Методи за измерване и температурни датчици

Измерването на температурата е едно от най-често извършваните измервания на физични величини. Огромното разнообразие от нужди и приложения, свързани с температурата, доведе до днешната ситуация, в която се предлагат много голям брой датчици, преобразуватели и измервателни устройства. Все по-трудно е не самото измерване, а правилният избор на датчика (преобразувателя) и измервателното устройство.

Критерият за избор на датчик може да се определи според следните параметри:

• номинален обхват на работната температура,
• чувствителност и линейност на характеристиката на преобразуване,
• повтаряемост на параметрите на датчиците,
• точност на измерването,
• динамични характеристики (времеконстанта),
• тип на изхода (аналогов или цифров),
• системна сложност на преобразувателя и измервателната система.

Повечето от съвременните уреди за измерване на температурата могат да бъдат квалифицирани като: контактни термометри с разширяващ се елемент и електрически преобразуватели и безконтактни оптични преобразуватели. За измерването на температурата при контактните методи е необходим топлообмен между измервания обект и измервателната система, следователно за разлика от оптичните методи това са инвазивни методи.

Термометри с разширяващ се елемент

Термометрите с разширяваща се елемент представляват най-старата група устройства за измерване на температурата. В повечето конструкции е използвано явлението разширяване под въздействието на топлината:

• в капилярните термометри се използва течност (живак, алкохол);
• биметалните термометри използват композити на метали с крайно различни разширителни характеристики (желязо-никелови плочи, хром-никел/порцелан, инвар);
• манометричните термометри използват промяната на налягането на течността, газа/водната пара, причинено от разширяването под въздействието на топлината.

Обхватите на измерване на техническите и лабораторните термометри са достъпни от -50°C до +200°C, а резолюцията на измерването не е по-малка от 0,1°C. Специални конструкции позволяват измерване от -100°C до 400°C.

Термометрите от този тип се използват все по-рядко, но се характеризират с висока стабилност, не изискват електрическо захранване и са устойчиви на въздействие на факторите на околната среда. Освен това благодарение на многогодишния опит в изграждането и използването на тези термометри те все още се смятат за ценни еталонни, референтни и лабораторни термометри.

Електрически термометри

Най-разпространените методи за измерване на температурата са електрическите методи, използващи датчици за промяна на:

• съпротивление,
• мобилност на електрическите носители,
• концентрация на носителите, причинена от промяната на температурата.

Изброените температурни датчици се квалифицират като:

• термоелектрически наричани още термодвойки (те са генериращи датчици и не се нуждаят от захранване),
• резистивни и полупроводникови (пасивни и за измерване на температурата по електрически методи, необходимо е захранване).

Повечето от съвременните електрически термометри използват резистивни датчици (на англ. RTD) или термоелектрически датчици (на англ. TC). Двете групи датчици са обхванати от стандартизация в европейските стандарти.

Стандарт EN 60584 определя характеристиките и метрологичните параметри на термоелектрическите датчици, а стандарт EN 60751 определя физичните качества, метрологичните и параметричните константи на резистивните, платинени датчици.

Термисторните датчици не са определени нормативно, но представляват важна група поради ниската им цена и високата чувствителност в областта на комерсиалните температури.

• Резистивни датчици RTD

използват промяната на съпротивлението на материала, причинена от промените на температурата. Най-често използваният терморезистивен материал е платината (Pt), но има и терморезистори, изработени от никел (Ni) или мед (Cu). Стандартизираните датчици са достъпни като Pt100, Pt500 или Pt1000, което означава, че тяхното номинално съпротивление при температура 0ºC е съответно 100Ω, 500Ω или 1000Ω. Поради факта, че датчиците RTD са смятани за най-точните, тяхната точност при измерване е стандартизирана и определяна с класове A или B. На практика се срещат още допълнителни класове на точност: AA, C, ⅓B или 1/10B (Табл. 1).

Табл. 1. Класове на точност (толеранс на параметрите) на датчиците RTD.

Измерването на температурата с използване на датчици RTD се извършва в една от 4 измервателни схеми (Фиг. 1). За датчиците от клас A се препоръчва схемата с пълна или частична компенсация.

Фиг. 1. Схеми на свързване на датчици RTD

Препоръчителният ток при измерването, преминаващ през датчиците RTD не бива да надвишава 1mA поради самонагравянето на датчиците. На практика, стабилните, монолитни източници на ток със стойности 100 µA ÷ 400 µA при стандартизиран коефициент на чувствителност на платината αPt=0,00385 Ω/ºC осигуряват достатъчно намаляване на напрежението на Pt100, за да се използват в измервателната схема типични аналогово-цифрови преобразуватели с резолюция от 16 до 24 бита.

• Термисторни датчици

те са вид на терморезисторите, изработени от синтеровани материали с високи температурни коефициенти. Различават се датчици NTC с отрицателен температурен коефициент, при които нарастването на температурата води до намаляване на съпротивлението на датчика и термистори от тип PTC с положителен температурен коефициент. Термисторите се характеризират с висока чувствителност в обхвата 50°C ÷ 125°C. Въпреки това в по-разширен температурен обхват имат силно нелинейни температурни характеристики, което затруднява преизчисляването на промяната на съпротивлението в температура и намалява точността на измерването. Захранващите и измервателни системи са същите, като при платинените датчици RTD.

• Термоелектрически датчици

използват ефекта на Зеебек, който се изразява в това, че в електрическа верига, в която се намират съединения от два метала или две техни сплави, се появява термоелектрическо напрежение. Стойността на напрежението зависи от разликата на температурата в съединението на металите и техния тип. Топлото съединение е измервателно съединение, а свободните краища на проводниците създават относителен потенциал (Фиг. 2).

Фиг. 2. Идея на термоелектрическия датчик

Стойността на термоелектрическата сила зависи от разликата на температурите и стойността на коефициентите на Зеебек на металите, образуващи измервателното съединение на термоелемента. За да се постигне точно измерване, на практика се извършва компенсиране (на англ. CJC) на промените на температурата на свободните краища на термоелемента чрез допълнително измерване на температурата T2. Измерването се извършва на мястото на референтното съединение и за тази цел се използва терморезистор, термистор или друга термодвойка.

Избирайки подходящи материалите на съединението може да се постигне съответна чувствителност, изразена в mV/°C. В таблица 2 се съпоставени най-често използваните конфигурации на метали, образуващи измерващата термодвойка и електрическите параметри на съединенията, унифицирани в актуалния стандарт EN 60584.

Табл.2. Нормативни типове термоелементи, измервателти обхвати, означения

Точността на измерването на термодвойките се определя в зависимост от 1 или 2 клас и от измервателния обхват. В основния обхват точността на датчиците, изработени в 1 клас е ±1.5°C. В температурния обхват от - 40°C до +125°C термодвойката от тип T (Cu-CuNi) е с най-висока точност, възлизаща на ±0.5°C.

Оптични термометри

Между датчиците за температура се намират също такива, които използват оптичните явления. Най-разпространени са конструкциите на термометри, които използват оптични влакна и пирометрични датчици.

• Термометри с оптични влакна

с посредно действие, използват инсталираните на края на оптичното влакно полупроводникови датчици GaAs, термохромни, фотолуминисцентни и други за самото измерване и след това чрез оптичното влакно предават сигнала от датчика за температура към оптоелектронния преобразувател. При датчиците с оптични влакна с директно действие самото оптично влакно е сензорен елемент. Използвайки явлението разсейване на светлината, смяна на коефициента на пречупване или промяната на коефициента на свързване на две оптични влакна може да се определи средната температура на оптичното влакно или дори разпределението на температурата върху определена дължина на оптичното влакно.

С оглед на специфичните си свойства датчиците с оптични влакна намират приложение главно като високоспециализирани термометри.

Характеризират се с химична и механична устойчивост, не се влияят от електрическо и магнитно поле, както и от електромагнитни смущения. Имат потенциален измервателен обхват от -200°C дори до 2000°C, добри динамични свойства и възможност за трансмисия на сигнала на големи разстояния.

• Пирометрични датчици (пирометри)

принадлежат към групата на безконтактните температурни датчици. Това е тяхна характерна черта, поради което измерването с тях е неинвазивно, а пиометричният датчик не трябва да обменя топлина с обекта на измерването, за да извърши измерване.

По този начин не смущава температурното поле по време на измерването и неговите динамични свойства са несравнимо по-добри. Пирометрите преобразуват топлинното излъчване, което излъчва всяко тяло. Интензивността на топлинното излъчване е в силна зависимост от температурата и основно се намира в обхвата на инфрачервените и видими лъчи.

Пирометрите използват оптични системи, изградени от лещи, оптични влакна и огледала, които подготвят оптичния сигнал, насочван към термодетектори или фотодетектори. Топлинното излъчване (инфрачервеното видимо лъчение) може да се измерва на определено разстояние от измервания обект, тъй като не е силно смущавано. Поради това пирометрите извършват дистанционно точково измерване на температурата. За съжаление интензивността на топлинното лъчение не зависи само и изключително от температурата. Видът на материала и физичните свойства на повърхността (гладкостта, грапавостта, покритието от оксиди, коефициентът на отразяване на светлината и др.) са от решаващо значение за емисията на топлинното лъчение. Способността за топлинно излъчване се определя чрез коефициента на излъчване. Този параметър е описан по-подробно в статията: Коефициент на излъчване – влияние върху точността на измерване на температурата.

Пирометричните термометри могат да извършват измерване в температурен обхват от 50°C дори до 3000°C. Най-високата точност от ниво 0,5% достигат фотоелектрическите и двулентови пирометри. Същевременно времето за измерване, определящо техните динамични свойства, не надвишава 1 секунда, а при фотоелектрическите пирометри: от 5 до 100 милисекунди.

Недостатъка на простите, ръчни пирометрични термометри е необходимостта от определяне на излъчващата способност по време на измерването и прецизното и перпендикулярно насочване пирометъра към измерваната повърхност.

Развитие на концепцията на безконтактни оптични датчици са термовизионните камери, чиито принцип на действие е същият, като този на точковите датчици пирометри с тази разлика, че извършват измерване на разпределението на температурата върху повърхността със съответната резолюция.

Сравнение на характеристиките

Поради големия брой достъпни датчици и преобразуватели на температурата често основният проблем е изборът на подходящо решение. В таблицата по-долу са съпоставени основните и най-често използвани сензорни техники.

Табл. 3. Сравнение на основните свойства на датчиците и преобразувателите на температурата.

Означение за степента на важност на параметъра:

*** висока

** средна

* ниска

Резюме

Между температурните датчици в индустриален температурен обхват -25°C ÷ 125°C все по-изразително се отличава тенденция, която от ценова гледна точка изравнява самите датчици, измервателни преобразуватели и готови измервателни системи за измерване и регистриране на температурата. Електронни термометри и регистратори от среден клас, използващи термодвойки и терморезистори RTD, са сравними от гледна точка на цената. В същият ценови обхват се предлагат също пирометрични термометри и прости термовизионни камери. Всички изброени типове измервателни устройства са достъпни в офертата на AXIOMET.

В случай на значително повишаване на точността на измерването, динамиката, измервателния обхват или резолюция на измерването се наблюдава внезапно увеличаване на цените на термометрите. Представените основни познания и сравнения на измерването на температурата са много полезни за правилния избор на датчика.