Способы подключения датчиков температуры

Особенности подключения датчиков

Термопара (термоэлектрический преобразователь) типа ТХА, ТХК, ТПП и пр. состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») термопары подключаются ко входу измерителей.регуляторов. Если температуры «рабочего» и «холодного спаев» различны, то термопара вырабатывает термоЭДС, которая и подается на прибор. Поскольку термоЭДС зависит от разности температуры двух спаев термопары, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру «холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях.

В модификациях входов, предназначенных для работы с термопарами предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. Датчиком температуры «холодного спая» служит полупроводниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником.

Подключение термопар к прибору должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопара. Допускается использовать провода из металлов с термоэлектрическими характеристиками, аналогичными характеристикам материалов электродов термопары в диапазоне температур 0..100 °С. При соединении компенсационных проводов с термопарой и прибором необходимо соблюдать полярность.

Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора рекомендуется экранировать линию связи прибора с датчиком. При нарушении указанных условий могут иметь место значительные погрешности при измерении.

Подключение термопреобразователей сопротивления

Принцип работы термопреобразователей сопротивления ТСМ, ТСП, Pt100, основан на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. Термопреобразователи выполняют в виде катушки из тонкой медной или платиновой проволоки на каркасе из изоляционного материала, заключенной в защитную гильзу.

Термопреобразователи сопротивления характеризуются параметром

где R 100 — сопротивление при 100 °С, R 0 — сопротивление при 0 °С

Для подключения термопреобразователей сопротивления к приборам ОВЕН и Fotek используется трехпроводная схема, которая позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую при изменении сопротивления проводов (например, при изменении их температуры). К одному из выводов терморезистора Rt подсоединяются два провода, а третий подключается к другому выводу Rt. При этом необходимо соблюдать условие равенства сопротивлений всех трех проводов.

Термопреобразователи сопротивления могут подключаться к прибору с использованием двухпроводной линии, но при этом отсутствует компенсация сопротивления соединительных проводов и поэтому будет наблюдаться зависимость показаний прибора от колебаний температуры проводов.

Параметры линий для соединения прибора с датчиком

Источник

Подключение датчиков температуры

Датчики температуры являются важными элементами многих измерительных устройств. С помощью них измеряют температуру окружающей среды и различных тел. Данные приборы широко применяются в качестве измерителей температуры не только на производствах и в промышленности, но и в быту, и в сельском хозяйстве, то есть там, где людям в силу рода деятельности необходимо измерять температуру. И всегда имеет место вопрос, а как правильно осуществить подключение такого датчика, чтобы его функционирование было точным и не было бы сбоев?

Для подключения датчика температуры не требуется сложных работ, главное здесь — следовать точно инструкции, тогда и результат будет успешным, а самое сложное, что потребуется для монтажа — это обычный паяльник.

Типичный датчик представляет собой, как готовое устройство, шнур длиной более 2 метров, на конце которого закреплен непосредственно измерительный прибор, он отличается от шнура цветом, обычно — черный. Подключают устройство к аналого-цифровому преобразователю, который переводит аналоговый сигнал (ток или напряжение) от датчика в цифровой.

Один из выводов датчика заземляется, а второй подключается непосредственно к регистру АЦП сопротивлением 3-4 Ом. АЦП затем может быть подключен к модулю сбора информации, который посредством USB-интерфейса может быть подключен к компьютеру, где с помощью специальной программы можно производить те или иные действия, опираясь на полученные данные.

Программы позволяют оперировать с полученной информацией и выполнять множество связанных с измерением температуры задач. Многие современные системы сбора информации оснащены специально дисплеями для возможности мониторинга осуществленных измерений.

Несмотря на кажущуюся простоту, датчики температуры имеют разные схемы подключения, поскольку часто необходимо учитывать погрешности, связанные с сопротивлением проводов.

Рассмотрим конкретный пример. Прибор PT100 имеет сопротивление 100 Ом при температуре на датчике 0 градусов Цельсия. Если его подключить по классической двухпроводной схеме, используя медный провод сечением 0,12 кв.мм, причем соединительный кабель будет иметь длину 3 метра, то два повода сами будут иметь сопротивление приблизительно 0,5 Ом, а это даст погрешность, ибо суммарное сопротивление при 0 градусов будет уже 100,5 Ом, а такое сопротивление должно быть у датчика при температуре 101,2 градуса.

Мы видим, что при подключении по двухпроводной схеме могут возникнуть проблемы, связанные с погрешностью из-за сопротивления соединительных проводов, однако этих проблем можно избежать. Для этого в некоторых приборах возможна корректировка, например на 1,2 градуса. Но такая корректировка не скомпенсирует полностью сопротивление проводов, ибо провода сами под действием температуры изменяют свое сопротивление.

Допустим, часть проводов расположена совсем неподалеку от нагреваемой камеры, вместе с датчиком, а другая часть — далеко от нее, и меняет свою температуру и сопротивление под действием окружающих факторов в помещении. В таком случае сопротивление проводников 0,5 Ом в процессе нагрева до каждых 250 градусов будет становиться в 2 раза больше, и это необходимо учесть.

Чтобы избежать погрешности, используют подключение по трехпроводной схеме, чтобы прибор измерил общий показатель сопротивления вместе с сопротивлением обоих проводов, хотя можно учесть сопротивление одного провода, просто умножив его потом на 2. После этого из суммы вычитается сопротивление проводов, и остается показание самого датчика. При таком решении получается довольно высокая точность даже если сопротивление проводов могла бы повлиять значительно.

Однако даже трехпроводная схема не может скорректировать погрешность связанную с разной степенью сопротивления проводников в силу неоднородности материала, разного сечения по длине и т. д. Конечно, если длина проводника мала, то и погрешность будет мизерной, и даже при двухпроводной схеме отклонения в показаниях температуры будут не значительными. Но если проводники достаточно длинные, то влияние их очень существенно. Тогда нужно применять уже четырехпроводное подключение, когда прибор измеряет сопротивление исключительно датчика без учета сопротивления проводов.

Так, двухпроводная схема применима в случаях когда:

Диапазон измерения не выше 40 градусов, и высокая точность не нужна, допустима погрешность в 1 градус;

Соединительные провода достаточно большого сечения и короткие, тогда их сопротивление сравнительно не велико, и погрешность самого прибора примерно соизмерима с ними: пусть, сопротивление проводов 0,1 Ом на градус, а точность нужна 0,5 градуса, то есть получаемая погрешность меньше допустимой. Трехпроводная схема применима в случаях, когда измерения проводятся на расстояниях от 3 до 100 метров от датчика, а диапазон — до 300 градусов, при допустимой погрешности 0,5%.

Для более точных, прецизионных измерений, где погрешность не должна превышать 0,1 градус, применяют четырехпроводную схему.

Для проверки прибора можно использовать обычный тестер. Диапазоном для датчиков, которые обладают сопротивлением 100 Ом при 0 градусов, как раз подойдет от 0 до 200 Ом, этот диапазон есть на любом мультиметре.

Проверку породят при комнатной температуре, при этом определяют, какие из проводов прибора соединены накоротко, а какие соединены непосредственно с датчиком, затем измеряют, показывает ли прибор сопротивление, которое должно быть по паспорту при определенной температуре. В завершении нужно убедиться, что нет замыкания на корпус термопреобразователя, это измерение делается в мегаомном диапазоне. Для полного соблюдения техники безопасности не касайтесь руками проводов и корпуса.

Если в процессе проверки тестер покажет бесконечно большое сопротивление, это знак того, что в корпусе датчика случайно оказались жир или вода. Такое устройство некоторое время поработает, но показания его будут плавающими.

Важно помнить, что все работы по подключению и проверке датчика должны выполняться в резиновых перчатках. Нельзя разбирать устройство, а если что-то повреждено, например на кабелях питания отсутствует в каких-то местах изоляция, то такое оборудование устанавливать нельзя. Датчик при монтаже может вызывать помехи для других устройств, работающих поблизости, поэтому их следует предварительно отключить.

Если у вас возникают сложности, то доверьте работы профессионалам. Вообще, по инструкции все можно осуществить самостоятельно, но в некоторых случаях лучше не рисковать. По окончании монтажа убедитесь, что устройство прочно закреплено в нужном месте, это очень важно. Помните о том, что датчик крайне чувствителен к влажности. Не проводите монтажные работы во время грозы.

Проводите профилактические проверки время от времени, чтобы убедиться в том, насколько качественно работает датчик. Его качество в принципе должно быть высоким, не экономьте при покупке датчика, качественный прибор не может стоить очень дешево, это не тот случай, когда следует пытаться экономить.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Датчики температуры. Типы, устройство, принцип работы. Схемы подключения

Контроль температуры повсеместно задействуется в технологических процессах, позволяя выбирать подходящий режим работы или отслеживать изменения состояния материала. Температурный режим одинаково важен как при включении духовки на кухне, так и в доменных печах при плавлении стали, а отклонение от нормальной работы может привести к аварии и травмированию людей. Чтобы избежать неприятных последствий и обеспечить возможность регулирования степени нагрева используется датчик температуры.

Разновидности, устройство и принцип работы

В ходе развития и совершенствования технологий датчик температуры, как измерительное приспособление, претерпел множественные изменения и модернизации. Благодаря чему сегодня они представлены в большом разнообразии, которые можно разделить по нескольким критериям. Так, в зависимости от способа передачи и отображения данных об измерениях температуры они подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровые устройства являются более современным решением, так как информация в них отображается на дисплее и передается по электронным каналам коммуникации, аналоговые имеют циферблатное отображение данных, электрический или механический способ передачи измерений.

В зависимости от принципа действия все датчики можно подразделить на:

• термоэлектрические;
• полупроводниковые;
• пирометрические;
• терморезистивные;
• акустические;
• пьезоэлектрические.

Термоэлектрические

В основе работы термоэлектрического датчика лежит принцип термопары (см. рисунок 1) – у всех металлов существует определенная валентность (количество свободных электронов на внешних атомарных орбитах, не задействованных в жестких связях). При воздействии внешних факторов, сообщающих свободным электронам дополнительную энергию, они могут покинуть атом, создавая движение заряженных частиц. В случае совмещения двух металлов с различным потенциалом выхода электронов и последующим нагреванием места соединения возникнет разность потенциалов, получившая название эффекта Зеебека.

Рис. 1. Устройство термопары

На практике применяется несколько разновидностей термоэлектрических датчиков температуры, так, согласно п.1.1 ГОСТ Р 50342-92 они подразделяются на:

• вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР) – применяется в средах с большой рабочей температурой порядка 2000°С;
• платинородий-платинородиевые (ТПР) – отличаются высокой себестоимостью и высокой точностью измерений, применяются я в лабораторных измерениях;
• платинородий-платиновые (ТПП) – оснащаются защитной трубкой из металла и керамической изоляцией, обладают высоким температурным пределом;
• хромель-алюмелевые (ТХА) — широко применяются в промышленности, способны охватывать диапазон температуры до 1200°С, используются в кислых средах;
• хромель-копелевые (ТХК) – характеризуются средним температурным показателем, монтируются только в неагрессивных средах;
• хромель-константановые (ТХК) — актуальны для газовых смесей и разжиженных аэрозолей нейтрального или слабокислого состава;
• никросил-нисиловые (ТНН) – применяются для устройств среднего температурного диапазона, но обладают длительным сроком эксплуатации;
• медь-константановые (ТМК) – характеризуется наименьшим пределом измерений до 400°С, но отличается устойчивостью к влаге и некоторым категориям агрессивных сред;
• железо-константановые (ТЖК) – применяются в среде с разжиженной атмосферой или вакуумного пространства.

Такое разнообразие температурных датчиков на основе термопары позволяет охватывать любые сферы человеческой деятельности.

Полупроводниковые

Изготавливаются на основе кристаллов с заданной вольтамперной характеристикой. Такие датчики температуры работают в режиме полупроводникового ключа, аналогично классическому биполярному транзистору, где степень нагревания сравнима с подачей потенциала на базу. При повышении температуры полупроводниковый датчик начнет выдавать большее значение тока. Как правило, самостоятельно полупроводник не используется для измерения нагрева, а подключается через цепь усилителя (см. рисунок 2).

Рис. 2. Подключение полупроводникового датчика через усилитель

Отличаются широким диапазоном производимых измерений и возможностью подстройки датчика в соответствии с рабочими параметрами оборудования. Являются высокоточным типом, мало зависящим от продолжительности эксплуатации. Обладают небольшими габаритами, за счет чего легко устанавливаются в схемах, радиоэлементах и т.д.

Пирометрические

Работают за счет специальных датчиков – пирометров, которые позволяют улавливать малейшие температурные колебания рабочей поверхности любого предмета. Непосредственно сам чувствительный элемент представляет собой матрицу, реагирующую на определенную частоту температурного диапазона. Этот принцип положен в основу измерений бесконтактным термометром, который получил широкое распространение в период борьбы с коронавирусом. Помимо этого их применение активно используется для тепловизионного контроля конструктивных элементов, оборудования, зданий и сооружений.

Рис. 3. Принцип действия пирометрического датчика

Терморезистивные

Такие датчики температуры выполняются на основе терморезисторов – устройств с определенной зависимостью сопротивления от степени нагрева основного материала. С повышением температуры, изменяется и проводимость резистора, благодаря чему вы можете следить за состоянием нужного объекта.

Основным недостатком терморезистивного датчика является малый диапазон измеряемой температуры, но он способен обеспечивать хороший шаг измерений и высокую точность в десятых и сотых долях градусов Цельсия. Из-за чего их нередко включают в цепь с применением усилителя, расширяющего рабочие пределы.

Акустические

Акустические датчики температуры функционируют по принципу определения скорости прохождения звуковых колебаний в зависимости от температуры материала или поверхности . Непосредственно сам сенсор производит сравнение скорости звука, генерируемого источником, которая будет отличаться, в зависимости от степени нагрева (см. рисунок 4). Такой тип является бесконтактным и позволяет производить замеры в труднодоступных местах или на объектах повышенной опасности.

Рис. 4. Звуковой датчик температуры

Пьезоэлектрические

Работа датчика основана на эффекте распространения колебаний кварцевого кристалла при прохождении электрического тока. Но, в зависимости от температуры окружающей среды, будет меняться и частота колебаний кристалла. Принцип фиксации температурных изменений заключается в измерении частоты колебаний и последующем сравнении с установленной градуировкой номиналов для разных температур.

Схемы подключения

Основные отличия в подключении датчика температур обуславливаются сферой его применения и конструктивными особенностями. Так, в рамках статьи, мы рассмотрим несколько наиболее распространенных и интересных вариантов. Таковыми является подключение с помощью двухпроводной и трехпроводной схемы.

Рис. 5. Двухпроводная схема подключения

На рисунке 5 приведен вариант двухпроводного присоединения измерительного устройства. Этот принцип рекомендуется для всех датчиков температуры с небольшим расстоянием до контролируемого объекта. Так как сопротивление самого чувствительного элемента R_t мало измениться от сопротивления соединительных проводников R₁ и R₂, соответственно, поправка на измерения будет минимальной.

Рис. 6. Трехпроводная схема подключения

При больших расстояниях, от 150 м и более, подключение датчика следует выполнять по трехпроводной схеме, в которой существенно снижается погрешность на сопротивление в проводах R₁, R₂, R₃.

Рис. 7. Схема подключения датчика температуры двигателя

Практически в каждом современном авто осуществляется постоянный контроль температурных параметров мотора. Поэтому использование датчика является обязательным требованием безопасности. Согласно двухпроводной схемы (рисунок 7) датчик подключается одним выводом на отдельно стоящий концевик капота, который не имеет каких-либо подключений к цепи. А второй вывод, подсоединяется к блоку сигнализации установленным порядком, в соответствии с моделью.

Рис. 8. Схема подключения цифрового датчика температуры

На рисунке 8 приведен пример включения цифрового датчика Dallas. Это модель с тремя выводами, первый из которых, согласно распиновки GND подключается к заземляющему выводу микроконтроллера, второй DATA к выводу PIN 2, а третий к клемме питания +5 В. Между третей и второй ножкой включается резистор на 4,7кОм.

Примение

Сфера применения датчиков температуры охватывает как бытовые приборы, так и оборудование общепромышленного назначения, сельскохозяйственную отрасль, военную промышленность, аэрокосмический сектор. Каждый из вас может встретить их у себя дома в нагревательных приборах – бойлерах, духовках, мультиварках или хлебопечках.

В тяжелой промышленности тепловые сенсоры позволяют контролировать степень нагрева печей, воздуха в рабочей области, состояние трущихся поверхностей. В медицине их используют для контроля температуры в труднодоступных местах или для упрощения различных процедур.

Многие автолюбители часто сталкиваются с анализаторами температуры, контролирующими состояние масла или другой охлаждающей жидкости. На сети железных дорог они позволяют отслеживать нагрев букс и колесных пар. В энергетике с их помощью обследуются контактные соединения и качество прилегания поверхностей.

Как подобрать?

При выборе датчика температуры необходимо руководствоваться такими критериями:

• если датчик будет соприкасаться или располагаться внутри измеряемой среды, то берется контактная модель, если находиться вне объекта, то бесконтактная;
• условия и состояние среды, в которой он будет функционировать (влажность, агрессивные вещества и т.д.) должны соответствовать возможностям датчика;
• шаг и градуировка измерений должны обеспечивать удобную эксплуатацию и датчика, и оборудования;
• если датчик подлежит замене в ходе эксплуатации, то устанавливаются сменные варианты;
• при выборе датчика температуры для замены неисправного, лучше воспользоваться его VIN кодом;
• предел рабочих температур должен охватывать все возможные значения нагрева, некоторые из них приведены в таблице ниже.

Таблица: температурные пределы датчиков термоэлектрического типа

Источник