Температурный преобразователь измеряет температуру и преобразует полученные данные в электрический сигнал, который обрабатывается различными структурами управления и мониторинга. Основу измерений составляет передача тепловой энергии от объекта к датчику. Таким образом пользователю в реальном времени поступают точные данные о температуре.
Основные принципы работы преобразователей
Для измерений преобразователи используют различные физические явления, такие как меняющееся сопротивление материала, термоэлектрический эффект, изменение частоты звука и оптические свойства. Физическое изменение, вызванное колебанием температуры, преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал затем усиливают, фильтруют и передают в систему обработки данных для отображения на дисплее.
Условно датчики подразделяются на два основных типа и два метода измерения. Типы преобразователей температуры:
- контактный и бесконтактный;
- равновесный и прогнозируемый.
Контактные осуществляют измерения при прямом контакте с предметами и средой, и применяются для измерения температуры твердых тел, жидкостей и газов. Бесконтактные используют инфракрасное излучение и работают без физического контакта. Это позволяет измерять температуру твердых тел и жидкостей на расстоянии, однако они менее точны для газов и зависят от большого количества внешних воздействий.
Равновесный метод осуществляется, когда между объектом и термодатчиком достигается тепловое равновесие.
Прогнозируемый метод использует скорость изменения температуры для определения финального значения без ожидания достижения равновесия.
Типы преобразователей температуры
Терморезистивные датчики (RTD датчики температуры)
Терморезистивные датчики, или RTD (Resistance Temperature Detectors), измеряют температуру, основываясь на изменении электрического сопротивления. Принцип работы температурного преобразователя заключается в пропуске электрического тока через металлический проводник, обернутый вокруг керамического или стеклянного сердечника. По мере изменения температуры изменяется и сопротивление проводника. Это позволяет осуществить быстрое и высокоточное измерение.
Датчик RTD обычно изготавливается из материалов со стабильными и известными характеристиками сопротивления. Платина, к примеру, используется в высокоточных RTD, так как она обеспечивает линейную зависимость сопротивления от температуры и может точно измерять в диапазоне от -200 до 600 °C. Кроме платины используют более дешевую медь и никель, подходящие для менее точных измерений.
Основные характеристики:
- RTD датчик температуры универсален. Имеет большой диапазон и обеспечивает высокую точность измерений. Работает долговременно и стабильно, что важно при длительном использовании в промышленности и долгосрочных научных исследованиях.
- У датчика высокое значение сопротивления, что повышает чувствительность измерений. У платиновых RTD значение сопротивления доходит до 1 МОм.
Недостатки:
- Для получения высокоточных результатов RTD нуждается в индивидуальной калибровке. Что особенно существенно при использовании медных и никелевых моделей. Эти металлы окисляются и теряют точность при высоких температурах, ограничивая диапазон измерений.
Термоэлектрические преобразователи (термопары)
Термоэлектрические преобразователи, или термопары, работают на основе термоэлектрического эффекта Зеебека. Принцип работы преобразователя основан на физическом свойстве, при котором нагрев или охлаждение контактов между проводниками, отличающимися свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоэдс). Термопара состоит из двух металлов, сваренных на одном конце. Эту часть и помещают в месте замера температуры. Два других конца подключаются к милливольтметру, который интерпретирует данные как температуру.
Основные характеристики
Термопары классифицируются по материалу электродов, из которых они изготовлены, к примеру:
- ТХА – Хромель – алюмель (К). Температуры (от -200 до 1250 °C).
- ТЖК – Железо – константан (J). Для средних температур (от -40 до 750 °C).
- НН – Нихросил – нисил (N). Для высоких температур (от -200 до 1300 °C).
- Медь – константан (T). Для низких температур (от -200 до 350 °C).
- ТХК – Хромель – константан (E). Для низких и средних температур (от -200 до 900 °C).
Термопары более экономичны по сравнению с RTD, благодаря дешевым материалам и простому изготовлению. Это делает их более предпочтительными для массового использования.
Недостатки:
- Меньшая точность. Это связано с высокой тепловой инерционностью и необходимостью введения поправок на температуру свободных концов.
- Для обработки сигнала, генерируемого термопарами, часто требуется усиление. Это связано с тем, что напряжение, создаваемое термо-ЭДС, довольно мало и требует усиления для дальнейшего использования в системах контроля и управления.
- Требования к использованию специальных проводов для соединения.
Оптические датчики температуры
Волоконно-оптические датчики при температурном воздействии измеряют благодаря изменению характеристик пропускания света. Когда температура воздействует на оптоволокно, происходит изменение его оптических свойств. Для измерений сравнивается спектр и интенсивность исходного светового излучения с излучением, проходящим по полотну и рассеянным в обратном направлении. Этот метод точно определяет температуру вдоль всей длины оптоволокна.
Основные характеристики
- Волоконно-оптические датчики высокоточны и имеют большой диапазон температур.
- Оптоволокно обладает высокой стойкостью к внешним воздействиям, таким как электромагнитные помехи, вибрации и коррозия. Это позволяет использовать их в агрессивных средах.
- Датчики широко используются в критически важных системах безопасности и мониторинга. В системах пожарного оповещения, особенно в сложных условиях, таких как туннели метро, они могут своевременно обнаружить перегрев и предотвратить возгорание. Также используются для мониторинга состояния силовых кабелей и воздушных линий электропередач, для предотвращения аварийных ситуаций.
Недостатки:
- Сложность установки и калибровки.
- Высокая стоимость оборудования и установки.
- Требуют специальных знаний для эксплуатации и обслуживания.
Инфракрасные датчики (пирометры)
Инфракрасные термодатчики работают на основе измерения инфракрасного излучения объекта. Чем выше исходная температура объекта, тем больше энергии он излучает в инфракрасном спектре. Инфракрасный свет попадает на детектор пирометра и преобразуется в электрический сигнал. Затем этот сигнал усиливается и обрабатывается, отображая температуру на панели.
Основные характеристики
- Оптические пирометры. Измеряют температуру объекта при сравнении его цвета с цветом эталонной нити, которая нагревается в лампе накаливания.
- Радиационные пирометры. Измеряют мощность теплового излучения объекта.
- Цветовые пирометры. Определяют температуру по тепловому излучению в различных участках спектра.
Пирометры измеряют температуру в диапазоне от -20 до 2500°C. Благодаря малому времени отклика позволяет быстро получать результаты измерений. При применении отсутствует необходимость физического контакта с объектом, это позволяет измерять температуру объектов в движении и в местах с затрудненным доступом. Надежны, просты в эксплуатации, популярны и компактны. Имеют легкую и простую конструкцию, что облегчает их использование и установку.
Недостатки:
- Точность напрямую зависит от способности объекта к излучению, расстояния, чистоты окружающей среды и присутствию дополнительных засветок.
- Некоторые типы устройств могут быть достаточно дорогими.
- Некоторые модели имеют большие габариты.
Акустические датчики температуры
Акустические датчики температуры измеряют температуру на основе скорости звука в среде. Датчик состоит из передатчика и приемника, разнесенных друг от друга. Скорость ультразвукового сигнала зависит от температуры среды, таким образом на основе времени прохождения звука вычисляется температура.
Основные характеристики
Преобразователь температуры предназначен для использования в средах, где невозможно использовать контактные датчики, например, в ядерных реакторах или криогенных камерах. Чувствительность датчиков составляет несколько кГц на градус. Температура напрямую преобразуется в частоту звуковой волны, что упрощает измерение и повышает точность. Идеально подходят для измерения как средних, так и высоких температур.
Недостатки:
- Сложны в установке. Требуют точного позиционирования передатчика и приемника.
- Точность измерений может зависеть от состояния среды, через которую проходит ультразвук.
- Требуют защиты от механических повреждений и потери герметичности.
Преобразователь температуры 4-20 мА и HART
Преобразователь температуры с выходным сигналом 4-20 мА предназначен для преобразования данных в стандартизированный аналоговый сигнал. Преобразователь берет входной сигнал от термодатчика, такого как термопара или термистор, и преобразует его в аналоговый токовый сигнал, который может быть легко передан на большие расстояния и использован для дальнейшей обработки.
Преобразователь температуры, поддерживающий протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), представляет собой усовершенствованное устройство, которое преобразует аналоговый выходной сигнал 4-20 мА и предоставляет возможность двусторонней цифровой связи, что упрощает настройку, калибровку и диагностику устройства. Протокол HART позволяет передавать дополнительные данные поверх стандартного аналогового сигнала, что значительно расширяет функциональные возможности преобразователя.
Преобразователь температуры RS на интерфейсе RS-485 так же как HART применяется для многоточечной связи, то есть связи, в которой к одному кабелю может быть подключено множество устройств.
Области применения температурных преобразователей
Примеры использования различных типов преобразователей:
Промышленность:
- Термопары. Повсеместно используются в металлургии и химической промышленности для измерения высоких температур в агрессивных средах.
- RTD (терморезисторы). Используются для точных измерений в пищевой промышленности, фармацевтике и производстве полупроводников.
Медицина:
- Термисторы. Применяются в медицинских термометрах и других устройствах для точного измерения температуры тела.
- ИК датчики (пирометры). Используются для бесконтактного измерения температуры кожи для быстрого скрининга.
Научные исследования:
- Термопары. Используются в лабораторных экспериментах, где требуется отслеживать широкий диапазон температур.
- Оптические датчики. Применяются в исследованиях, требующих высокоточной температурной чувствительности и возможности измерения в труднодоступных местах.
Энергетика:
- Акустические датчики. Мониторинг температуры в тепловых и атомных электростанциях.
Аэрокосмическая отрасль:
- Контроль температурных условий на борту космических аппаратов.
Точное измерение и преобразование температуры критически важно для:
- Безопасности. Неправильные температурные данные могут привести к авариям и повреждениям оборудования.
- Эффективности, оптимизации технологических процессов и экономии ресурсов.
- Качества продукции. Контроль температурных условий в различных отраслях влияет на качество конечного продукта.
Как выбрать преобразователь температуры
Выбор преобразователя температуры зависит от нескольких факторов, которые необходимо учитывать для обеспечения точности и надежности измерений в конкретных условиях эксплуатации.
Факторы, которые следует учитывать:
- Диапазон измеряемых температур. Преобразователь должен быть способен измерять температуры в требуемом диапазоне. Убедитесь, что датчик может работать при экстремальных температурах, если это необходимо.
- Допустимая погрешность. Определите необходимую точность для вашего предприятия. Выберите датчик с хорошей долгосрочной стабильностью в работе.
- Условия эксплуатации (влажность, пыль, вибрации). Убедитесь, что датчик имеет соответствующую защиту от влаги и пыли. Если датчик будет работать в условиях высокой вибрации, выберите устройство с соответствующими характеристиками.
- Аналоговые системы, такие как 4-20 мА или 0-10 В, предназначены для простых систем. Цифровые протоколы, такие как RS232, RS485, Modbus, HART, подходят для интеграции в современные цифровые системы управления и автоматизации.
- Убедитесь, что датчик совместим с вашими контроллерами и системами сбора данных.
При выборе преобразователя температуры важно учитывать множество факторов, таких как диапазон измеряемых температур, точность, условия эксплуатации, тип выходного сигнала и совместимость с другими системами. Знание конкретных требований вашего приложения поможет вам выбрать наиболее подходящий датчик, обеспечивающий надежные и точные измерения.