Измерение температуры — общая информация

Как можно измерить температуру?

Температура может быть измерена с помощью большого количества типов датчиков. Все они реагируют на изменение температуры изменением некоторых своих физических параметров. Можно назвать шесть основных типов температурных сенсоров, с которыми инженер, вероятно, столкнется в процессе своей работы. Это следующие типы температурных сенсоров: термопары, сенсоры сопротивления (термометры сопротивления (RTD — Resistance Temperature Detector) и термисторы), инфракрасные датчики, биметаллические устройства, жидкостные термометры (использующие свойства жидкости расширяться при изменении температуры), и сенсоры, работа которых основана на эффекте изменения состояния вещества при воздействии температуры.

Что такое термопара?
Что такое термометр с сенсором сопротивления?
Что такое инфракрасный датчик?
Биметаллические устройства.
Жидкостные термометры.
Датчики температуры, использующие эффект изменения состояния вещества.
Рекомендации по выбору типа термодатчика.

Что такое термопара?

Термопары состоят по существу из двух полос или проводов, изготовленных из различных металлов и соединённых с одного конца. На свободных концах данного устройства можно обнаружить электродвижущую силу (ЭДС), вызванную контактной разностью потенциалов двух материалов. Изменение температуры в этом соединении вызывает изменение ЭДС. Данная ЭДС увеличивается, хотя и нелинейно, вслед за повышением температуры.

Что такое термометр с сенсором сопротивления?

Термометры с сенсорами сопротивления используют свойство зависимости электрического сопротивления материала сенсора от температуры. Есть два основных типа таких сенсоров: термометры сопротивления (RTD), работа которых основана на свойстве металла изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры, и термисторы, работа которых так же основана на свойстве полупроводника изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Термометры сопротивления имеют практически линейную зависимость сопротивления от температуры. У термисторов с повышением температуры сопротивление нелинейно падает.

Что такое инфракрасный датчик?

Инфракрасные датчики являются датчиками бесконтактного типа. Они определяют температуру путем измерения величины теплового излучения, испускаемого материалом.

Биметаллические устройства используют разницу в коэффициентах теплового расширения двух различных металлов. Полоски из двух разнородных металлов скрепляются вместе. При нагревании один из металлов устройства будет расширяться больше, чем другой, и полоска будет изгибаться в сторону материала с меньшим коэффициентом теплового расширения. Степень изгиба может быть преобразована в механическое перемещение указателя температуры или в замыкание или размыкание управляющих контактов. Эти устройства достаточно компактны и им не требуется блок питания для работы, но они обычно менее точные, чем термопары или термометры сопротивления (RTD) и с их помощью трудно производить регистрацию температуры.

Жидкостные термометры используют свойства жидкости расширяться при изменении температуры. Жидкостные термометры, характерный пример — бытовые термометры, обычно представлены двумя основными классами: ртутные термометры и термометры с использованием органической жидкости, например, спирта. Также есть варианты с использованием газа вместо жидкости. Ртуть является экологически опасной жидкостью, поэтому есть строгие правила, регулирующие использование устройств, которые её содержат. Жидкостные термометры не требует внешнего электропитания, не взрывоопасны и стабильны при многократных циклах измерений. С другой стороны, их показания практически невозможно автоматически записать или передать на расстояние, и трудно изготовить термометр с изменяемой точкой срабатывания контакта, хотя существуют ртутные термометры с такой функцией.

Датчики температуры, использующие эффект изменения состояния вещества при воздействии температуры изготавливаются в виде ярлычков, шариков, мелков, лаков или жидких кристаллов, состояние которых изменяется (обычно цвет), как только достигается определенная температура. Они используются, например, с конденсаторами пара. Когда температура конденсатора превышает определенную величину, белая точка на ярлычке, приклеенном к корпусу, станет черной. Время отклика обычно занимает минуты, поэтому такие датчики не реагируют на быстрое изменение температуры и точность их значительно ниже, чем у других типов датчиков. Кроме того, изменение состояния, как правило, необратимо, кроме случаев использования жидких кристаллов. Но даже в этом случае такие датчики могут быть удобными, если требуется быть уверенным, что температура части оборудования или материала не превысила определенный уровень, например, при транспортировке.

В промышленности, наиболее широко, используются следующие температурные сенсоры — термопары, сенсоры сопротивления (термометры сопротивления и термисторы) и инфракрасные устройства.

Рекомендации по выбору типа термодатчика.

Термометры сопротивления (RTD) более устойчивы, чем термопары. С другой стороны, диапазон температур данных сенсоров не столь широк: RTD работают от приблизительно -250 до 850°C, тогда как диапазон работы термопар располагается от приблизительно -270 до 2300°C. Термисторы имеют более ограниченный температурный диапазон и широко используются между -40 и 150°C, но имеют большую чувствительность и могут обеспечить более высокую точность измерения в вышеуказанном диапазоне.

Термисторы и термометры сопротивления (RTD) имеют одно очень важное ограничение. Поскольку это сенсоры сопротивления, то для измерения величины сопротивления необходимо через них пропускать ток. Даже при использовании тока очень незначительной величины сенсор дополнительно разогревается, что вносит погрешность в измерение температуры. Особенно это важно при измерении температуры среды с малой теплопроводностью, особенно при отсутствии её движения и перемешивания.

Эта проблема не возникает с термопарами, имеющими малое внутреннее сопротивление и генерирующими ЭДС. При использовании измерителей ЭДС с большим входным сопротивлением дополнительный разогрев термопары практически отсутствует.

Инфракрасные датчики, хотя и относительно дороги, являются почти незаменимыми при измерении чрезвычайно высоких температур. Они применяются при температуре до 3000°C, значительно превосходя диапазон термопар или других устройств, измеряющих температуру контактным способом. Инфракрасный способ также привлекателен, когда нежелательно вступать в контакт с поверхностью, температура которой должна быть измерена. Таким образом, хрупкие или влажные поверхности, типа окрашенных поверхностей, выходящих из сушильного шкафа, могут быть проконтролированы таким образом. Вещества, которые являются химически активными или находящиеся под напряжением (например, металл в индукционной печи) — идеальные кандидаты на способ инфракрасного измерения. Также, таким способом выгодно измерять температуры очень больших поверхностей, типа стен зданий, которые потребовали бы большого множества термопар или RTD для проведения измерений.