Датчики температуры. часть вторая. терморезисторы

Описание

Принцип действия датчиков основан на преобразовании кодовых сигналов от цифровых интегральных термометров (ИТ) в сигналы интерфейса RS485.

Датчики состоят из чувствительных элементов (ЧЭ) и первичного преобразователя, соединенных линиями связи и питания с вторичным преобразователем – блоком сопряжения с датчиками (БСД). В качестве ЧЭ датчиков применяются ИТ, расположенные с заданным шагом по длине кабель-троса в оболочке из фторопласта с антистатическими свойствами. Каждый ИТ имеет свой уникальный адрес. Для обеспечения натяжения кабель-троса в его нижней части крепится груз. К верхней части кабель-троса подсоединен первичный преобразователь, имеющий литой корпус из алюминиевого сплава и размещающийся вне резервуара.

Первичный преобразователь представляет собой электронный узел, выполняющий следующие функции: прием информации о температуре с интегральных термометров и выдачу этой информации по командам БСД в линию связи. Кабельный сальниковый ввод, установленный на корпусе первичного преобразователя снабжен хомутом для закрепления гибкой защитной оболочки кабеля (например, металлорукова). Корпус первичного преобразователя имеет зажим и знак заземления. Внутри корпуса размещена электронная плата преобразователя. На плате имеется клеммный соединитель для подключения внешнего кабеля. Для установки на контролируемом резервуаре датчики имеют штуцер с резьбой под накидную гайку. Г ерметизация осуществляется установкой прокладки (из комплекта датчика), изготовленной из алюминия, между установочной втулкой и буртиком штуцера.

Датчики имеют два исполнения: ДТМ2-0 и ДТМ2-1, различающиеся по метрологическим характеристикам.

Фотографии общего вида датчиков температуры многоточечных ДТМ2 представлены на рисунках 1-2

Схема пломбировки датчиков температуры представлена на рисунке 3.

Место

ПЛОМ&фОВЫ!

Рис.3

Программное обеспечение

Метрологически значимым программным обеспечением (ПО) датчиков является только встроенное ПО. Данное ПО устанавливается в энергонезависимую память измерительных преобразователей датчиков на заводе-изготовителе во время производственного цикла. ПО недоступно пользователю и не подлежит изменению на протяжении всего времени функционирования изделия, что соответствует уровню защиты «А». Метрологические характеристики датчиков оценены с учетом влияния на них ПО. Встроенное коммуникационное программное обеспечение HART Rev.5.1 предназначено только для соединения с персональным компьютером.

Внешнее (автономное) программное обеспечение АРТ2000, предназначенное для конфигурирования и обслуживания датчиков температуры, устанавливается на персональный компьютер и не влияет на метрологические характеристики измерительных преобразователей. Данное ПО не имеет доступа к энергонезависимой памяти преобразователей и не позволяет заменять или корректировать встроенное ПО, и имеет уровень защиты, соответствующий уровню «С».

Идентификационные данные встроенного ПО приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Идентификационные данные программного обеспечения

Диапазон измеряемых температур, пределы допускаемой основной и дополнительной погрешности датчика температуры от изменения температуры окружающей среды от нормальной (от плюс 20 °С) в диапазоне температур от минус 50 до плюс 85 °С в зависимости от типа НСХ первичного преобразователя температуры приведены в таблице 2.

Таблица 2

Напряжение питания, В: ……………………………..от 12 до 55, от 13,5 до 28 (для Exi-версии)

Сопротивление нагрузки (для цифровой связи по протоколу HART), Ом:… .от 250 до 1100 Соотношение между напряжением источника питания

и сопротивлением внешней нагрузки: …………..R (Ом) = (U (В) – 12 (или 15) В)/0,023 А

Пределы допускаемой дополнительной погрешности от изменения номинального напряжения

питания: ………………………………………± 0,005 % (от интервала измерений) / 1В

Длина монтажной части, мм:………………………………………………………от 100 до 400

Диаметр монтажной части, мм:……………………………………………………………..9; 11

Масса, г:…………………………………………………………………………от 1200 до 3500

Электрическое сопротивление датчиков при температуре окружающей среды 20 ± 5 °С и напряжении постоянного тока 110 или 750 (для Exi-версии) В, МОм, не менее: ………..100

Рабочие условия эксплуатации датчиков:

–    температура окружающей среды, °С: ……………………….от минус 50 до плюс 85

……от минус 45 до плюс 80 (Ex-исполнение)

–    относительная влажность окружающего воздуха, %……………………………………..до 97

Средний срок службы, лет, не менее: …………………………………………………………10

По защищенности от воздействия окружающей среды датчики являются пыле-, водозащищенными, и соответствуют коду по ГОСТ 14254-96:…………………..IP66, IP67.

Информация по Госреестру

Выбор температурных датчиков

При выборе подобных приборов следует учитывать такие как факторы как:

• температурный диапазон, в котором проводятся измерения;
• необходимость и возможность погружения датчика в объект либо среду;
• условия проведения замера: для снятия показателей в агрессивной среде лучше предпочесть бесконтактный вариант или модель, помещенную в антикоррозийный корпус;
• срок эксплуатации прибора до калибровки или замены – некоторые типы приборов (например, термисторы) достаточно быстро выходят из строя;
• технические данные: разрешение, напряжение, скорость подачи сигнала, погрешность;
• величина сигнала выхода.

В некоторых случаях также важен материал корпуса прибора, а при использовании в помещениях – размеры и дизайн.

Термистор

Как следует из названия, термистор (т.е., терморезистор) представляет собой датчик температуры, сопротивление которого зависит от температуры.

Термисторы выпускаются двух типов: PTC (с положительным температурным коэффициентом) и NTC (с отрицательным температурным коэффициентом). Сопротивление PTC термистора с ростом температуры увеличивается. А сопротивление NTC термистора, наоборот, с увеличением температуры уменьшается, и этот тип, по-видимому, является наиболее часто используемым типом термисторов. Смотрите рисунок 1 ниже.

Рисунок 1 – Условные графические обозначения термисторов PTC и NTC

Важно понимать, что связь между сопротивлением термистора и его температурой очень нелинейна. Смотрите рисунок 2 ниже

Рисунок 2 – Зависимость сопротивления NTC термистора от температуры

Стандартная формула сопротивления NTC термистора в зависимости от температуры определяется следующим образом:

\[R_T=R_{25C}\cdot e^{\left\{\beta\left[\left(1/\left(T+273\right)\right)-\left(1/298\right)\right]\right\}}\]

где

• R_25C – номинальное сопротивление термистора при комнатной температуре (25°C). Данное значение, как правило, приводится в техническом описании;
• β (бета) – постоянная материала термистора в Кельвинах. Это значение обычно указывается в техническом описании;
• T – реальная температура термистора в Цельсиях.

Тем не менее, существует два простых метода, используемых для линеаризации поведения термистора, а именно режим сопротивления и режим напряжения.

Режим линеаризации сопротивления

В режиме линеаризации сопротивления параллельно термистору помещается обычный резистор. Если значение резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. Смотрите рисунок 3 ниже.

Рисунок 3 – Режим линеаризации сопротивления

Режим линеаризации напряжения

В режиме линеаризации напряжения термистор ставится последовательно с обычным резистором, образуя при этом делитель напряжения. Этот делитель напряжения должен быть подключен к известному, фиксированному, стабилизированному источнику опорного напряжения V_REF.

Эта конфигурация приводите к созданию выходного напряжения, которое относительно линейно зависит от температуры. И, как и в режиме линеаризации температуры, если сопротивление резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, то область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. Смотрите рисунок 4 ниже.

Рисунок 4 – Режим линеаризации напряжения

Резистивные датчики температуры (RTD)

Резистивные датчики температуры, также известные как резистивные термометры, являются, пожалуй, самыми простыми для понимания датчиками температуры. RTD похожи на термисторы, поскольку их сопротивление изменяется с изменением температуры. Однако вместо использования специального материала, чувствительного к изменениям температуры (как в термисторах), RTD используют катушку из проволоки, накрученную вокруг сердечника из керамики или стекла.

Провод в RTD выполнен из чистого материала, как правило, из платины, никеля или меди, и этот материал обладает точной зависимостью сопротивления от температуры, которая используется для определения измеряемой температуры.

Таблица 2.3 – Теплопроводы

Описание

Датчик температуры многозонный серии VITO состоит из измерительного преобразователя (ИП) модели 762 VITO и первичных преобразователей температуры (ППТ). ИП находится внутри алюминиевого корпуса и монтируется снаружи резервуара или емкости с измеряемым продуктом. ППТ представляет собой гибкий гофрированный шланг в нержавеющей или нейлоновой защитной оболочке с крепежными элементами, измерительной частью, содержащей равномерно распределенные по длине чувствительные элементы, и анкером на конце троса. ППТ монтируется на фланец при помощи защитной гильзы или непосредственно в резервуаре или емкости с измеряемым продуктом. Монтажная часть, представляющая собой штуцер с резьбой М20х1,5 и резьбой соединяется резьбой с ИП. В нижней части ППТ некоторых модификаций находится емкостной датчик уровня для измерения уровня границы раздела жидких сред.

Чувствительный элемент ППТ представляет собой термопару с номинальной статической характеристикой преобразования (НСХ) типа «Т» по ГОСТ Р 8.585-2001, принцип действия которой основан на термоэлектрическом эффекте, и/или термопреобразователь сопротивления (ТС) с НСХ типа «Pt100» по ГОСТ 6651-2009, принцип действия которого основан на явлении изменения электрического сопротивления материалов в зависимости от температуры. Принцип измерения уровня основан на изменении емкости конденсатора при изменении уровня подтоварной воды.

Информация об измеренной температуре и уровне подтоварной воды, формируемая чувствительными элементами в виде аналогового сигнала поступает в ИП, содержащий нормирующие и аналого-цифровые преобразователи. ИП формирует выходной цифровой код по протоколу HART, передающийся по контактному проводу (витая пара) для дальнейшей обработки на плату HCU уровнемера. Первичные преобразователи температуры изготавливаются следующих модификаций:

–    764С VITO MTT включает в себя 16 термопар и один опорный ТС. Самая низкорасположенная термопара находится на расстоянии 1000 мм от конца ППТ рядом с ТС. Остальные термопары равномерно расположены по всей измерительной длине ППТ;

–    764D VITO MTT включает в себя 16 термопар и один опорный ТС. Самая низкорасположенная термопара находится на конце ППТ, на расстоянии 65 мм от конца троса в области анкера. Остальные 15 термопар равномерно расположены по всей измерительной части ППТ, начиная от опорного ТС, расположенного на расстоянии 1000 мм от конца ППТ;

–    766C VITO MTT включает датчик подтоварной воды на конце троса и чувствительные элементы, расположенные аналогично 764С VITO MTT;

–    766D VITO MTT включает датчик подтоварной воды на конце троса и чувствительные элементы, расположенные аналогично 764D VITO MTT;

–    767C VITO LT включает 9 термопар и один опорный ТС. Самая низкорасположенная термопара находится на расстоянии 1000 мм от конца ППТ рядом с опорным ТС. Термопары равномерно расположены по всей измерительной части ППТ;

–    767D VITO LT включает 9 термопар и один опорный ТС. Самая низкорасположенная термопара находится на конце ППТ, на расстоянии 65 мм от конца троса в области анкера. Остальные 8 термопар равномерно расположены по всей измерительной части ППТ, начиная от опорного ТС, расположенного на расстоянии 1000 мм от конца ППТ;

–    768С VITO LT включает датчик подтоварной воды на конце троса и чувствительные элементы, расположенные аналогично 767C VITO LT;

–    768D VITO LT включает датчик подтоварной воды на конце троса и чувствительные элементы, расположенные аналогично 767D VITO LT;

–    361 VITO MPT включает от 4 до 14 ТС, равномерно расположенных по измерительной части ППТ. Самый низкорасположенный ТС находится на расстоянии 1000 мм от конца ППТ.

ИП модели 762 VITO имеет исполнения, соответствующие типу используемого ППТ:

–    762 VITO MTT – для подключения одного ППТ VITO MTT;

–    762 VITO LT – для подключения одного ППТ VITO LT;

–    762 VITO MRT – для подключения одного ППТ VITO MPT или 14 внешних ТС. Датчики имеют взрывозащищенное исполнение. Вид взрывозащиты «Искробезопасная

электрическая цепь» по ГОСТ Р МЭК 60079-11-2010. Маркировка взрывозащиты 0Ех ia IIB Т4 Ga Х.

Рекомендации по монтажу своими руками

Подобные приборы широко используются в разных целях: ими оснащаются радиаторы, котлы нагревания и другие бытовые приборы.

Перед началом монтажа следует внимательно прочитать инструкцию: в ней указываются не только особенности установки (например, размеры для подсоединения к патрубку), но и правила эксплуатации, а также границы температур, для которых годится измерительный прибор.

Необходимо также учесть размер гильзы, который может варьироваться в пределах 120-160 мм.

Рассмотрим два наиболее часто встречающихся случая монтажа термодатчика.

Подключение прибора на радиатор

Не стоит оснащать термостатом все отопительные приборы. Согласно регламенту, датчики устанавливаются на батарею, если ее суммарная мощность превышает 50% от выработки тепла аналогичными системами. Если в помещении имеется два нагревателя, то термостат устанавливается лишь на одном, имеющем больший показатель мощности.

Термодатчик является обязательной составной частью регуляторов температуры, позволяющих снижать или увеличивать нагрев радиаторов, теплого пола и других отопительных приборов

Клапан прибора устанавливается на подающий трубопровод в месте подключения радиатора к сети отопления. При невозможности его врезки в уже имеющуюся цепь следует демонтировать подводку подачи, что может вызвать некоторые сложности.

Для проведения этой манипуляции необходимо воспользоваться инструментом для резки труб, тогда как монтаж термоголовки легко производится без спецоборудования. Как только датчик будем смонтирован, достаточно совместить сделанные метки на корпусе и приборе, после чего головка фиксируется плавным нажатием руки.

Монтаж термодатчика воздуха

Подобный прибор устанавливается в наиболее холодном жилом помещении без сквозняков (в холле, кухне или котельной его монтаж нежелателен, так как может вызвать нарушения в работе системы).

При выборе места нужно следить, чтобы на устройство не падали солнечные лучи, рядом не должно быть отопительных приборов (обогревателей, радиаторов, труб).

Для обычной системы отопления достаточно одного термостата, тогда как при коллекторной схеме желательно применять несколько датчиков, число которых совпадает с количеством комнат. Это позволит индивидуально регулировать температуру в обособленных пространствах

Подключение прибора осуществляется согласно инструкциям, которые находятся в техническом паспорте, при этом используются клеммы или кабель, которые входят в комплект.

При необходимости отслеживания температуры термодатчик в “теплом полу” может располагаться в глубине бетонной стяжки. В этом случае для защиты можно применить гофрированную трубу, имеющую один закрытый торец и покатый изгиб

Последняя особенность позволяет при необходимости извлечь сломанный прибор и заменить его на новый.

Монтаж устройства осуществляется следующим образом:

1. В стене устраивается углубление для крепежа навесного прибора.
2. С термодатчика снимается передняя деталь, после чего приспособление устанавливается на подготовленном участке.
3. Далее к контактам подсоединяется греющий кабель, тогда как к датчикам – клеммы.

Заключительный этап – подсоединение питающего кабеля и установка передней панели на свое место.

Если устройство, для функциональности которого необходимо внутреннее подключение датчиков, имеет сложную конструкцию, лучше обратиться к специалистам.

Виды датчиков температуры.

На современном рынке несколько видов датчиков температуры, работа которых отличается по физическим принципам. Давайте кратко разберемся в том, какие они бывают.

Датчик на основе термосопротивления (терморезистора).

Основным элементом такого датчика является терморезистор, через который протекает ток. При изменении температуры среды сопротивление терморезистора меняется, соответственно изменяются ток и падение напряжения на нем. Измерительный прибор, к которому подключен такой датчик, на своем входе регистрирует изменения тока или напряжения и выдает результат в градусах Цельсия или Кельвинах.

Существуют 3 основных вида терморезисторов:

• Низкотемпературные — предназначены для работы при температурах до 170 Кельвинов (-103° С).
• Среднетемпературные — предназначены для работы в промежутке от 170 до 510 Кельвинов (от -103° С до 237° С).
• Высокотемпературные — работают на температурах выше 510 Кельвинов.

Датчик температуры на основе термопары.

Для начала дадим определение термопаре. Термопара — два соединенных между собой проводника из различных материалов, между которыми возникает термоэлектрический эффект. Суть этого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи из разнородных проводников возникает ЭДС, если разные части этой цепи имеют разную температуру. Величина ЭДС в первом приближении пропорциональна разности температур разных участков термопары.

Если говорить проще, то у термопары два конца: один конец размещен в среде, температуру которой мы измеряем, а другой конец подключен к измерительному прибору. При разности температур между двумя этими точками возникает ЭДС (электродвижущая сила), которая и регистрируется прибором. Далее прибор переводит значение ЭДС в температуру на индикаторе.

Датчики температуры на основе термопары называются термоэлектрическими преобразователями

Биметаллическая пластина.

Это, пожалуй, самый простой температурный датчик. Состоит он из двух металлических пластин, которые изготавливаются из разных металлов. Применяют их в термостатах на бытовых нагревательных приборах. Например:

• В утюгах.
• В электрических чайниках.

При достижении выставленной температуры контакт смыкается или размыкается. Таким образом реализуется защита от перегрева.

Капиллярный датчик температуры.

Такой тип датчиков часто применяют в термостатах для электрических котлов и водонагревателей. Принцип его работы состоит в следующем:

На одном конце капилляра расположен баллон заполненный жидкостью или газом, а на другом конце расположена мембрана, размыкающая контакты реле. При нагревании жидкость или газ внутри баллона начинают расширяться. Давление внутри повышается и мембрана начинает сильнее давить на контакт. В определенный момент контакт размыкается.

Очень дешевый и надежный способ регулировать температуру. Погрешность таких термостатов не превышает 4 градуса Цельсия.

Теперь переходим к рассмотрению приборов, к которым подключаются все эти датчики. Начнем с наиболее распространенного вида этих приборов — термостатов.

Термометры и пирометры.

Всем известно, что термометр предназначен для измерения температуры какой-либо среды. Этой средой может быть воздух в комнате, теплоноситель внутри котла или температура тела человека. Существуют специальные термометры для измерения температуры блюд в ресторанах. В общем, везде, где нужно знать температуру используются термометры. Они бывают следующих видов:

• Биметаллические термометры — часто используются в системах отопления. Не отличаются высокой точностью, зато недорого стоят и долго служат. Внутри них расположена биметаллическая спираль, которая отклоняет стрелку.
• Жидкостные термометры — знакомы всем с детства. Внутри них располагается узкая трубка и баллон со спиртом или ртутью. Жидкость при нагревании расширяется и поднимается вверх по трубке, а при охлаждении сжимается и спускается вниз. Температура в градусах отложена на шкале вдоль трубки. Пусть химики не ругаются громко, я знаю что ртуть это металл, а спирт это жидкость. Я объединил их в один вид для простоты изложения.
• Полупроводниковые термометры — датчиком температуры в них является терморезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры.

Если говорить про системы отопления, то в них сейчас чаще всего применяются или биметаллические или полупроводниковые термометры. Жидкостный термометр будет точнее, но с ним больше проблем. Его легко разбить, а если он ртутный то это создаст угрозу отравления людей. Теперь давайте поговорим о том, что такое пирометр.

Что такое пирометр?

Пирометр — прибор для бесконтактного определения температуры объектов. Современные пирометры определяю температуру объектов по их инфракрасному излучению, а раньше температуру определяли по цвету свечения объекта, сравнивая его с некоторым эталоном. Точность была, конечно, гораздо ниже чем сейчас.

С помощью пирометра удобно измерять температуру сильно разогретых объектов, к которым нет возможности подойти близко. Также при помощи пирометров люди ищут трубы отопления замурованные внутри стен. Хотя это лучше делать при помощи специального тепловизора.

Температуру маленьких объектов с помощью пирометра нужно измерять с небольшого расстояния, иначе из-за оптического разрешения прибора вы получите не температуру объекта, а некоторую «среднюю температуру по больнице», которая может серьезно отличаться от температуры исследуемого объекта. Разрешение пирометра всегда указывается в его технических характеристиках. Для удобства пирометры оборудуют лазерной указкой, которая упрощает наведение на объект.

Выводы

Микросхема Dallas DS18B20 является очень интересным устройством. Датчики температуры и термометры, созданные на ее основе, обладают приемлемыми для большинства задач характеристиками, развитым функционалом, относительно не дороги. Особенную популярность датчик DS18B20 снискал как влагозащищенное устройство для измерения температуры жидкостей.

За дополнительные возможности приходится платить относительной сложностью работы с датчиком. Для подключения DS18B20 нам обязательно понадобится резистор с номиналом около 5К. Для работы с датчиком в скетчах ардуино нужно установить дополнительную библиотеку и получить определенные навыки для работы с ней – там все не совсем тривиально. Впрочем, можно купить уже готовый модуль, а для скетча в большинстве случаев хватит простых примеров, приведенных в этой статье.

Список источников

• ArduinoMaster.ru
• www.gosthelp.ru
• znayteplo.ru
• all-pribors.ru
• sovet-ingenera.com
• radioprog.ru