Датчики температуры и приборы на их основе

В программу «Датчики и измерительная техника в электроэнергетике» входит изучение датчиков и приборов для измерения температуры на их основе, называемых, как известно, термометрами (приборы с измерением высоких температур (от 600 °С и выше) принято называть пирометрами').

Частично выше уже рассматривались такие датчики. В частности, в теме 12 рассмотрены датчики с термопарой и термометры сопротивлений (термопреобразователи), а в теме 14 рассмотрены авиационные термометры.

Общий обзор основных датчиков температуры

В настоящее время существует огромное число типов датчиков и приборов для измерения и регистрации температуры. Однако все они могут быть объединены в рамках принятой в специальной литературе классификации, в основе которой лежит соответствующий метод измерения температуры. В соответствие с этим широко используются два метода: бесконтактный и контактный. В основе работы бесконтактных датчиков используется тепловое излучение всех тел и объектов; упомянутые выше пирометры, как правило, являются бесконтактными.

В практике используются яркостные инфракрасные (ИК) пирометры, излучающие на одной из частот ИК-диапазона (регистрирующие диапазон относительно высоких температур — от +100 до +6000 °С), и радиационные, функционирующие на основе теплового излучения (диапазон регистрации температуры — от -50 до +2000 °С). Данные приборы обычно используются в технологических процессах для определения температуры нагретого металла, а также в промышленности при наладке и испытаниях разрабатываемых тепловых котлов.

Однако наибольшее применение в практике находят контактные датчики, использующие непосредственное взаимодействие своего чувствительного элемента со средой, температуру которой нужно измерить¹. Эти датчики подразделяются на следующие виды:

• 1) биметаллические и дилатометрические, функционирующие на основе теплового расширения твердых тел;
• 2) манометрические — на основе зависимости между температурой и давлением газа, жидкости или пара в некотором замкнутом объеме (см. ниже «манометрические термометры»);
• 3) термометры сопротивления — на основе зависимости электрического сопротивления вещества от его температуры;
• 4) термоэлектрические — на основе измерения термоЭДС термопары из двух разнородных проводников (электронные термопары).

В некоторых источниках приводятся еще семь разновидностей датчиков, классифицируемых по виду и свойству используемых в них материалов^[1] :

• 1) жидкостные, корпус которого заполнен жидкостью, подверженной температурному расширению; колба с жидкостью прикладывается к шкале: при нагреве жидкость расширяется — столбик шкалы растет, при охлаждении — сжимается (столбик понижается). Погрешность измерений таких приборов — менее 0,1 °С, предел измерения — +600 °С;
• 2) газовые с принципом действия, аналогичном жидкостным, но заполнителем колбы является инертный газ, что существенно увеличивает диапазон измерения температуры (предел измерения—+1000 °С);
• 3) механические со стрелочным дисплеем, в основе действия которых лежит принцип деформации металлической спирали; часто применяются в автомобилях и на различных автоматизированных линиях, эти датчики практически нечувствительны к ударам;
• 4) электрические — на основе измерения сопротивления материала (металла или полупроводника) при разных температурных показателях; могут использоваться разные металлы (например, медь или платина) или р-п-переходы кремниевых или германиевых полупроводниковых приборов;
• 5) термоэлектрические — уже известные термопары на основе эффекта Зеебека, с малой погрешностью (до 0,01 °С) — для высокоточных измерений в производственных процессах с рабочими температурами более 1000 °С;
• 6) волоконно-оптические — на свойстве сжимания или растяжения оптоволокна при изменении температуры и фиксирования при этом степени преломления проходящего луча света, диапазон измерений — до +400 °С с погрешностью не более 0,1 °С;
• 7) инфракрасные бесконтактные, генерирующие ИК-луч, направляемый непосредственно на исследуемую поверхность; относительно точные датчики для высокотемпературных измерений, с помощью которых можно измерять даже температуру открытого пламени.

На основе изложенного обзора можно привести диапазон измерения для того или иного датчика, рекомендуемый для выбора в конкретных целях (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Диапазон измерения датчиков температуры¹

• [1] иИЬ: https://datchiki.com/catalog/datchiki-temperatury (дата обращения: 06.12.2021). 2 Приборы для измерения температуры — виды... [Электронный ресурс]. ПКЕ: https://uglekislygaz.ru/datchiki/pribory-dlya-izmereniya-temperatury-vidy-i-printsip-бе]5Муа (дата обращения: 06.12.2021).