Виды датчиков температуры и особенности их применения

Проконтролировать степень нагрева любого объекта независимо от его агрегатного состояния помогают специальные устройства — датчики температуры. Их принцип работы и исполнение могут существенно отличаться. Это позволяет подобрать оптимальный вариант в зависимости от преследуемых целей. Зная для чего предназначено устройство, стоит разобраться, как подключить прибор, чтобы он позволил снимать показатели с заданной точностью.

Термопары

Конструктивно термопара представляет собой спайку двух проволок из разного металла. Разность температур между горячим и холодным концами провоцирует в цепи возникновение ЭДС, величина которой зависит от материала и термоэлектрической силы термопары и может быть от 40 до 60 мкВ. В качестве материала термопары используют сочетания никель-хром, хром-алюминий, железо-никель, железо-константан и другие. Термопара обеспечивает высокую точность, однако снять эту точность проблематично. Являясь относительным датчиком, термопара имеет зависимость уровня напряжения от разности температур между спаями. Холодный спай обычно имеет температуру среды, в которой находится. Если углубиться в принцип работы термопары, то он выглядит следующим образом: на горячем и холодном концах термопары есть две температуры, от разности которых зависит ЭДС. Температуру холодного спая необходимо компенсировать. Решением этой задачи в аппаратной среде является использование второй термопары, помещенной в среду с заранее известной температурой. В программной среде используется другой, абсолютный датчик температуры, помещенный в изотермическую камеру вместе с холодными спаями. Такой датчик контролирует температуру спаев с заданной точностью. В работе с термопарой существует ряд трудностей, сопровождающих снятие данных с датчика:

• Нелинейность термопары
  . Для перевода значения ЭДС в температуру и обратно используются полиномы большого порядка, прописанные в ГОСТе
• Значения термо-ЭДС
  , получаемые с термопары малы, порядка единиц и сотен микровольт, что делает невозможным применение обычных аналогово-цифровых преобразователей. Для снятия неискаженных данных с термопары используются прецизионные многоразрядные малошумящие аналогово-цифровые преобразователи

Порядок подключения

Схема подключения датчика температуры может существенно отличаться. Все зависит от того, какой разновидности отдано предпочтение. Прежде чем приступить к монтажу, надо определиться с требуемой точностью и назначением прибора. Если он будет использоваться для контроля температуры воздуха внутри помещения, потребуется одна схема. Если понадобиться измерить степень нагрева вещества, придется воспользоваться другой.

Как подключить кремниевый

Для подключения датчика температуры кремниевого типа может использоваться схема:

• 2-х проводная. Актуальна при отсутствии повышенных требований к высокой точности, так как в этом случае к измеренному сопротивлению добавляется сопротивление присоединенных проводов. Это существенно увеличивает величину дополнительной погрешности;
• 3-х проводная. Установка датчика температуры по данной схеме позволяет повысить точность. Такое подключение допускает измерение сопротивления проводов, а затем вычесть полученное значение из измеренного;
• 4-х проводная. По такой схеме устройство подключается таким образом, чтобы полностью исключить влияния подводящих проводов. Это позволяет избавиться от дополнительной ошибки и существенно повысить точность контроля.

Как подключить термопару

Для подключения холодных концов используются компенсационные провода либо монтаж производится напрямую к клеммам аналогового входа. При этом важно соблюдать полярность на входе в промышленный контроллер, используемый для программной компенсации температуры холодного спая и последующего расчета температуры в заданной точке.

Внутреннюю компенсацию выполняют с использованием температуры модуля, используемого для подключения термопары. Для точной внешней компенсации температуру холодного спая контролируют дополнительным термометром сопротивления, подключаемым к специальному входу.

Как воспользоваться бесконтактным устройством

У датчиков температуры бесконтактного типа есть особенность определения степени нагрева устройства. Непосредственное подключение в этом случае не требуется. Устройство приближается к контролируемому объекту и обеспечивается его совмещение с соответствующим датчиком. Это оказывает существенно влияние на конечный результат, который во многом зависит от опыта и знаний специалиста, производящего измерения. Если поменяем бесконтактное устройство на контактную модель, точность увеличится.

На схеме, приводимой в инструкции к конкретному устройству, указан порядок подключения и последующей эксплуатации датчика температуры. Прежде чем приступить к монтажным работам, стоит с ней тщательно ознакомиться, чтобы избежать типовых ошибок, допускаемых неопытными пользователями при самостоятельном выполнении монтажных работ.

Терморезисторы

Более простым и распространенным устройством для измерения температуры являются терморезисторы. Их работы основана на принципе зависимости сопротивления материалов от внешней температуры. Металлические термометры сопротивления, особенно платиновые, обеспечивают высокую точность и линейность измерений. Основной характеристикой термометра сопротивления является базовое сопротивление термометра при определенной температуре. Согласно ГОСТ базовым считается сопротивление при нуле градусов Цельсия. В ГОСТе рекомендуется использовать несколько номиналов сопротивлений в Омах и температурный коэффициент, который определяется по формуле: Ткс = (Re – R0c)/(Te – T0c)*1/R0c,

Где
Re
– сопротивление при нашей температуре;
R0c
– сопротивление при нуле градусов;
Te
– наша температура;
T0c
– температура нуля. ГОСТ терморезисторов содержит температурные коэффициенты для различных термометров из платины, меди и никеля и коэффициенты полинома для расчета температуры из текущего сопротивления резистора. Несмотря на то, что термометры сопротивления обладают малым температурным коэффициентом сопротивления, получить высокую точность при измерении сопротивления проще, чем при измерении малых значений напряжения при работе с термопарой. Для измерения сопротивления, термосопротивление включается в цепь источника тока, после чего измеряется дифференциальное напряжение. Температурный коэффициент при использовании полупроводников составит доли единиц процента. Для таких измерений применяются аналогово-цифровые преобразователи. Датчики температуры, реализованные в виде интегральных микросхем оснащены аналоговым выходом, соответствующим напряжению питания. Для оцифровки сигнала с таких датчиков используются восьми- или десятибитные АЦП.

Принцип работы

Основная функция микросхемы DS18B20 — трансформация показаний встроенного датчика температуры в цифровой код. Это преобразование зависит от разрешения преобразования, установленного пользователем, которое варьируется от 9 до 12 бит (0,5°–0,625°С). Если настройки не производились, то установка регистра конфигурации соответствует 12 битам.

В начальном состоянии DS18B20 находится в состоянии покоя или иными словами в низком энергетическом уровне. Для начала измерений микроконтроллер подает сигнал [0х44], после чего полученные данные сохраняются в регистр, а сам датчик переходит в режим «покоя».

При работе цифрового датчика температуры DS18B20 от независимого источника питания микроконтроллер способен контролировать процесс выполнения команды [0х44], которая осуществляет измерение температуры. Таким образом, датчик температуры DS18B20 сформирует логический «0» во время трансформации показаний температурного режима и логическую «1» в случае окончания процесса преобразования.

Если питание микросхемы осуществляется при помощи «паразитного метода», то контроль логических «0» и «1» невозможен, поскольку на шине будет постоянно дежурить высокий уровень напряжения питания.

После снятия и обработки сигнала с датчика температуры в микросхеме DS18B20 полученные данные в градусах Цельсия сохраняются в виде 16-битного числа с признаком (S), который отвечает за знак «+» или «-» температуры. Структура регистра температуры будет выглядеть так, как показано ниже.

Если показания температуры выше «0», то показатель S=0, если же значение температуры отрицательное, то S=1. Ниже представлена таблица соответствия данных и температуры.

Кварцевые преобразователи температуры

При необходимости расширения диапазона измеряемой температуры, применяют кварцевые преобразователи. Они позволяют производить измерения в интервале от -80 до +250 градусов Цельсия. Принцип их действия основан на частотной зависимости кварца от температуры. Функция преобразователя меняется от расположения среза по осям кристалла. Кварцевые датчики обеспечивают высокие чувствительность и разрешение замеров, вкупе со стабильностью работы. Благодаря этим свойствам, кварцевые датчики широко распространены в цифровых термометрах.

Применение

Стоит понимать, что каждый из типов датчиков создан для использования в специальных условиях. Практически во всех сферах производства и жизни требуется знать температуру. Так применять термисторы необходимо для получения абсолютных показателей, для сбора показателей в помещениях – шумовые, для получения максимально точных данных – цифровые и так далее.

Мир датчиков температур охватывает все сферы жизни, где требуется измерение показателей. Это может быть помещение, жидкость или предмет с совершенно различными нюансами. В одних помещениях высокая влажность, в другие нельзя попадать. Аналогичные параллели можно проводить с жидкостями и объектами. При выборе подходящего термометра необходимо обращать внимание на нюансы условий измерения.

Шумовые датчики температуры

В основе работы шумовых датчиков температуры лежит зависимость шумовой разности потенциалов на резисторе от температуры. На практике, для измерения температуры шумовыми датчиками, нужно сравнить шумы двух одинаковых резисторов, один из которых находится в среде с известной температурой, второй – в среде, температуру которой нужно измерить. Диапазон температур, которые можно измерить с помощью шумовых датчиков составляет от -270 до +1100 градусов. Основное преимущество шумовых датчиков – возможность измерения температуры в термодинамике, осложняется крайне малым напряжением шума, сравнимым с уровнем собственных шумов усилителя. Из-за этого напряжение шума крайне сложно измерить.

Параметры выбора

Чтобы осуществить корректный выбор подходящего термометра, необходимо определить несколько условий, которые должны соответствовать для комфортной работы прибором.

Диапазон рабочей температуры

Необходимо знать, в каких температурах будет задействован термометр. Также нужно определить, какая погрешность будет приемлемой при получении результатов. Если диапазон температур небольшой, то подойдут термисторы. В самых суровых условиях работоспособны преимущественно шумовые приборы.

Условия проведения замеров

Возможно ли поместить термометр в среду или материал, который нужно заменить. Если нет, то получить данные можно при помощи радиационных термометров, которые замеряют температуру сквозь препятствия.

Время работы до калибровки или замены

Установить условия работы датчика. Окружающая обстановка может быть стандартной, с высокой влажность, окислительной, пожароопасной и так далее.

Величина сигнала выхода

Сигнал выхода должен соответствовать возможностям электроизмерительных приборов для дальнейшей обработки получаемых данных. Зависит это от полученных показателей температуры, преобразуемых в энергию.

Другие технические данные

Также при определении подходящего типа датчика температуры необходимо обращать внимание на второстепенные факторы. Эти нюансы позволяют выбрать самый подходящий аппарат для получения необходимых данных.

Погрешность

Для получения самых точных результатов потребуется большое количество времени. Лучший показатель выдает биметаллический термометр, построенный по принципу ЯКР и цифровые. Первые – быстрее, а вторые – точнее.

Разрешение

Этот показатель позволяет получить от датчика более точные приращениям дискретности измерения температуры. Ярким представителем является DS18B20, который может работать в разрешении 9,10,11 и 12 бит. Самый малый режим даст 0.5°C, а максимальный — 0.0625°C.

Напряжение

На величину выходного напряжения будет влиять сопротивление резистора. В зависимости от этого напряжение может быть линейным (изменяться в зависимости от температуры) и нелинейным. Для каждого датчика существуют свои эталонные величины на выводах термометра, который зависит от температуры измеряемого объекта.

Время сработки

Показатель отвечает за скорость получения результатов замера. Как правило, быстрые замеры можно получить, имея крупную погрешность. Для устранения этого недостатка потребуется пренебречь временем сработки и увеличить его до необходимого показателя точности.

Датчики температуры ЯКР

Функционирование термометров ЯКР

– ядерного квадрупольного резонанса, происходит за счет действия градиента поля тока решетки кристалла и момента ядра, который вызван отклонением заряда от симметрии сферы. Это создает процессию ядер. Частота зависит от градиента поля решетки и для разных веществ может достигать тысяч мегагерц. Градиент зависит от температуры, с возрастанием которой, частота ЯКР уменьшается. Конструктивно датчики температуры ЯКР представляют собой ампулу с веществом, помещенную в обмотку индуктивности, соединенную с контуром генератора. Когда частота генератора совпадает с частотой ЯКР, энергия генератора поглощается. При замере температуры -263 градуса, допуск составляет ±0,02 градуса, а при 27 градусах — ±0,002 градуса. Несмотря на значительную нелинейность преобразующей функции, термометры ЯКР обладают неограниченной по времени стабильностью.

Электронные термореле

Это уже довольно сложные электронные устройства которые коммутируют нагрузку с помощью электромагнитных реле, контакторов, датчиками температуры могут служить почти все вышеперечисленные типы. Обрабатывает сигнал микроконтроллер или же специализированная электронная схема. Такие приборы могут иметь несколько каналов, например, четыре,то есть могут контролировать четыре точки и управлять четырьмя нагрузками, а выдавать информацию на электронный дисплей. Для монтажа в электрощит выпускают термореле в корпусе под DIN-рейку.

Объемные преобразователи

Свойство веществ расширяться и сжиматься при изменении температуры нашло применение в объемных датчиках. Интервал измеряемых температур зависит от стабильности свойств материалов. Обычно этот интервал составляет от -60 до +400 градусов Цельсия при допуске от 10 до 5%. При работе с жидкостью, интервал датчика зависит от температуры закипания и замерзания. При этом, погрешность измерения составляет от 1 до 3% и зависит от температуры среды. Нижняя граница измерений при работе с газом определяется температурой перехода газа в жидкое состояние, верхняя граница – стойкостью баллона к воздействию температуры.

ВАЗ 2114, ВАЗ 2115

На этих автомобилях в качестве ДТОЖ можно использовать GM 2112-3851010-01. Место расположения устройства — между головкой цилиндров и термостатом.

Для проверки рекомендуется демонтаж элемента (ключ рожковый на 19). Для этого нужно дождаться охлаждения мотора, отбросить «минус» на АКБ и слить антифриз.

После этого требуется демонтировать устройство, проверить его с помощью нагрева жидкости, термометра и мультиметра.

При этом должны быть следующие параметры.

Таблица 2.

При расхождении в показателях необходимо заменить устройство.

Ремонт

Термопара (терморезистор) ремонту не подлежит — он слишком миниатюрный, в нем нет заменяемых частей. Починить можно проводки (спаять скрутить, заменить), но не указанные элементы. Трубочка-датчик для механических термостатов тем более не ремонтопригодна: как бы хорошо не изолировалась в ходе починки прореха в ней, включая припоем, все равно рано или поздно она разгерметизируется, а сильфон с изъянами чрезвычайно сложно привести в надлежащее состояние — всегда будет раскалибровка.

Исключение составляют случаи:

• когда оторвались контакты, есть обрыв, замыкание, неправильное прилегание — тогда производят перепайку соединений, располагают части должным образом;
• установка новой термопары на уже установленный кабель (просто отрезают и припаивают на место старого терморезистора, не отщелкивая фишку проводков из блока управления).

Случай починки из опыта пользователей

Приведем пример, как влияет расположение терморезистора на его работоспособность. Описывается случай с холодильником Либхер СР4003. В этой модели при неисправности температурного датчика подается тревожный звуковой сигнал, что и наблюдалось пользователем. Владелец заказал новый сенсор, но также решил одновременно проверить и старое изделие, попробовать реанимировать его.

Холодильник отключили, произвели разморозку, высушили камеры. Затем сняли защитную панель (крышку) с детектора. В данном случае тип прибора no frost, а рассматриваемая деталь размещена на «плачущей стенке». Детектор просушили обычным феном, не снимая его с посадочного места. При этом надо следить, чтобы направляемое тепло было умеренным, высокая температура может повредить, оплавить пластмассовые детали. После указанных процедур произвели запуск — все заработало должным образом.

Очевидно, что причина неполадки — неудачная локация монтажа термосенсора. Со временем из-за агрессивных условий происходит разгерметизация датчика, конденсат попадает внутрь, что искажает показания. Соответственно, система выдает тревожный сигнал о поломке, неправильные сообщения идут на компрессор, заставляя его работать постоянно.

Дальнейшее решение состояло в том, что защитную панель не монтировали, элемент оставили открытым, без крышки, а также 1 раз в неделю убирали конденсат со стенок около устройства обычной ветошью или салфеткой. Новый датчик не понадобился и оставлен как запасной.

Причины

С уверенностью можно сказать, что термодатчик — одна из деталей холодильника, которая ломается реже всех его узлов. Элемент из-за простоты конструкции стойкий к механическим нагрузкам, влажности, перепадам температур, электричества.

Причины поломок температурного датчика холодильников:

• общие причины: износ со временем, отход контактов или иных частей, заводской брак, механические повреждения;
• для электронных типов: значительные или систематические перепады напряжения;
• отгорание, выгорание контактов, неисправности электроцепи, обрывы, замыкания не только в самом детекторе, но и в идущих к нему проводках;

Частые неисправности терморезистора (электронный тип сенсора)

Плохие, закисшие контакты, из-за которых сопротивление растет, может стать причиной некорректной работы. Чтобы очистить клеммы, достаточно вытащить и вставить несколько раз фишку.

Другие поломки: неполадки в самой термопаре, она может быть разомкнутой, закороченной (сопротивление либо 0, либо бесконечно большое). При этом электроника в режиме самодиагностики холодильника (выводится при его включении) выдает код ошибки, часто это «02». Но опция предупреждения графическими символами есть только у моделей с табло, у некоторых изделий система выдает тревожные сигналы, расшифровка которых указана в инструкции. У самой простой продукции самодиагностика может отсутствовать вообще.

Нива Шевроле

Для установки можно использовать ДТОЖ 2112-3851010 Калуга (23.3828). Визуально определить расположение устройства трудно, ведь оно закрыто другими деталями.

После их снятия видно, что устройство находится в верхней части термостата в отверстии переднего патрубка водяной рубашки (той, что входит в блок цилиндров). После его выкручивания (накидной на 19) антифриз не течет.

Проверка осуществляется по тем же схемам, что рассмотрено выше. При этом нужно иметь перед глазами таблицу с параметрами температуры и сопротивления ДТОЖ.

Таблица 3.

Также на Шевроле Нива в районе 4 – й свечи установлен ДУТОЖ (датчик указания температуры охлаждающей жидкости), который выводит данные на панель приборов, на ЭБУ он информацию не передает и не влияет на работу мотора.

Но он может выдавать неправильные данные на панель приборов и вводить в заблуждение водителя.

Его можно выкрутить, не сливая ОЖ, но перед этим скиньте давление в системе выкрутив крышку расширительного бочка.

Он тоже проверяется путем сравнения температуры с показаниями мультиметра.

Смотрите таблицу ниже.

Как проверить ДТОЖ

Проверка датчика мультиметром
Проверить датчик охлаждающей жидкости проще всего с помощью мультиметра. Перед тем как приступить к этому, следует учесть, что у разных автомобилей показатель сопротивления при низких и высоких температурах будет отличаться. Поэтому его нужно знать. Точный ответ даст мануал к транспортному средству.

Сама процедура проверки предельно проста. Датчик нужно выкрутить, мультиметр подсоединить к его контактам. Воду нагреть до определенной температуры, указанной в мануале (это нужно, чтобы было, с чем сверить), и опустить в нее устройство.

Если показатель не совпадет с тем, что указан в руководстве, значит – проблема в датчике. Если совпадет – значит, он исправен, и виновата электроника или термостат.

Важность своевременной замены

Сам термосенсор стоит около 350 руб., но это касается только такой детали в виде двух проводков с фишкой и чувствительным элементом (термопарой) к электронным термостатам (блокам управления). Если же покупать механический терморегулятор с трубочкой-датчиком (обычно при поломке потребуется весь узел, а не только эта трубочка), то придется выложить 600–1700 руб. и больше. Но несвоевременное обновление выльется в еще большие затраты. Неисправность такого, казалось бы, незначительного элемента ведет к выходу из строя компрессора, а это уже весьма значительные затраты на ремонт — цена нового мотора может превышать четверть стоимости холодильника.

Процесс замены термодатчиков холодильника

Снять старый и установить новый терморезистор или термореле с сенсором-трубочкой сложно только в случаях, если они спрятаны далеко за обшивкой. Тогда надо снимать панели шкафа.

Если датчик электронного типа, то само отсоединение простое — на нем есть пластмассовая фишка-штекер, которая подсоединяется в термостат или сегмент блока управления (там есть разъемы). Все что потребуется — отщелкнуть ее, снять старое и защелкнуть новое изделие аналогичным способом.

Если добраться до электронного терморегулятора тяжело, то можно просто отрезать и припаять проводки с новым сенсором (процесс рассмотрим ниже), но с механическим узлом такая процедура невозможная — там не проводки, а трубка.

Механические модели — это трубки, заходящие в терморегулятор, с металлической пластиной, крепящейся болтиками или зажимами к нему, теоретически достаточно их открутить/отогнуть и аналогично прикрепить новую запчасть. Но так почти никогда не делают. Для такого типа узла сложно найти в продаже именно сенсоры — трубочки с сильфоном (мы уже описывали данный недостаток выше), обычно отдельно они не продаются. Тогда выход один — купить через интернет, в мастерских эту часть, но не факт, что удастся ее приделать, а также, что не будет раскалибровки.

По вышеуказанным причинам, а также, чтобы исключить раскалибровку, приобретают целый такой термостат — это характерно именно для механических вариантов. Потребуется замена терморегуляторов описанного типа целиком, вместе с трубочкой-детектором. Вытаскиваются они следующим образом: снимают накладку около селектора, крышку устройства и ручку, после чего вынимают сам узел. Запоминают расположение проводков в клеммах. Новое изделие вставляется с описанными этапами в обратном порядке, соблюдают запомненное расположение жил питания к термостату.

Всю информацию о том продаются ли термодатчики к конкретной модели холодильника и есть ли они отдельно от терморегулятора можно узнать на спецфорумах, обратившись в службу поддержки на сайтах производителей. Обычно в инструкции и в интернете можно также найти описание процесса замены для конкретных моделей со схематическими изображениями.

Установка нового электронного датчика температуры

Рассмотрим вариант замены лишь чувствительной части без обновления всего кабеля, преимущество в том, что не надо разбирать стенки холодильника:

1. Выньте датчик из посадочного места.
2. Убедитесь, что новая запчасть подходит для зажимов, входит в выборки в пластмассе.
3. Отрезать кабель около самой чувствительной части, нельзя его укорачивать. По длине шнур должен быть приблизительно таким, как был до этого, чтобы поместиться в выемки на посадочном месте, допускается разница на несколько мм.
4. Зачистить концы.
5. Установить новую изоляцию — две термоусадочные трубки на каждый проводок и одну потолще, охватывающую сразу все жилы.
6. Припаять проводки новой термопары к ответным концам.
7. Надвинуть термоусадку на соединение, нагреть зажигалкой — изоляция стянется и зафиксируется.

В крайнем случае, вместо термоусадки в роли изоляции можно использовать изоленту, а вместо пайки — скрутку, но такое соединение будет менее надежным.

Калина

Официальный вариант ДТОЖ для ВАЗ 2112 — 2112-3851010. Но можно использовать аналоги, к примеру, ERA (33026), Luzar (LS 0112), Fenox (TSN 2211207).

Расположение датчика на авто с мотором на 8 и 16 клапанов — около термостата. При этом девайс немного закрыт корпусом фильтра.

При этом на Лада Калина 1 для доступа к измерителю температуры придется снять воздушный фильтр.

Чтобы выкрутить используется ключ на 19. Антифриз сливать не нужно.

Проверка, как и в прошлом случае после снятия устройства ключом на «19».

Показания температуры и сопротивления смотрите в таблице 3.

Проверка наличия рабочего напряжения осуществляется мультиметром с включенным зажиганием без снятия датчика между выводом колодки «В» и массой (вывода на колодки два «А» и «В»), нормативные показания в пределах 4,8—5,2 В.