2. Датчики температуры

В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры. Так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.

Виды:

А. Биметаллические датчики температуры

Сделаны из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой.

Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения.

Формула применяется для расчета длины материала в зависимости от его температуры:

l = l₀(1 + α ΔT),

где l – длина материала после нагрева;

l₀ - первоначальная длина материала;

α - коэффициент линейного расширения;

ΔТ - изменение температуры

Значения коэффициента линейного расширения α для металлов:

• алюминий…25×10⁻⁶ на градус С

• медь……….16,6×10⁻⁶ на градус С

• железо…….12×10⁻⁶ на градус С

• олово………20×10⁻⁶ на градус С

• титан……….8.5×10⁻⁶ на градус С

Например, если одинаково нагреть медную и железную пластины, то медная пластина станет длиннее, чем железная:

Если соединенные в одну пластину (бипластина) металлы нагреть или охладить, то бипластина изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора.

Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 ⁰C.

Основное достоинство - простота конструкции, низкая стоимость.

Используются для измерения поверхности твердых тел, реже - температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

В. Термоиндикаторы.

Это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры.

Производятся они в виде пленки, часто с клейкой подложкой, и служат для оперативного визуального контроля температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым.

а) в диапазоне комнатных температур используются термоиндикаторы, которые плавно изменяют свой цвет при изменении температуры. Изменения эти, как правило, обратимые.

б) для низких и высоких температур производятся в основном необратимые термоиндикаторы.

Если температура хотя бы один раз превысила допустимую, то индикатор необратимо меняет свой цвет. Такие термоиндикаторы используют, например, для контроля за замороженными продуктами. Если в процессе хранения или транспортировки температура хоть раз была выше допустимой, то изменившаяся окраска термоиндикатора сообщит об этом.

Основное достоинство термоиндикаторов низкая стоимость. Их можно использовать как одноразовые датчики температуры.

ПРИМЕРЫ

1.Пластина-термоиндикатор меняет свой цвет именно в тех облостях, которые оказались нагретыми выше 27 градусов Цельсия, т.е. будет реагировать на нагрев, к примеру, от Вашей ладони. 

2. Батарейки с индикатором зарядки.

Всегда хочется знать сколько заряда остается в батарейках. Цифровой измеритель – оснащен OLED экраном и сам толщиной не более листа бумаги. Все что вам нужно, это согнуть его концы к батарейке и на экране появится уровень заряда.

3. Термоиндикаторы служат детям:: 1) для измерения температуры воды в бутылочке(к ней приклеивается индикатор, который показывает, достаточно ли тёплое питание для младенчика), 2) для измерения температуры воды в ванночке(когда температура воды идеальная, на термоиндикаторе проявляется зелёная полоска,когда горячая-загорается индикатор опасной зоны) 3) для мониторинга температуры ребёнка (на тельце прикладывается или прилепляется термоиндикатор, которые за считанные секунды показывает температуру тела малыша и её изменения)

D. Инфракрасные датчики температуры или пирометры.

- используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии.

Принцип из работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию.

Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур бесконтактными датчиками от -50 С до +4000 С. Причем в диапазоне высоких температур инфракрасным датчикам нет конкуренции.

Одной из характеристик пирометра является оптическое отношение.

Например, оптическое отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 метров размер площади, с которой ведется измерение температуры составляет 1 метр. Современные инфракрасные датчики температуры имеют оптическое отношение достигающие 300:1.

Достоинства инфракрасных датчиков температуры:

1) малое время отклика, это самые быстродействующие датчики температуры;

2) возможность измерения температуры движущихся объектов;

3) измерения температуры в труднодоступных и опасных местах;

4) измерение высоких температур, там, где другие датчики уже не работают;

5) отсутствует непосредственный контакт с объектом, а значит не происходит загрязнения измеряемого объекта. Это может быть важно в полупроводниковой промышленности или фармацевтике.

Тепловизор – разновидность пирометра.

Тепловизоры показывают изображения с помощью различных цветов для представления различных диапазонов температур.

Такие изображения позволяют быстро и легко измерить температуру поверхности и определить точки перегрева. Участки с высокой температурой или просто повышение температуры часто указывают на наличие проблем и будущих неисправностей в оборудовании.

Различные режимы представления данных на дисплее позволяют пользователю выбрать наиболее оптимальное отображение для решения конкретной задачи.

Полноэкранный режим изображения в видимом диапазоне	Полноэкранный ИК режим
Режим «картинка в картинке» - два окна показывают изображение в разных режимах съемки	ИК режим сигнализации – отображение только тех участков, температура которых выше, ниже или между установленными пользователем границами

Е. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

- принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соедине­ний (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термо­электродвижущей (сокращенно термо-ЭДС).

Рис. a - изображение термопары, состоящей из двух разнородных металлов А и B, соединенных друг с другом. Металлы имеют разные коэффициенты Зеебека, поэтому напряжение, возникающее между «холодными» концами термопары, прямо пропорционально разности температур T1–T2 между «горячим» и «холодным» концами. пропорционален разности температур на концах.

ПРИМЕР. Все хотя бы раз в жизни были в сауне, но мало кто знает, что температурный контроль в ней осуществляется так называемой термопарой. Такой термоэлектрический термометр состоит из двух кусочков разнородных металлов, соединенных сваркой (рис. а). Один конец термопары помещается в измеряемую среду (в нашем случае в сауну), а свободные концы выведены наружу и подключены к измерительному устройству. При включении печи на нагрев разные концы термопары будут находиться при разных температурах (возникает температурный градиент), что приведет к возникновению термотока или термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Виды подключения термопары к измерительным и преобразовательным приборам:

а) измерительный прибор (милливольтметр) подключается к свободным концам термоэлектродов 2 и 3 (рис. а);

б) измерительный прибор подключается в разрыв одной из дуг датчика (например 3, рис. б).

Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от

- 200 до + 2200 ⁰С.

  Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель и др.

 

Преимущества термопар:

- простота изготовления и надёжность в эксплуатации;

- низкая стоимость;

- отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур.

Одним из недостатков термопары является достаточно большая погрешность.