Датчик температуры

Датчик температуры – это устройство, позволяющее оценить значение параметра и при необходимости передать информацию о нем дальше по цепи управления. Сегодня даже некоторые тестеры снабжаются подобного рода приспособлениями, что делаем использование весьма удобным. Датчики температуры различаются по конструкции и функциональным возможностям. Иные из них предназначены для оценки состояния молока, а другие годятся и для расплавов металлов.

История термометров

Исследователи расходятся во мнении о том, кто первый изобрёл термометр. Вот некоторые из кандидатов на эту роль:

  1. Галилео Галилей.
  2. Корнелис Дреббель.
  3. Роберт Флуд.
  4. Санторио Санторио.

Ещё Филон Византийский и Герон Александрийский знали об изменении свойств веществ под действием температуры. В особенности, древних интересовал воздух. Было замечено, что при изменении температуры герметичной колбы, частично заполненной водой, уровень раздела сред перемещается. Вы уже догадались, что это как две капли воды напоминает современные ртутные приборы. И хотя Галилео Галилея называют изобретателем этого класса приборов, он конструировал термоскопы. Отличие заключается в отсутствии шкалы.

Датчик измерения

Датчик измерения

Поэтому мы вынуждены признать первопроходцем именно Роберта Флуда, первым догадавшегося количественно попробовать измерить сдвиг в 1638 году. И лишь потому, что конструкция вышла очень удачной. Нечто подобное используется в промышленности и по сей день. А до него, в 1613 и 1611 годах, со шкалой уже экспериментировали Санторио Санторио и Франческо Сагредо. А сам термин «термометр» впервые упоминается в издании La Récréation Mathématique 1624 года.

Быстро стало понятно, что тепловой коэффициент расширения воды не очень высок, поэтому уже в 1654 году появился аналог со спиртом, а к 1730 конструкция обрела практически современный вид (шкалой физика Реомюра и по сей день пользуются во Франции). Учёные активно экспериментировали и с другими жидкостями. Параллельно шли работы над шкалой: в 1665 году Христиан Гюйгенс предложил в качестве стандартных точек температуры кипения и замерзания воды.

Следует также упомянуть, что не существовало единого понятия о том, какого размера должен быть градус, пока в 1742 году Цельсий не поделил расстояние между упомянутыми выше двумя точками на сто равных частей (в первоначальном варианте за нуль брали точку кипения воды, а на таяние льда приходилось 100 градусов). Так появилась единица измерения в нынешнем её представлении. А в 1848 году Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы с нулём, ниже которого температура уже не опустится (минус 273,16 градусов Цельсия или нуль по шкале Кельвина). По величине градусы Цельсия и Кельвина равны.

Окончательную форму состав термометра принял в 1714 году, благодаря Даниэлю Фаренгейту, определившему, что максимальным коэффициентом термического расширения обладает ртуть. А в 1724 году стеклодув предложил и свою шкалу, именем которой называется один из рассказов Рея Бредбери (за точку отсчёта бралась температура смеси воды, соли и льда). Но на этом история не заканчивается, и в 1999 году появился первый височный бесконтактный термометр. Аналогичные применяются, например, для доведения до кондиции молока, предназначенного в пищу.

Работа датчика

Работа датчика

Как измерить температуру

Для измерений используются термометрические свойства веществ. Звучит тривиально, наподобие фразы «масло масляное», но на самом деле так и есть. У веществ от температуры зависят:

  1. Геометрические размеры. Именно это качество знали ещё древние на примере воздуха и воды. Но в современном мире чаще используется способность различного термического расширения двух разнородных металлов. Их соединяют в полосу, «спина к спине», и получается отличный датчик. Такой термометр называется биметаллическим. Подобные свойства в паре проявляют, например, железо и цинк. Две полоски, будучи объединены заклёпками вместе, при нагревании изогнутся.
  2. Электрическое сопротивление. Это качество активно используется в полупроводниковой технике. Все дешёвые холодильники, где нерационально использовать термопару, снабжаются такими сопротивлениями. И это отлично работает на практике. Разумеется, свойства материалов различны, поэтому скорость изменения параметров неодинакова.
  3. Электродвижущая сила. Учёные обнаружили, что некоторые полупроводники при нагреве способны образовывать потенциал. Кстати, это вовсе не новость, потому что аналогичными качествами обладают и многие минералы. К примеру, всем известный турмалин, который и название своё получил за то, что притягивал пепел (при нагреве поверхность кристалла приобретала заряд, который и стал причиной указанного явления).
  4. Спектр излучения. Следует знать, что любое тело, будучи помещено в более холодную среду, начинает испускать волны электромагнитной природы. Причём на графике плотности излучения это выглядит, как горб со смещённой влево вершиной. И чем выше температура, тем более гора смещена вверх по шкале частот. Например, Солнце настолько горячее, что максимум его излучения приходится на видимый спектр в районе зелёного цвета. Аналогично, каждый кузнец может наблюдать раскалённый металл, меняющий свои оттенки по мере того, как меха раздувают огонь. Именно спектральные термометры и позволяют выполнять дистанционные измерения.
Процесс измерения

Процесс измерения

Расширенная классификация термометров

Мы сразу оговоримся, что в рамках этого обзора не отделяем от темы пирометры. Хотя, строго говоря, это немного другой класс приборов, он активно используется для тех же целей, что и датчики температуры. Итак, принято различать:

  • Термометры расширения. Они базируются на способности тел менять свои геометрические размеры:
  1. Стеклянные жидкостные термометры, это то, что мы привыкли видеть за своим окном. Они сами по себе уже являются датчиками температуры. Чаще всего в качестве жидкости используется ртуть по целому ряду причин: сохраняет агрегатное состояние в широком диапазоне условий окружающей среды, не смачивает стекло, достаточно просто извлекается из природных компонентов. А недостаткам можно отнести токсичность, малый коэффициент температурного расширений и застывание уже при минус 35 градусах Цельсия. Это ещё раз напоминает нам о пользе спиртовых термометров.
  2. Манометрические термометры основаны на зависимости давления паров вещества в рабочей камере от температуры. Подобные системы широко применяются в качестве термостатов стареньких холодильников, где ещё нет электроники. Плюс в том, что такая система не нуждается в питании электрическим током, что сильно упрощает конструкцию всего прибора в целом. Эти температурные датчики размещаются обычно в районе испарителя, а через трубку соединяются с регулятором (находится в холодильном отсеке), где стоит и реле.
  • Термометрические датчики и термометры сопротивления включают в свой состав термопары и термисторы. Это довольно избитая тема, которой мы коснёмся чуть ниже. В качестве материалов для этого типа датчиков температуры применяются как металлы, так и полупроводники, а также некоторые другие классы таблицы Менделеева.
Термометр сопротивления

Термометр сопротивления

Конструкции термометров

Уже понятно, что исторически первым, и по сей день самым распространённым в быту является прибор, отображающий границу раздела двух сред. Но это далеко не единственная модель. В своё время широко использовались весовые термометры. Такой состоял из пустотелого платинового шара, заполненного частично ртутью и с капиллярным отверстием в дне. Чем выше была температура, тем сильнее расширялся воздух в сфере. В результате больше ртути каплями стекало наружу. В итоге наступало равновесие, и по оставшейся массе  можно было судить о температуре.

Читайте также:  Электронный терморегулятор

Но в качестве эталонного (от 13,81 до 903,89 градусов Кельвина) применяется платиновый термометр сопротивления, а ниже (до 4,2 К) – германиевый. Выше этого предела применяют уже платинородий. Наконец, над 1337,58 градусами Кельвина используется квазимонохроматический пирометр. При помощи этих инструментов получены многие данные об окружающем нас мире. Эти же приборы логично применять и для тарирования. Квазимонохроматический пирометр уже работает на основе оценки спектра и к сопротивлению никакого отношения не имеет. Оно и понятно – при температуре 6300 К большинство сплавов уже обращается в пар, а выше этой отметки и до 100000 К используются пирометры микроволнового излучения.

Принцип действия одной из конструкций квазимонохроматического оптического пирометра основывается на сравнении спектра изучаемого тела со спектром эталонной (вольфрамовой) нити. Прибор включает себя объектив, а видоискатель снабжён фильтром, пропускающим преимущественно видимый спектр волн. Нагрев нити можно регулировать реостатом, и лицезреть её на фоне изучаемого тела. Как только эти объекты становятся неразличимы (сливаются), нужная температура вольфрама достигнута. Понятно, что точность сильно зависит от качеств экспериментатора: дальтоникам такой метод противопоказан. Кроме того верхний предел измерений ограничен температурой плавления нити.

Иные квазимонохроматические пирометры при помощи фильтров отделяют некоторые составляющие спектра. Например, красную и синюю, а потом по их интенсивности определяют и температуру. Здесь уже используются фотометрические датчики: падающий свет изменяет свойства полупроводниковых материалов. Существуют и приборы, оценивающие полный спектр свечения. В этом случае речь идёт об интегральной яркости, когда изображение объекта фокусируется на чувствительном элементе.

Ниже точки 4,2 К применяется ещё несколько эталонных шкал. Для сверхнизких температур от 0,01 до 0,8 К используют явление зависимости магнитной восприимчивости вещества от степени нагрева (в данном случае уместнее говорить об охлаждении). В остальной части диапазона применяются зависимости давления насыщенного пара гелия (3 и 4).

Читайте также:  Диодный мост

Вы видите, что помимо перечисленных в предыдущем разделе принципов существуют и другие, но в быту они почти не находят применения. Если не брать во внимание приборы из строительной тематики. Речь сейчас о тепловизорах, где широко применяется визуальная оценка общей картины местности. В этом плане приборы напоминают оптические пирометры. Но не более того. Строитель просто на глаз находит участки, сильно выбивающиеся из общей картины, и принимают соответствующие меры по устранению проблемы. В остальном тепловизор функционирует на основе матрицы из фоточувствительных элементов. Да в его задачи и не входит измерение температуры (а только качественная оценка).

Современный термометр

Современный термометр

Мы полагаем, что нет необходимости рассказывать про термопары и сопротивления, потому что эта информация большинству читателей уже известна. Упомянем лишь, что именно эти два класса приборов часто и применяются в быту. В том числе и щупы упомянутых выше тестеров являются одним из двух. Температурная зависимость сопротивлений обычно линейная, а угол зависит от самого материала. Что касается термопар, то, как это следует из названия, такие датчики состоят из двух разнородных полупроводников. А изменение температуры приводит к формированию потенциала на выводах конструкции.

В настоящее время элементарные датчики часто включаются в состав микрочипов. Это не новость, что интегральные решения намного проще в применении. Аналогичным образом и датчик движения снабжается электронной начинкой для усиления исходного сигнала до приемлемой величины. Входят в область возможностей интегральных датчиков температуры и некоторые другие функции. Мы надеемся, что дали некоторое представление о теме. По сути принципов измерения температуры не очень много, и если не брать во внимание такую экзотику, как магнитная восприимчивость, то все они весьма и весьма просты. В бытовой технике, к примеру, часто используются биметаллические пластины.