температурный коэффициент сопротивления положителен – их сопротивление растёт с ростом температуры. Для полупроводников без примесей он отрицателен – их сопротивление с ростом температуры падает.

Термисторы

Термисторы – это полупроводниковые термосопротивления с большим температурным коэффициентом.

• PTC-термисторы (Positive Temperature Coefficient), обладают свойством резко увеличивать свое сопротивление, когда достигнута заданная температура – широко используются для защиты двигателей
• NTC-термисторы (Negative Temperature Coefficient), обладают свойством резко уменьшать свое сопротивление при достижении заданной температуры

PT100, PT1000

Платиновые термометры сопротивления (Platinum Resistance Thermometers) обладают высокой стойкостью к окислению и большой точностью измерения.

Кремниевые терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления, отличаются высокой линейностью характеристики, высоким быстродействием, надёжной твёрдотельной конструкцией и небольшой стоимостью.

Схемы включения термосопротивления в измерительную цепь

• 2-х проводная схема используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление присоединительных проводов суммируется с измеренным сопротивлением, что приводит к появлению дополнительной погрешности
• 3-х проводная схема обеспечивает значительно более точные измерения, т.к. появляется возможность измерить сопротивление подводящих проводов и вычесть его из суммарного измеренного сопротивления
• 4-х проводная схема – наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов

Сравнение термометров сопротивления с термопарами

• выше точность и стабильность
• можно исключить влияние сопротивления присоединительных проводов на результат измерения при использовании 3-х или 4-х проводной схемы измерений
• практически линейная характеристика
• не требуется компенсация холодного спая

• малый диапазон измерений
• не могут измерять высокую температуру.

Термопара (Thermocouple) – это два проводника из разных металлов, спаянные в одной точке. Эта точка измерения температуры называется – рабочий спай. Свободные концы называются холодным спаем. Если рабочий спай нагреть относительно холодного спая, то между свободными концами возникает напряжение (термо-ЭДС), пропорциональное разности температур.

Так как с помощью термопары всегда измеряется разность температур, то, чтобы определить температуру точки измерения, свободные концы у холодного спая должны содержаться при известной неизменной температуре.

Подключение к ПЛК

Холодные концы подключаются (непосредственно или с помощью компенсационных проводов, которые должны быть выполнены из тех же металлов, что и термопара) к клеммам соответствующего аналогового входа (с соблюдением полярности!) промышленного контроллера, который программно выполняет компенсацию температуры холодного спая и рассчитывает температуру в точке измерения.

При внутренней компенсации контроллер использует температуру модуля, к которому подключена термопара. При более точной внешней компенсации эталонная температура холодного спая измеряется с помощью дополнительного термометра сопротивления, который подключается к специальному входу контроллера.

Типы термопар

• K: хромель-алюмель
• J: железо-константан
• S, R: платина-платина/родий и др.

Термопары отличаются диапазоном измеряемых температур и погрешностью измерений.

Преимущества термопар

• Большой температурный диапазон измерения
• Измерение высоких температур.

Недостатки

• Невысокая точность
• Необходимость вносить поправку на температуру холодного конца.

Термостаты

Термостат (Thermostat) – это регулятор, который поддерживает постоянную температуру воздуха или жидкости в системах отопления, кондиционирования и охлаждения.