Температурный датчик – типы, принцип работы, диапазон температур

Содержание

Датчик температуры: принцип работы, измерения и температурный диапазон

Современное производство просто немыслимо без автоматизации различных технологических процессов. Начиная от атомной станции и заканчивая автомобилями, везде можно обнаружить элементы автоматического контроля и регулирования необходимых параметров. Давление, угловая и линейная скорости, температура и многие другие параметры необходимо контролировать для более эффективной работы всего производства или машины.

Среди общего многообразия контролируемых параметров около половины занимает измерение и контроль температуры. Причём одной из наиболее важных деталей всей системы является датчик. Исходя из того, что условия и диапазоны температур могут сильно варьироваться, датчики и первичные преобразователи исполняются с различными свойствами и качествами в зависимости от технологических требований.

Сам по себе датчик измерения температуры является устройством, способным получать измеряемую величину и преобразовывать её в сигнал для последующей обработки и регулировании контролирующим прибором. Проще говоря, он является преобразователем одной величины (температуры) в другую величину (электрический ток, сопротивление), которую способен обработать прибор (к примеру, регулятор температуры) и на основании полученных данных выполнить действия, для которых создаётся сам этот прибор. К примеру, при достижении температуры выше заданной прибор может отключить исполнительный механизм для остановки источника (среды) нагрева.

Виды датчиков температуры

Ввиду того что условия и диапазоны измерений для разных задач могут сильно отличаться, а требования к измерению различных температурных параметров быть разными, соответственно, и для выполнения тех или иных задач термопреобразователь должен соответствовать этим условиям и определённым требованиям. Поэтому они могут быть разными и использовать в работе различные свойства материалов. Таким образом, датчики бывают:

  • Полупроводниковые;
  • Терморезистивные;
  • Акустические;
  • Термоэлектрические;
  • Пьезоэлектрические;
  • Пирометры.

Коротко опишем особенности каждого из них, чтобы можно было представлять, в каких случаях необходимо использовать тот или иной прибор.

Полупроводниковые термоэлектрические

Термопреобразователи этого типа востребованы в производствах, так как являются недорогими и довольно точными приборами с низкой погрешностью. Под воздействием температуры такой датчик регистрирует изменения в свойствах p-n перехода. Здесь может использоваться практически любой диод или же биполярный транзистор. Высокая точность полупроводниковых термодатчиков достигается за счёт зависимости напряжения на транзисторе от абсолютной температуры.

Терморезистивные термоэлектрические преобразователи

Основными положительными сторонами подобных термодатчиков является их долговечность, стабильность и высокая чувствительность. Они прекрасно вписываются практически в любую схему.

Работа таких термопреобразователей основывается на изменении сопротивления под действием температуры на проводник или полупроводник. Проще говоря, они содержат в своей конструкции терморезистор, который реагирует на изменение замеряемой среды.

В зависимости от материала, используемого в терморезистивных термодатчиках, их разделяют на:

  1. Кремниевые резистивные, которые отличаются долговременной стабильностью и высокой точностью.
  2. Резистивные детекторы температуры, отличающиеся высокой стабильностью, прочностью и точностью. В основе их работы заложена способность металлов изменять своё сопротивление при воздействии температуры. Чаще в таких датчиках используют платину или медь, а при контроле особо высоких температур — вольфрам. Единственным их недостатком является относительно высокая стоимость.
  3. Работа термисторов основана на использовании металлооксидных соединений. Применяют их лишь для замеров абсолютных температур. Основным из минусов можно выделить необходимость калибровки и недолговечность.

Акустические бесконтактные устройства

Такой тип температурного датчика применяется преимущественно для измерения высоких температур. Принцип действия их основан на изменении характеристик звука при различных температурах. Состоит такой термодатчик из приёмника и излучателя. Звук, проходя через исследуемую среду, попадает в приёмник, где фиксируются его параметры, и на их основе определяется температура.

Акустические термодатчики часто используются в медицине и там, где невозможно измерить температуру контактными способами. Одним из основных их недостатков является низкая точность измеряемых температур и высокая погрешность вследствие дополнительных особенностей.

Термоэлектрические датчики

Термоэлектрические датчики, или, проще говоря, термопары отличаются широким спектром измеряемых показателей — от -200 до 2200 градусов Цельсия. При этом их возможности зависят от использованных материалов. Так, термопары из неблагородных металлов позволяют измерять температуру до 1100 °C, с благородными до 1600 °C, а для замера особо высоких терморежимов используются термопары с тугоплавкими металлами типа вольфрама.

Принцип работы термоэлектрических датчиков основан на эффекте Зеебека, т. е. используются спаи разнородных металлов, образующих замкнутый контур, в котором возникает электрический ток, когда места спаев имеют различную температуру. Состоит термопара из двух концов: рабочий и свободный. Первый погружается непосредственно в рабочую среду, а второй нет. Таким образом, возникает разность температур, что отображается в виде выходного напряжения, которое фиксируется мультивольтметром, зачастую входящим в комплект с термоэлектрическим датчиком.

Пьезоэлектрические кварцевые приборы

Принцип работы датчика температуры пьезоэлектрического основан на использовании кварцевого пьезорезонатора. Используемый в нём пьезоматериал исполняет роль резонатора. Когда на него подаётся электрический ток, то этот материал начинает колебаться при воздействии разных терморежимов, и частота колебаний также изменяется, что и положено в основу пьезоэлектрических датчиков.

Бесконтактные термопреобразователи пирометры

Бесконтактные датчики, способные фиксировать тепловое излучение от нагретых тел, называются пирометрами. Удобство подобных приборов заключается в том, что нет необходимости помещать его непосредственно в среду. Однако без прямого контакта точность их показаний относительно низка, ведь здесь могут присутствовать побочные явления, влияющие на показания.

Существует три типа пирометров:

  1. Интерферометрические пирометры испускают два луча, которые проходят один через среду, а второй является контрольным. Два этих луча попадают на кремниевый чувствительный элемент, после чего сравнивается преломление и длина лучей, непосредственно зависящие от нагрева среды.
  2. Флуоресцентные термодатчики работают по более сложному принципу: на поверхность, где необходимо замерить количество тепла, наносятся компоненты на основе фосфора. После этого объект подвергается ультрафиолетовому импульсному излучению, в результате чего происходят определённые реакции, а излучение подвергается анализу.
  3. Датчики, которые содержат растворы, способные менять окраску под воздействием температур. Хлорид кобальта, применяемый в подобных пирометрах, при контакте с измеряемой средой способен изменять цветовой спектр в зависимости от степени нагрева. Таким образом, величина света, проходящего через раствор, позволяет измерять необходимые термопараметры.

Правила выбора

Все вышеперечисленные датчики превосходно выполняют свои функции в заданных пределах. Однако нужно понимать, что выбирать и использовать их необходимо исходя из требований в конкретно взятом случае.

Поэтому при выборе того или иного термопреобразователя стоит уделять внимание следующим моментам:

  1. Величина температурного диапазона.
  2. Возможность погрузить датчик в измеряемую среду. Если такая возможность отсутствует, то стоит прибегнуть к помощи пирометров или акустических датчиков.
  3. Условия измерения являются одним из наиболее важных моментов при выборе датчика. Здесь стоит учитывать не только агрессивность среды, но и такие параметры, как: давление, влажность и т. д. Поэтому выбирать стоит либо бесконтактные датчики, либо в коррозиестойких корпусах.
  4. Природа выходного сигнала всегда также должна учитываться. Ведь одни термопреобразователи могут сразу пересчитать сигнал в градусы, а другие выдают его лишь в величине тока.
  5. Некоторые датчики довольно нестабильны и недолговечны, что также стоит брать во внимание. Поэтому если требуется долгая работа без замены и калибровки, то этот нюанс также должен быть учтён.
  6. Нелишним будет при выборе датчика под определённые потребности обращать внимание и на время срабатывания, разрешение и погрешность, рабочее напряжение питания, тип корпуса.

Учтя все вышеперечисленные нюансы, можно подобрать датчик, полностью соответствующий по своим характеристикам в отдельно взятой ситуации и для конкретно поставленных задач.

220v.guru

Кой-чего про датчики температуры. — DRIVE2

Преамбула или «откуда выросли ноги».

Я сделал свой собственный блок для управления вентиляторами охлаждения двигателя – дабы поддерживать на нужном уровне температуру двигателя. Понятно, что он в качестве исходной информации этот блок должен знать эту самую температуру. Отсюда и возник вопрос – а откуда ее брать. У меня Патриот 2007г издания, блок управления двигателем – Микас-11. В этом варианте штатно на корпусе термостата стоят два датчика температуры – двухконтактный, сигнал от которого идет в электронную систему управления двигателем (ЭСУД) и одноконтактный – от него работает показометр температуры на приборной панели. Использовать ни тот, ни другой мне не хотелось. Датчик для ЭСУД не хотелось использовать дабы не вносить своими ручонками погрешности в работу ЭСУД. Датчик показометра не хотелось использовать именно по причине его одноконтактности, то есть второй провод от него – это корпус двигателя. А весь мой предыдущий опыт конструирования электроники, работающей с исходными сигналами малого уровня, говорил что при использовании источника глухо сидящего своей сигнальной землей на корпусе, по которому могут течь неконтролируемые большие токи, проблема помех может оказаться плохоразрешимой. Еще одна причина для использования своего отдельного датчика – это желание отслеживать температуру двигателя после выключения зажигания, чтобы вентиляторами сгладить температурный выбег после прекращения циркуляции охлаждающей жидкости в системе. А в этом случае со штатных датчиков после выключения зажигания снимается питающее напряжение.

Итак я решил что у моей системы будет свой собственный датчик температуры. Казалось бы в этом случае он вообще может быть любым. Но мне хотелось чтобы это была более-менее распространенная стандартная деталь, дабы при выходе из строя ее можно было бы заменить купленной в магазине. Или даже если я применю что-то свое нестандартное, то такая замена на стандартную должна быть возможной (хотя бы на какое-то время) без всякого «напилинга», пусть с возможным некоторым ухудшением характеристик. И я обратил свой взор на датчики температуры, применяемые в ЭСУД отечественных двигателей. Все они конструктивно выполнены двухконтактными, электрически изолированными от корпуса – что мне и надо было.

С точки зрения электрической типов датчиков всего два – это полупроводниковая микросхема, изображающая из себя стабилитрон с положительным (и постоянным!) температурным коэффициентом, и терморезистор. Первый из этих типов называется 19.3828 или 42.3828 или 405226 в зависимости от производителя. Выглядит так:

Датчик 19.3828

Присоединительная резьба М12х1.5, разъем прямоугольный с плоскими контактами шириной 3.8мм. Интернет говорит о том что бывают и другие конструктивные варианты исполнения датчика с точно такими же электрическими характеристиками, но в жизни я их не видел.
Терморезистор же могут упаковывать в разные корпуса, отличающиеся разъемами (прямоугольный, более старый, и овальный, более современный) и присоединительной резьбой – метрическая М12х1.5 или коническая дюймовая К3/8” — итого четыре варианта, все (три точно есть) реально существуют (и нафига нужен был такой зоопарк – непонятно). Но наиболее распространенный имеет овальный разъем и резьбу М12х1.5. Маркировка такого датчика – 23.3828, 423.3828 или 405213 в зависимости от производителя. Вот он:

Датчик 23.3828

Есть довольно экзотический вариант такого датчика(423.3828) – в полностью пластиковом корпусе. Производит его калужское предприятие «Автотрейд». Производитель утверждает что такой вариант обладает более высоким быстродействием, нежели металлический. Я приложил некоторые усилия и купил пару таких датчиков. Вот:

Датчик 423.3828П

Что меня интересовало.

Для всех этих двухконтактных датчиков производители косвенным образом нормируют точность в +-2С. Косвенным – потому что нормирован разброс электрических параметров при некоторой температуре, но если этот разброс пересчитать в температуру то и получается +-2С. В скобках замечу что для одноконтактного датчика для показометра (ТМ106-11) этот же параметр получается +-4С.
Но меня интересовал фактический разброс от экземпляра к экземпляру. Понятно что купить ради такого интересу по десятку штук каждого датчика (что было бы правильным на самом деле) кажется сумасшедствием, но по паре я купил.
Что больше интересовало – это быстродействие датчиков. Интерес этот появился через некоторое время после установки системы на автомобиле. При работе на холостом ходу температура гуляет в пределах трубы в 2-3С с периодом порядка 90 секунд. Причина следующая. Датчик установлен в трубе идущей от термостата в радиатор – на самом корпусе термостата для еще одного датчика в моем случае места не нашлось, да и не это главное по-видимому. Более существенно что при повышении температуры вентилятор начинает охлаждать ОЖ в радиаторе и проходит некоторое время, пока эта охлажденная порция ОЖ попадет в двигатель и охладит его, после чего снизится температура и на выходе из движка – лишь только тогда датчик «увидит» снижение температуры и уменьшит обороты вентилятора. А пока датчик не «увидел» снижения температуры – вентилятор продолжает охлаждать радиатор, в результате чего температура ОЖ излишне понижается. Ну и этот процесс весь повторяется. Дело известное в системах автоматического регулирования с обратной связью и в придачу с задержками в петле обратной связи. Известное, но вообще говоря считается не очень правильным иметь процесс регулирования с колебаниями. Понятно что задержек не избежать, но минимизировать их хочется, посему хотелось узнать характеристики датчиков по быстродействию.

Что я сделал.

Датчики запитывались через резистор 316 Ом от источника в 5 вольт и подключались ко входу АЦП. Оцифрованный сигнал записывался компьютером и потом в Excel’e полученные данные пересчитывались в температуру.
Датчики погружались в сосуд с водой по начало крепежного фланца. То есть вся резьбовая часть оказывалась в воде, а крепежный шестигранник – на воздухе. Сосудов было два – в одном вода комнатной температуры, в другом горячая. Горячая вода не термостабилизировалась – наливалась из чайника и постепенно остывала. Интерес представлял переходный процесс при переносе датчика из одного сосуда в другой.

Результаты.

На всех графиках по горизонтали шкала в секундах, по вертикали в градусах Цельсия.
Датчики 19.3828 (стабилитрон). Переходный процесс:

Переходный процесс датчиков 19.3828

Разница в температурных показаниях не превышает 0.4С – но это фактически разрешающая способной моей измерительной аппаратуры для этого датчика. Постоянная времени переходного процесса (усреднено) ~ 21 секунды. Практически одинаковое для обоих экземпляров. Для тех кто не в курсе – это время от начала воздействия «ступенькой» до достижения 63% (если быть точным то до 1 – 1/е) величины этой ступеньки.

Датчики 423.3828 в металлическом корпусе. Терморезистор.

Переходный процесс датчиков 423.3828

Здесь на устоявшихся режимах температурная разница не превышает 0.2С (разрешение метода для этого типа датчика примерно 0.1С). А вот переходный процесс заметно разный по времени. Для датчика #1 (синяя кривая) постоянная времени составляет 18.3 секунд, для датчика #2 (лиловая кривая) – 27 секунд.

Датчики 423.3828 в пластиковом корпусе. Тут, увы, у меня что-то сглюкнуло и большая часть данных потерялась. Удобоваримая осталась только вот эта часть.

Переходный процесс датчиков 423.3828 в пластиковом корпусе

То, что сначала графики идут не из одной температурной точки есть следствие их недостаточного охлаждения на предыдущей стадии эксперимента. А при их нагреве до устоявшегося состояния разница в показываемой температуре, как и в предыдущем случае, не превышает 0.2С. Подсчитанная постоянная времени для датчика #3 (синяя кривая) составляет 22.2 секунд, для датчика #4 (лиловая кривая) – 18.3 секунд.

Сторонник использования одноконтактного датчика (тот что для приборки) Александр kineskop утверждал, что этот одноконтактный датчик гораздо быстрее двухконтактных. Дабы проверить это утвеждение я купил один такой датчик (его тип – ТМ106-11) и испытал его.

Переходный процесс датчиков ТМ106-11

Постоянная времени составляет 12.5 секунд. Действительно быстрее реагирует на изменение температуры. Но — абсолютная же погрешность этого конкретного датчика составляет -2С при температуре около 20С и -4С при температуре около 60С. Просто у меня есть достаточно точный образцовый термометр и, поскольку датчик этот я купил один, то решил сравнить его хоть с чем-нибудь.
Для более наглядного сравнения временных характеристик вышеупомянутых датчиков я свел процесс нагревания их в единые координаты. На них нулю температуры соответствует начало нагрева, а единице – максимальная температура нагрева. Масштаб же оси времени сохранен, но начало нагрева сведено в одну точку по времени. Вот что получилось.

Нормированные переходные характеристики датчиков температуры

Более подробно начальный участок.

Начальный участок переходных характеристик датчиков температуры

Зеленая горизонтальная линия – уровень отсчета для постоянной времени(63%).

Меня заинтересовало почему у терморезисторов в металлическом корпусе такой разброс постоянной времени. Я один из датчиков распилил. И вот что увидел.

Потроха датчика 23.3828

На фотке – корпус, пластиковый разъем с зажатым в нем терморезистором, уплотнительное резиновое кольцо и пленка-изолятор. На корпусе терморезистора было очень небольшое количество теплопроводящей пасты (капля) – я её стер в попытке увидеть написанный номинал терморезистора, но на нем никаких надписей не было. Латунное колечко на черном пластике – это отпиленная завальцовка.

Это фотка корпуса со вставленным в него уплотнительным кольцом и прозрачной пленкой изолятором. Пленка довольно жесткая и прилегает к стенкам корпуса она плохо. На пленке видны остатки термопасты, они только внутри пленки, между самой пленкой и стенкой корпуса никакой термопасты не было. То есть тепловой контакт между самим терморезистором и наружней стенкой корпуса во-первых плохой и во-вторых сильно зависит от того сколько термопасты положат и как хорошо будет прилегать пленка к корпусу. Вот и причина разброса постоянной времени скорости прогрева терморезистора. Но это еще не все.

На этой фотке я сложил пластиковую вставку с терморезистором и корпус рядом так, чтобы было видно насколько глубоко сидит терморезистор внутри корпуса. И видна полная фигня – терморезистор сидит на половине глубины всего датчика, причем хоть какой-то тепловой контакт он имеет лишь с боковой поверхностью корпуса датчика. То есть тепло от конца датчика должно доползти до середины и потом через плохо прилегающую изоляционную пленку и кое-как нанесенную термопасту уже дойти до собственно чувствительного элемента.
Мне стало совсем любопытно и я распилил датчик с микросхемой, изображающей термозависимый стабилитрон. Это оказалось заметно более трудоемкой задачей. Вот что я увидел.

Распиленный датчик 19.3828

То же с другого ракурса.

В отличие от предыдущего датчика, который был завальцован, этот датчик залит компаундом. Отпиливание верхнего пояска металлического корпуса дало немного – я оторвал корпус разъема и все. Пришлось распилить корпус вдоль.

Распилил вдоль

Вся сердцевина оказалась залитой компаундом. Это лучше нежели воздух с точки зрения теплопроводности, но вот по сравнению даже с простейшей термопастой (КПТ-8) непонятно лучше или хуже. После выдергивания компаундной сердцевины и некоторого расковыривания ее обнаружился сам датчик.

Внутри — LM235. Ожидаемо.

Ну я почти не сомневался что увижу там либо отечественную микросхему серии 1019 либо импортный прототип LM135 или LM235. Что и видно на фотке.

Вот где живет чувствительный элемент внутри корпуса.

После засовывания обратно в корпус хорошо видно что чувствительный элемент находится вовсе не на конце датчика. Находится он в районе начала крепежной резъбы, и поэтому датчик будет реагировать скорее на температуру корпуса куда он ввинчен, чем на температуру омывающей его жидкости. Это не очень хорошо вообще – наружняя поверхность корпуса двигателя может обдуваться воздухом и потому иметь несколько не ту температуру что у ОЖ. А для меня плохо совсем – позднее поясню почему. Но вообще исполнение производит гораздо лучшее впечатление нежели предыдущий вариант – при такой сплошной заливке тепловые характеристики от датчика к датчику будут гораздо более стабильными.

Лирическое размышление.

Я задумался — а почему у датчиков такой разброс временных характеристик и почему производители про них ничего не говорят? И тут вспомнил интернетовские разговоры чиповщиков, которые упоминали что после прогрева до 75С коррекция по температуре уже не проводится (речь правда шла про уже теперь старый Микас-7, но тем не менее…). То есть получается что активно датчиком температуры пользуются только на прогреве, процесс этот не очень быстрый и видимо там не важно за 5 секунд отработает датчик изменение температуры или за 30. Но мне-то датчик нужен для другого — при периоде колебаний процесса управления 90 секунд задержка от датчика в 30 секунд очень даже заметна должна быть…

Разглядывание распиленных датчиков навело меня на мысль – а не сделать ли датчик самому с целью получения более высокого быстродействия. Посему — продолжение следует…

www.drive2.com

Что такое датчик температуры, и для чего он нужен?

Датчик температуры представляет собой относительно простое устройство, которое измеряет и сравнивает с эталонной степень нагрева охлаждающей жидкости в двигателе. Данные, полученные с этого прибора, поступают в электронный блок управления (ЭБУ), где обрабатываются и сообщают бортовому компьютеру о состоянии мотора автомобиля. В связи с этим подобное устройство считается важным и незаменимым, поскольку именно от него зависит режим и качество работы двигателя.

Датчик температуры масла оказывает влияние на систему управления автомобилем и мотором в частности. К примеру, величина импульса открытия форсунок. Изменением данного параметра можно изменить качество работы двигателя на холостом ходу, расход топлива, состав топливной смеси и многое другое. Помимо этого, датчик температуры будет воздействовать на угол опережения зажигания, что, в свою очередь, приведет к изменению количества отработавших газов, расхода топлива, а также колебаниям эксплуатационных характеристик автомобиля. Продувка фильтра в системе улавливания паров топлива, состав топливной смеси, рециркуляция отработавших газов, обороты холостого хода – все это зависит от подобного устройства, установленного в системе охлаждения.

Датчик температуры представляет собой терморезистор, который меняет свое сопротивление при изменении величины нагрева охлаждающей жидкости в системе двигателя. Подобное устройство традиционно располагается либо на корпусе термостата впускного коллектора, либо же на головке цилиндра. Последний случай размещения предусматривает установку двух датчиков, один из которых находится на электронном блоке управления, а другой – на вентиляторе. Либо же возможен вариант расположения парных устройств на каждом из блоков цилиндров.

Неисправный датчик температуры может привести к значительному ухудшению ходовых характеристик автомобиля, увеличению расхода топлива, ухудшению состава отработавших газов, а также к общему ухудшению управления автомобилем.

Однако не все могут сразу распознать характерные особенности, свидетельствующие о поломке. Поэтому далее в статье будут рассмотрены основные признаки неисправности. Цифровой датчик температуры в широком смысле представляет собой электронное устройство. То есть это несколько приборов, соединенных между собой сетью проводов. Вследствие чего основной проблемой становится плохая проводка, обрыв контакта или заржавевшее соединение. Кроме того, особое место в устройстве занимает термостат. Если он открыт, то прогрев двигателя будет медленным, при этом датчик будет давать сигнал о низкой температуре мотора. В том случае, если конкретное устройство не подходит под модель вашего автомобиля, или же его вовсе нет, то также будут поступать сигналы о том, что двигатель еще не достиг рабочих температурных величин.

Выявить имеющиеся неисправности датчика температуры можно при тщательном визуальном осмотре (ржавчина, обрыв провода) или же во время прохождения компьютерной диагностики.

fb.ru

Датчик температуры – энциклопедия VashTehnik.ru

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.

vashtehnik.ru

Температурный датчик

На сегодняшний день все процессы, связанные с технологией,  в основном работают в автономных режимах, поэтому такие устройства как темпераурный датчик просто необходимы. Поскольку технический прогресс идет по промышленности и производству семимильными шагами, все оборудование, наиболее часто использующееся в разного рода процессах и работах, имеет автоматический принцип работы.

 

Однако для продуктивной работы, пусть и автоматизированных агрегатов необходимо соблюдение всех точных показателей, при которых работоспособность устройства будет наиболее высокой. К таким показателям относятся величины, а именно необходимое, точнее рабочее давление, скорость, и температура. Дабы не происходил быстрый износ и перегрузка автоматизированной техники, температурный уровень необходимо измерять. Конечно делается это не простым термометром или градусником. Для этих целей применяются специальные устройства, такие как температурные датчики.


Разновидностей данных устройств насчитывается множество. температурные датчики подразделяются на виды и бывают: терморезистивными, полупроводниковыми, термоэлектрическими, бесконтактными (пирометры), акустическими и пьезоэлектрическими. Теперь более подробно о каждом из видов.

 

Терморезистивные температурные датчики


Терморезистивные температурные датчики работают по принципу изменений электросопротивления при температурных изменениях. Рабочим электрическим элементом служит резистор, который меняет свое сопротивление в зависимости от изменений температуры вокруг. Их большим преимуществом является то, что они достаточно износостойкие, а потому работают достаточно долго, стабильно. Еще немаловажным является то, что данные датчики сверхчувствительны, при этом просты в обращении.

 

 

Полупроводниковые температурные датчики производят регистрацию изменения характеристик работы, которые происходят под влиянием изменения температур. Данные датчики довольно дешевы, при этом их работоспособность достаточно высокая, погрешность их данных является очень низкой. Все приведенные характеристики делаю эти температурные датчики довольно востребованными на сегодняшний день.


Термоэлектрические температурные датчики, иначе называемые термопарами, работают по принципу относительных устройств, то есть напряжение на выходе напрямую зависит от разницы температур двух частей, а практически не зависит от их абсолютных значений.

 

 

 

Температурные пирометры, датчики, которые бесконтактным способом регистрируют излучаемое телами тепло. Главным качеством данного температурного датчика является то, что необходимости соприкосновения с контролируемой средой нет. Данные датчики так же подразделяются на три вида и бывают флуоресцентными, интерферометрическими и на основе меняющих цвет специальных растворов.


Акустические температурные датчики при изменениях температур изменяют скорость, при которой звук распространяется в газах. Работает на основе излучателя, пускающего сигнальные звуки и приемника, который считывает скорость звука. Данные устройства так же работают бесконтактным образом.

 

Пьезоэлектрические температурные датчики


Пьезоэлектрические температурные датчики совершают работу посредством кварцевого пьезорезонатора,  частота колебаний которого прямо пропорционально зависит от изменений температуры, таким образом, и происходит слежение за температурным уровнем.


Для качественной работы температурные датчики должны периодически подвергаться такой операции как калибровка, или иными словами настройка точности. Использование температурных датчиков в агрессивных средах должно производиться в специальных защитных материалах либо в антикоррозийных сосудах. Как и любое другое устройство, температурный датчик должен использоваться по всем правилам и техникам безопасности.

 

promplace.ru

Как работает датчик температуры двигателя?

Датчик температуры в двигателе обеспечивает раннее предупреждение о его перегреве мотора, что позволяет водителю остановить и заглушить автомобиль прежде, чем произойдет его повреждение из-за такого перегрева. В очень холодную погоду датчик температуры может также показать Вам, если двигатель ещё не прогрелся, а на непрогретом двигателе ездить также очень вредно для него.

Датчики показывают текущую температуру двигателя за счёт специального указателя, который постепенно поднимается вверх, когда Вы включаете зажигание. Блок датчика позволяет силе тока менять своё значение в зависимости от температуры двигателя за счёт нагревательной катушки внутри датчика. Биметаллическая полоска внутри катушки поворачивается на величину, зависящую от величины силы тока, и отклоняет указатель по калиброванному циферблату, чтобы дать водителю относительно точные показания температуры двигателя.

Система измерения температуры, как правило, состоит из двух элементов: сам датчик и блок датчика, который контролирует датчик, соединяясь с ним проводом.

Типы датчиков температуры

Есть два основных типа механизмов датчиков температуры двигателя:

  • магнитные датчики
  • биметаллические датчики

Вы сможете определить, какой тип из этих двух расположен в Вашем автомобиле, по тому, как он реагирует, когда Вы включаете зажигание. В случае магнитных датчиков указатель сразу же даёт показания температуры, а вот биметаллические датчики медленно толкают стрелку к чтению после включения зажигания.

Температурные датчики двигателя встроены в корпус приборной панели автомобиля. Блок датчика, однако, может быть в одном из следующих нескольких мест:

  • корпус термостата,
  • головка блока цилиндров
  • верхний шланг радиатора.

В некоторых случаях датчик может быть и в иных местах, но во всех случаях датчик находится на магистрали течения охлаждающей жидкости на выходе из двигателя.

Магнитные датчики

Магнитные датчики, называемые также движущимися датчиками - это пара катушек, по одной на каждой стороне поворотной железной арматуры, которая держит и контролирует стрелку указателя. Катушки подключаются непосредственно к электрической сети автомобиля - одна из них контактирует напрямую с корпусом двигателя, а на другую подаётся ток от датчика, сопротивление которого как раз и изменяется в зависимости от температуры двигателя. Ток, протекающий через катушки, создаёт магнитное поле, которое перемещает указатель в ту или иную сторону. Величина перемещения зависит от разницы в магнитных полях, создаваемых двумя катушками. Эта разница, в свою очередь, зависит от размера тока, пропускаемого через сенсорный блок.

Биметаллические датчики

В биметаллических датчиках главную роль играет металлическая полоса и намотанная вокруг неё проволока, через которую проходит ток. Если Вы читали статью о том, как работают спидометры, то Вы уже знаете эту систему биметаллических датчиков. Суть её в том, что чем выше температура двигателя, тем больше тока поступает от сенсора, который нагревает обмотку вокруг пластины. Нагрев заставляет пластину немного растягиваться и изгибаться, передвигая на нужную откалиброванную величину стрелку указателя температуры двигателя.

В таком типе датчика, чтобы избежать ошибок, вызванных изменениями напряжения питания автомобиля из-за электрической нагрузки и скорости генератора, в цепочку датчика включен стабилизатор напряжения. Стабилизатор напряжения работает по принципу биметаллической ленты и сохраняет напряжение в постоянном диапазоне от 8 до 10 Вольт.

howcarworks.ru

Датчик температуры охлаждающей жидкости в автомобиле

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания оборудована датчиком температуры, который показывает, на сколько нагрета охлаждающая жидкость. От ее температуры будет зависеть оптимальность созданной топливной смеси.

Зачем нужен датчик температуры охлаждающей жидкости?

С помощью датчика в системе ДВС можно постоянно контролировать температурные показатели внутри двигателя. Когда мотор работает, происходит повышение температуры его главных узлов. Для того, чтобы забрать это тепло, которое концентрируется в цилиндрах, и нужна эта охлаждающая жидкость. Во время заборов тепла температура цилиндров и блока меняется. Именно эти колебания фиксируются датчиком температуры охлаждающей жидкости, после чего информация поступает на электронный блоку управления автомобиля. После того, как сигнал принят, становится понятно, каково состояние мотора, то есть работает ли он при заданной температуре, холодный он или слишком нагретый, как именно прогревается.

Эти факты являются крайне важными для системы управления двигателя, потому что, благодаря им, можно подправить все главные показатели работы движка. Если знать температуру мотора, то ЭБУ сможет выбрать наиболее оптимальный режим работы для него, а это очень хорошо сказывается на управляемости авто. Благодаря этому датчику, управляющая система может выполнять такие функции:

1) Выставить опережение или запаздывание зажигания. Если угол зажигания выставлен правильно, то объем отработанных газов будет значительно меньшим, машина будет потреблять меньше горючего, а работа двигателя в целом будет более рациональном;

2) Обогащается бензин в случае машины с системой впрыска горючего. Сразу после того, на блок управления приходит сигнал о том, что температура движка малая, то есть мотор холодный, то он моментально увеличивает продолжительность импульса, который передается форсункам, за счет чего исключаются колебании во время прогревания двигателя, а также обеспечивается оптимальность его работы в режиме холостого хода. Когда температура повышается, то горючая смесь обедняется блоком, из-за чего машина выдает меньший выхлоп, а расход бензина падает. Если датчик не работает, то ЭБУ не может контролировать процессы в двигателе и моторе, от чего смесь становится чрезмерно обогащенной (что не совсем нужно), загрязняется и потребляется в чрезмерном количестве.

3) Изменение и контроль над параметрами горючей смеси в условиях замкнутого и разомкнутого контура. В случае поломки ДТОЖ, ЭЮУ не среагирует на импульсы от кислородного датчика (до тех пор, пока хладагент не нагреется или не остынет до нужной температуры), то есть блок управления будет лишен обратной связи (он ведь не видит каков номер посыла), а от этого не будет улучшен холостой ход, а топливная смесь не будет обогащена для работы в холодном моторе. Говоря простыми словами, работа мотора полностью нарушится.

Кроме всего прочего, температурный датчик нужен для осуществления контроля над вращением коленчатого вала, продувкой элемента для фильтрации в механизме улавливания паров от топлива, блокировкой при прогревании муфты гидротрансформатора коробки передач, повышением оборотов на холостом ходу.

Что собой представляет современный ДТОЖ – его устройство

Если рассмотреть температурные датчики, которые изготавливались до недавнего времени, то они представляли собой обыкновенное термореле, выполняющее свою функцию, то есть держать температуру движка на нужном показателе, только при условии, что контакт закрыт. А вот обогащать топливную смесь он мог, наоборот, при открытом контакте.

Современные ДТОЖ обладают более широким функционалом, а вероятность его поломки сведена к минимуму. Такие датчики крайне редко выдают «глюки», так как их схема работы очень надежная и продуманная. Датчики, которые выпускаются сегодня, представлены в виде резистора (термистора), способный в секунды менять показатель своего сопротивления в зависимости от температурных колебаний. Эти резисторы выполнены из никелевого, кобальтового оксидов или других материалов, которые обладают характеристиками полупроводника. Когда температура повышается, то в термисторе увеличивается число свободных электронов, из-за чего уменьшается его сопротивление.

Резистор, то есть датчик температуры охлаждающей жидкости, помещают в защитный корпус, который способен проводить тепло. В корпусе есть электрический соединительный разъем и специальная крепежная резьба. У термистора температурный коэффициент отрицательный, поэтому его сопротивление максимально только тогда, когда мотор холодный. Когда температура повышается, то сопротивление уменьшается вместе с напряжением температурного датчика. Начальное сопротивление равно примерно 5 вольтам. ЭБУ определяет температуру охладителя по показаниям этих «скачков».

Следует отдельно отметить, что по последним разработкам вместе с основным датчиком, который расположен в выпускном патрубке ГБЦ, устанавливают и дополнительный, который локализируют в выходной точке радиатора. Благодаря такой схеме температура определяется более совершенным способом. Именно из-за наличия второго температурного датчика ЭБУ более качественно выполняет свои функции.

Проверка датчика температуры охлаждающей жидкости

Любой серьезный дефект датчика (разные «глюки», создаваемый для ЖБУ помехи) можно решить единственным способом – заменить датчик. Смешить с этим делом никак нельзя. Сначала нужно продиагностировать двигатель с помощью специальных компьютерных программ, которые всего за несколько минут проверят датчик вместо со всеми параметрами системы охлаждения, после чего будет выведен код одной или нескольких ошибок, которые мешают нормальной работе ДТОЖ. Если знать этот номер, то можно будет эту ошибку сбросить и покидать стены автосервиса.

Если менять датчик действительно нужно, то есть он продолжает глючить даже после того, как были сброшены ошибки, то устанавливать нужно только оригинальное устройство, маркировка которого совпадет со старым датчиком. Совет специалистов таков: «левые» изделия ставить нельзя, так как предусмотреть последствия от их установки невозможно. Каков бы ни был производитель, неоригинальное устройство почти сразу начнет подтормаживать и глючить.

Диагностировать неисправности ДТОЖ можно и «на глаз». Так можно будет заметить, есть ли где-то отверстия, из которых вытекает охладитель, появились ли в корпусе датчика трещины, заржавели ли зажимы. Если такие неисправности имеют место быть, то датчик можно не менять. Для более серьезной проверки датчика на работоспособность нужно измерять его сопротивление и напряжение. Определить эти показатели можно с помощью вольтметра и осциллографа, которые есть на любой станции технического обслуживания. После получения результатов, показания нужно сравнить с теми, которые указаны в технической документации самого датчика. Если грамотно проверить ДТОЖ, то можно точно определить, почему он неисправен. Причины могут быть следующими:

- оборвалась проводка;

- вышел из строя термостат или вентилятор для охлаждения;

- где-то происходит потеря напряжения или короткое замыкание и т.д.

Можно долго гадать о том, почему же датчик температуры работает неправильно, но окончательный вердикт можно вынеси только после проведения профессиональной диагностики специалистом. И последнее – менять описанное устройство можно только после того, как в системе охлаждения останется очень незначительное количество жидкости для охлаждения. Слить нужно столько субстанции, чтобы датчик возвышался над жидкостью, а не находится в ней.

Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.

Была ли эта статья полезна?
Да Нет

auto.today

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о