Какой датчик температуры лучше, критерии выбора датчика

Если вы впервые сталкиваетесь с вопросом выбора датчика для измерения температуры, то выбор недорогого и надежного датчика может стать для вас актуальной проблемой.

В первую очередь необходимо выяснить следующие детали: предполагаемый температурный диапазон измерений, требуемая точность, будет ли датчик расположен внутри среды (если нет — нужен будет радиационный термометр), условия предполагаются нормальные или агрессивные, важна ли возможность периодического демонтажа датчика, и наконец, нужна ли градуировка именно в градусах или допустимо получение сигнала, который затем будет преобразовываться в значение температуры.

Это все не праздные вопросы, ответив на которые, потребитель получает возможность выбрать для себя более подходящий датчик температуры, с которым его оборудование будет работать наилучшим образом. Разумеется, нельзя просто и однозначно дать ответ на вопрос, какой датчик температуры лучше, выбор предстоит сделать потребителю, предварительно ознакомившись с особенностями каждого типа датчиков.

Здесь мы сделаем краткий обзор трех основных типов термодатчиков (наиболее распространенных): термометр сопротивления, термистор или термопара. Между тем, потребителю важно сразу понимать, что точность получаемых данных о температуре зависит как от датчика, так и от преобразователя сигнала — вклад в неопределенность вносит как первичный датчик, так и преобразователь.

Порой при выборе приборов обращают внимание только на характеристики преобразователя, забывая о том, что разные датчики дадут разные дополнительные составляющие (в зависимости от выбранного типа датчика), которые необходимо будет учитывать при получении данных.

Термометры сопротивления — если нужна высокая точность

В данном случае чувствительным элементом выступает пленочный или проволочный резистор, с известной зависимостью сопротивления от температуры, помещенный в керамический или металлический корпус. Наиболее популярны платиновые (высокий температурный коэффициент), но также применяют никелевые и медные. Диапазоны и допуски, а также стандартные зависимости сопротивления от температуры для термометров сопротивления можно узнать, прочитав ГОСТ 6651-2009.

Преимущество термометров данного типа — широкий температурный диапазон, высокая стабильность, хорошая взаимозаменяемость. Особо устойчивы к вибрациям платиновые пленочные термометры сопротивления, однако рабочий диапазон у них уже.

Герметичные элементы ТС выпускаются как отдельные чувствительные элементы для миниатюрных датчиков, однако как для термометров сопротивления, так и для датчиков характерен один относительный минус — им требуется для работы трехпроводная или четрыехпроводная система, тогда измерения будут точными.

И еще, глазурь герметизирующая корпус должна подходить для выбранных условий, чтобы колебания температуры не привели бы к разрушению герметизирующего слоя датчика. Стандартный допуск платиновых термометров не более 0,1 °С, но возможна индивидуальная градуировка для достижения точности в 0,01 °С.

Более высокой точностью обладают эталонные платиновые термометры (ГОСТ Р 51233-98), их точность достигает 0,002 °С, но обращаться с ними нужно осторожно, ибо они не выносят тряски. К тому же стоимость их десятикратно выше стандартных платиновых термометров сопротивления.

Для измерений в условиях криогенных температур подойдет железно-родиевый термометр сопротивления. Аномальная температурная зависимость сплава и низкий ТКС позволяют такому термометру работать при температурах от 0,5 К до 500 К, причем стабильность при 20К достигает 0,15 мК/год.

Конструктивно чувствительный элемент термометра сопротивления — это четыре отрезка спирали, уложенные вокруг трубки из оксида алюминия, засыпанные чистым порошком оксида алюминия. Витки изолированы друг от друга, а сама спираль в принципе виброустойчива. Герметизация особо подобранной глазурью или цементом на основе того же оксида алюминия. Типичный диапазон для проволочных элементов — от -196 °С до +660 °С.

Второй вариант элемента (более дорогостоящий, применяется на объектах атомной промышленности) — полая конструкция, отличающаяся очень высокой стабильностью параметров. На металлический цилиндр наматывается элемент, причем поверхность цилиндра покрыта слоем оксида алюминия. Сам цилиндр изготовлен из особого металла сходного по коэффициенту теплового расширения с платиной. Стоимость термометров с полыми элементами очень высока.

Третий вариант — тонкопленочный элемент. На подложку из керамики наносится тончайший слой платины (порядка 0,01 микрона), который сверху покрывается стеклом или эпоксидной смолой.

Это самый дешевый тип элементов для термометров сопротивления. Малый размер и небольшой вес — главное достоинство тонкопленочного элемента. Такие датчики обладают высоким сопротивлением примерно в 1 кОм, что сводит на нет проблему двухпроводного присоединения. Однако стабильность тонких элементов уступает проволочным. Типичный диапазон для пленочных элементов — от -50 °С до +600 °С.

Спираль из платиновой проволоки, покрытая стеклом, — вариант весьма дорогого проволочного термометра сопротивления, который чрезвычайно хорошо герметизирован, устойчив к высокой влажности, однако диапазон рабочих температур относительно узок.

Термопары — для измерения высоких температур

Принцип действия термопары открыт в 1822 году Томасом Зеебеком, описать его можно так: в проводнике из гомогенного материала, обладающем свободными носителями заряда, при нагревании одного из измерительных контактов возникнет ЭДС. Или так: в замкнутой цепи из разнородных материалов, в условиях разности температур между спаями, возникает ток.

Вторая формулировка дает более точное понимание принципа работы термопары , в то время как первая отражает самую суть генерации термоэлектричества, и свидетельствует об ограничениях точности, связанных с термоэлектрической неоднородностью: для всей длины термоэлектрода решающий фактор — это наличие температурного градиента, поэтому погружение в среду при калибровке должно быть таким же, что и будущее рабочее положение датчика.

Термопары позволяют получить широчайший рабочий температурный диапазон и, что крайне важно, имеют самую высокую рабочую температуру из всех типов контактных термодатчиков. Спай может быть заземлен или приведен в плотный контакт с исследуемым объектом. Прост, надежен, прочен — это про датчик на базе термопары. Диапазоны и допуски, термоэлектрические параметры термопар можно узнать, прочитав ГОСТ Р 8.585-2001.

Есть у термопар и некоторые уникальные недостатки:

• термоэдс нелинейна, что создает сложности при разработке преобразователей для них;

• материал электродов нуждается в хорошей герметизации в силу химической неинертности оных, в силу их уязвимости к агрессивным средам;

• термоэлектрическая неоднородность в силу коррозии или иных химических процессов, из-за которых состав немного меняется, вынуждает изменять градуировку; большая длина проводников порождает эффект антенны и делает термопару уязвимой для ЭМ-полей;

• качество изоляции преобразователя становится очень важным аспектом если от термопары с заземленным спаем требуется малая инерция.

Термопары из благородных металлов (ПП-платинородий-платиновые, ПР-платинородий-платинородиевые) отличаются наивысшей точностью, наименьшей термоэлектрической неоднородностью нежели термопары из металлов неблагородных. Эти термопары стойки к окислению, потому имеют высокую стабильность.

При температурах до 50 °С они практически дают на выходе 0, поэтому нет надобности следить за температурой холодных спаев. Стоимость высокая, чувствительность малая — 10 мкВ/К при 1000 °С. Неоднородность при 1100 °С — в районе 0,25 °С. Загрязнение и окисление электродов создают нестабильность (родий окисляется при температурах от 500 до 900 °С), и электрическая неоднородность поэтому все же появляется. Пары из чистых металлов (платина-палладий, платина-золото) имеют лучшую стабильность.

Термопары которые широко используются в промышленности — часто из неблагородных металлов. Они недороги и вибростойки. Особенно удобны электроды, герметизированные кабелем с минеральной изоляцией — их можно установить в сложных местах. Термопары отличаются высокой чувствительностью, но термоэлектрическая неоднородность является недостатком дешевых моделей — ошибка может достигать 5 °С.

Периодическая калибровка оборудования в лаборатории бессмысленна, более полезно проверить термопару на месте рабочего монтажа. Самые термоэлектрически-неоднородные пары — нисил/нихросил. Главная составляющая неопределенности — учет температуры холодного спая.

Высокие температуры порядка 2500 °С измеряют вольфрам-рениевыми термопарами. Важно здесь устранить окислительные факторы, для чего прибегают к особым герметичным чехлам с инертным газом, а также к чехлам из молибдена и тантала с изоляцией оксидом магния и оксидом бериллия. И конечно, важнейшая область применения вольфрам-рения — термопары для ядерной энергетики в условиях нейтронных потоков.

Для термопар, конечно, не потребуются трехпроводная или четырехпроводная системы, но нужно будет использовать компенсационные и удлинительные провода, которые позволят передавать сигнал и за 100 метров к измерительному оборудованию с минимальными погрешностями.

Удлинительные провода — из того же металла, что и термопара, а компенсационные (медные) применяются для термопар из благородных металлов (для платины). Компенсационные провода станут источником неопределенности порядка 1-2 °С при большой разности температур, тем не менее для компенсационных проводов есть стандарт МЭК 60584-3.

Термисторы — для небольших диапазонов температур и специальных применений

Термисторы являются своеобразными термометрами сопротивления, только не проволочными, а спеченными в форме многофазных структур, в основе которых смешанные оксиды переходных металлов. Их главное преимущество — малые размеры, разнообразие всевозможных форм, малая инерция, низкая стоимость.

Термисторы бывают с отрицательным (NTC) или с положительным (PTC) температурным коэффициентом сопротивления. Наиболее распространены NTC, а РТС служат для очень узких температурных диапазонов (единицы градусов) в системах мониторинга и сигнализации. Наилучшая стабильность термисторов находится в диапазоне от 0 до 100 °С.

Термисторы бывают по форме дисковыми (до 18 мм), бусинковыми (до 1 мм), пленочными (толщина до 0,01 мм), цилиндрическими (до 40 мм). Термисторные датчики маленького размера позволяют исследоветелям измерять температуру даже внутри клеток и кровеносных сосудов.

Главным образом термисторы пользуются спросом для измерений низких температур благодаря их относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов имеют рабочие температуры до минус 100 °С.

В основном термисторы представляют собой спеченные при температуре около 1200 °С на воздухе сложные многофазные структуры из гранулированных нитратов и оксидов металлов. Самые стабильные при температурах ниже 250 °С — NTC — термисторы из оксидов никеля и магния либо никеля, магния и кобальта.

Удельная проводимость термистора зависит от его химического состава, от степени окисления, от наличия добавок в виде металлов вроде натрия или лития.

Крохотные бусинковые термисторы наносят на два платиновых вывода, затем покрывают стеклом. У дисковых термисторов выводы припаиваются к платиновому покрытию диска.

Сопротивления термисторов выше чем у термометров сопротивления, обычно оно лежит в диапазоне от 1 до 30 кОм, поэтому здесь подходит двухпроводная система. Зависимость сопротивления от температуры близка к экспоненциальной.

Дисковые термисторы лучше всего взаимозаменяемы для диапазона от 0 до 70 °С в пределах погрешности 0,05 °С. Бусинковые — потребуют индивидуальной калибровки преобразователя для каждого экземпляра. Градуируют термисторы в жидкостных термостатах, сравнивая их параметры с идеальным платиновым термометром сопротивления шагами по 20 °С в диапазоне от 0 до 100 °С. Так достигается погрешность не более 5 мК.