Датчик температуры

Датчик температуры – устройство, позволяющее оценить значение параметра и при необходимости передать информацию дальше по цепи управления. Сегодня отдельные тестеры снабжаются подобного рода приспособлениями, что делает использование удобным. Датчики температуры различаются по конструкции и функциональным возможностям. Иные предназначены для оценки состояния молока, прочие годятся для расплавов металлов.

История термометров

Исследователи расходятся во мнении, кто первый изобрёл термометр. Кандидаты на 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. Замечено, что при изменении температуры герметичной колбы, частично заполненной водой, уровень раздела сред перемещается. Это сильно напоминает современные ртутные приборы. Галилео Галилея называют изобретателем указанного класса приборов – учёный конструировал термоскопы. Отличие заключается в отсутствии шкалы.

Датчик измерения

Вынуждены признать первопроходцем Роберта Флуда, первым догадавшегося количественно попробовать измерить сдвиг в 1638 году. Конструкция вышла крайне удачной. Нечто подобное используется в промышленности и поныне. В 1613 и 1611 годах со шкалой уже экспериментировали Санторио Санторио и Франческо Сагредо. Термин «термометр» впервые упоминается в издании La Récréation Mathématique 1624 года.

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

Не выделялось единого понятия о размере градуса, 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, на таяние льда приходилось 100 градусов). Появилась единица измерения в нынешнем представлении. 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 – 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 характеризуется ртуть. В 1724 году стеклодув предложил собственную шкалу, именем устройства называется рассказ Рея Бредбери (за точку отсчёта бралась температура смеси воды, соли и льда). История не заканчивается, и в 1999 году появился первый височный бесконтактный термометр. Аналогичные применяются, к примеру, для доведения до кондиции молока, предназначенного в пищу.

Работа датчика

Как измерить температуру

Для измерений используются термометрические свойства веществ. Звучит тривиально, наподобие фразы «масло масляное», но такова действительность. У веществ от температуры зависят:

1. Геометрические размеры. Упомянутое качество отмечали древние на примере воздуха и воды. В нынешнем мире чаще используется способность различного термического расширения двух разнородных металлов. Их соединяют в полосу, «спина к спине», получается датчик. Термометр называется биметаллическим. Подобные свойства в паре проявляют, к примеру, железо и цинк. Две полоски, будучи объединены заклёпками вместе, при нагревании изогнутся.
2. Электрическое сопротивление. Качество активно используется в полупроводниковой технике. Все дешёвые холодильники, где нерационально использовать термопару, снабжаются подобными сопротивлениями. Свойство работает на практике. Разумеется, свойства материалов различны, скорость изменения параметров неодинакова.
3. Электродвижущая сила. Учёные обнаружили, что отдельные полупроводники при нагреве способны образовывать потенциал. Аналогичными качествами характеризуются минералы. К примеру, известный турмалин, получивший название за способность притягивать пепел (при нагреве поверхность кристалла приобретала заряд, ставший причиной указанного явления).
4. Спектр излучения. Тело, помещенное в холодную среду, испускает волны электромагнитной природы. Причём на графике плотности излучения это выглядит как горб со смещённой влево вершиной. Чем выше температура, тем сильнее гора смещена вверх по шкале частот. К примеру, Солнце настолько горячее, что максимум солнечного излучения приходится на видимый спектр в районе зелёного цвета. Аналогично, кузнец видит раскалённый металл, меняющий оттенки, пока меха раздувают огонь. Спектральные термометры позволяют выполнять дистанционные измерения.

Процесс измерения

Расширенная классификация термометров

Оговоримся, что в рамках обзора не отделяем от темы пирометры. Это чуть иной класс приборов, активно используется для аналогичных целей, что и датчики температуры. Итак, принято различать:

• Термометры расширения. Базируются на способности тел менять геометрические размеры:

1. Стеклянные жидкостные термометры – за окном. Уже считаются датчиками температуры. Чаще в качестве жидкости используется ртуть по ряду причин: сохраняет агрегатное состояние в широком диапазоне условий окружающей среды, не смачивает стекло, легко извлекается из природных компонентов. К недостаткам относятся токсичность, малый коэффициент температурного расширений и застывание уже при минус 35 градусах Цельсия. Это напоминает о пользе спиртовых термометров.
2. Манометрические термометры основаны на зависимости давления паров вещества в рабочей камере от температуры. Подобные системы охотно применяются в качестве термостатов стареньких холодильников, где нет электроники. Плюсы: система не нуждается в питании электрическим током, что сильно упрощает конструкцию прибора. Эти температурные датчики размещаются в районе испарителя, через трубку соединяются с регулятором (находится в холодильном отсеке), где стоит реле.

• Термометрические датчики и термометры сопротивления включают в состав термопары и термисторы. Это избитая тема, коснёмся чуть ниже. В качестве материалов для указанных датчиков температуры применяются металлы, полупроводники, прочие классы таблицы Менделеева.

Термометр сопротивления

Конструкции термометров

Первым и распространённым в быту признан прибор, отображающий границу раздела двух сред. Это не единственная модель. Прежде использовались весовые термометры. Такой состоял из пустотелого платинового шара, заполненного частично ртутью и с капиллярным отверстием в дне. Чем выше поднималась температура, тем сильнее расширялся воздух в сфере. В результате больше ртути каплями стекало наружу. В итоге наступало равновесие, по оставшейся массе судили о температуре.

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

Принцип действия конструкции квазимонохроматического оптического пирометра основывается на сравнении спектра изучаемого тела со спектром эталонной (вольфрамовой) нити. Прибор включает объектив, видоискатель снабжён фильтром, пропускающим преимущественно видимый спектр волн. Нагрев нити возможно регулировать реостатом, лицезреть её на фоне изучаемого тела. Когда объекты становятся неразличимы (сливаются), нужная температура вольфрама достигнута. Точность сильно зависит от экспериментатора: дальтоникам метод противопоказан. Верхний предел измерений ограничен температурой плавления нити.

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

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

Помимо перечисленных в предыдущем разделе принципов известны альтернативы, в быту не находящие применения. Если не брать во внимание приборы из строительной тематики. Речь сейчас о тепловизорах, где применяется визуальная оценка общей картины местности. В этом плане приборы напоминают оптические пирометры. Строитель просто на глаз находит участки, сильно выбивающиеся из общей картины, принимает соответствующие меры по устранению неполадки. В остальном тепловизор функционирует на основе матрицы из фоточувствительных элементов. В задачи прибора не входит измерение температуры (лишь качественная оценка).

Современный термометр

Не станем рассказывать про термопары и сопротивления, информация большинству читателей уже известна. Упомянем лишь, что два класса приборов часто применяются в быту. Включая щупы упомянутых выше тестеров. Температурная зависимость сопротивлений обычно линейная, угол зависит от материала. Что касается термопар, датчики состоят из двух разнородных полупроводников. А изменение температуры приводит к формированию потенциала на выводах конструкции.

Сегодня элементарные датчики часто включаются в состав микрочипов. Это не новость, что интегральные решения намного проще в применении. Аналогичным образом датчик движения снабжается электронной начинкой для усиления исходного сигнала до приемлемой величины. Входят в область возможностей интегральных датчиков температуры и прочие функции. Принципов измерения температуры немного, если не брать во внимание экзотику, как магнитная восприимчивость, все они просты. В бытовой технике, к примеру, часто используются биметаллические пластины.