В основу конструкции какого датчика положен термоанеометрический эффект

Обновлено: 19.05.2024

Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды. При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона.

Вопрос экспертуЗачем нужен вольтметр при подборе термопары?Вольтметром измерить контактную разность потенциалов не удастся, однако на вольт-амперной характеристике она себя проявит, так например она проявляет себя в транзисторе и в диоде на p-n переходе.

Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.

Дополнительный материал: Как смастерить лабораторный блок питания самостоятельно.

Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.

Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями. Итак, есть два спая двух разных проводников. Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.

Принцип работы термопары.

Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной. Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев. И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.

Чем отличаются параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Читать далее Металлоискатель пират своими руками подробная инструкция. Читать далее Что такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения. Читать далее

Так и работают термопары. Описанное явление относится к термоэлектрическим, а сам эффект, на базе которого работают все термопары, называется эффектом Зеебека, в честь его первооткрывателя — Томаса Зеебека. Сегодня можно встретить промышленные термопары, у которых, в зависимости от требуемого измеряемого диапазона температур, электроды изготавливают из специально подобранных сплавов.

К примеру термопары из сплавов хромель и алюмель имеют коэффициент термо-ЭДС, равный 40 микровольт на °C, и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°C. А пара медь-константан, столь популярная в качестве демонстрационного пособия, позволяет измерять температуры от -185 до +300°C.

Принцип работы

Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком в далёком 1821 году. Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Как работает термопара.

Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт. Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем. Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.

Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором. Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары. Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к. это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.

Устройство термопары.

Конструкция устройства

Современные термопары изготавливаются различной формы и длины. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:

бескорпусные термопары;
термопары с защитным кожухом.

Первые представляют собой изделие, у которого место соединения двух проводников не закрыто и не защищено от внешних воздействий. Такое исполнение позволяет достичь быстрого времени измерения температуры и низкой инертности. Второй тип термопары выпускается в виде зонда. Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, выдерживающим высокую температуру. Внутрь зонда помещается термоэлектрический элемент термопары. Благодаря такой конструкции термоэлемент защищён от влияния агрессивных сред различных технологических процессов.

Термопара типа J.

Холодный спай

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору. В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры. Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Термопара газовой плиты.

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Из чего состоит термопара.

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

Схема подключения термопары

Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
Подключение с помощью компенсационных проводов;
Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.

Способы измерения температуры при помощи термопар

При измерениях следует определится, что Вы ставите в приоритет — оптимизацию для простоты или точности и гибкости.

Оптимизация для простоты

Суть в включении в схему измерения усилителя AD8495, специализированного на термопарах типа К. Выбор этого варианта не требует написание программы и имеет простой тракт сигнала.

Диапазон температуры измерительного спая

Диапазон температуры эталонного спая

Точность при 25°С

±3°С (группа А) ±1°С (группа С)

Оптимизация для точности и гибкости

Тут мы имеем для измерения малых напряжений термопары схему со сверхточным АЦП и измерение температуры спая высокоточным термодатчиком. Можно использовать с термопарами J-, K- и Т- типа. Управление видеться от микроконтроллера.

Диапазон температуры
измерительного спая

Диапазон температуры эталонного спая

Погрешность измерений

Правильность температурных показателей, получаемых с помощью термопары, зависит от материала контактной группы, а также внешних факторов. К последним можно отнести давление, радиационный фон либо иные причины, способные повлиять на физико-химические показатели металлов, из которых изготовлены контакты.

состоит из следующих составных частей:

случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

погрешность контрольной аппаратуры.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
ТЖК – железо-константановые (тип J);
ТМКн – медь-константановые (тип T);
ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
ТХКн – хромель-константановые (тип E);
ТХК – хромель-копелевые (тип L);
ТМК – медь-копелевые (тип M);
ТСС – сильх-силиновые (тип I);
ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Рис. 5. Типы спаев

И – один спай, изолированный от корпуса;
Н – один соединённый с корпусом спай;
ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
ИН – два спая, один из которых заземлён;
НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Плюсы и минусы устройства

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.

Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учёт термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС. Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

В зависимости от материалов термоэлектродов различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых.

Удлинительные провода

Выбор подходящего датчика температуры зависит от Вашей измерительной задачи. На выбор представлены термопары, резистивные датчики (Pt100 и NTC) и пирометры (инфракрасные датчики).

Эмпирические правила:

Термопары работают очень быстро и имеют широкий диапазон измерений.
Резистивные датчики более точные, но работают медленнее.
NTC датчики работают быстро и точно, но имеют ограниченный диапазон измерений.
Инфракрасные датчики не соприкасаются с измеряемым объектом и имеют очень небольшие постоянные времени, однако зависят от коэффициента излучения.
Чем шире диапазон измерений датчика, тем более универсальным он является.

Критерии выбора датчика:

Диапазон измерений
Точность
Время отклика
Стабильность
Тип конструкции

Термопары

Термопара состоит из двух спаянных в одной точке проводников, изготовленных из разнородных металлов или сплавов. Термоэлектрический эффект в точке спая проводников используется для измерения температуры. В точке спая возникает относительно небольшое термоэлектрическое напряжение, которое зависит от разницы температуры между измерительной точкой и соединительными клеммами.

Точность, Рабочая температура:

Базисные значения для термоэлектрических напряжений и для допустимых отклонений термопар указаны в стандарте DIN/IEC 584. Термопары Ahlborn ® доступны с двумя классами точности, согласно DIN/IEC 584-2. Для типа К действуют следующие ограничения (наивысшие значения):

Class 1: ±1.5 °C или (type K / N) ±0.004 x l t l (-40…1000°C)

Class 2: ±2.5 °C или(type K / N) ±0.0075 x l t l (-40…1200°C)

Наши термопары соответствуют, как правило, Классу 2 согласно DIN/IEC 584-2. Указанные значения T_max относятся к наконечнику термопары (горячий спай). Указанное время T₉₀ относится к измерениям в движущейся жидкости. Рукоятки датчиков и соединительные кабели стандартно устойчивы к температурам до +80 °C. По запросу, доступны кабели для высоких температур. В ассортименте термопары различных типов: в зависимости от температурного диапазона, чувствительности и с измеряемой средой. Наиболее распространены термопары NiCr-Ni (тип K).

Новинка: Соединительные кабели с термопроводкой (витой провод).
Отсутствие нежелательного влияния температуры в месте соединения измерительного элемента с кабелем.

Для повышения точности измерений, соединительные кабели для большинства типов датчиков Almemo ® имеют новую термопроводку (многожильный витой провод, класс 2), вместо традиционного компенсационного кабеля. Место соединения измерительного элемента (наконечника) с кабелем (в кабельной муфте или рукоятке) не имеет температурной погрешности в широком диапазоне измеряемых температур (до +200°C). Новая термопроводка позволяет избежать обычных погрешностей измерений, вызванных разницей температуры в месте соединения измерительного элемента с кабелем.
В настоящее время, компенсационные линии, соответствующие классу 2 по DIN 43722, используются только для некоторых типов датчиков и удлиняющих кабелей. Для Класса К диапазон рабочих температур компенсационной линии составляет 0…150 °C.

Резистивные датчики (датчики Pt100)

Принцип измерения температуры датчиком Pt100 основан на повышении сопротивления датчика с увеличением температуры. Измерительный резистор питается постоянным током, перепад напряжения на резисторе меняется в зависимости от температуры. При небольших изменениях сопротивления (0.3…0.4 WΩ/°C) необходимо использовать 4-жильный кабель и 4-х проводную схему подключения датчика (для исключения погрешности измерений, вызванных сопротивлением соединительного кабеля).

Точность, Рабочая температура:

Датчики Pt100 стандартно используются с измерительными резисторами Класса В (DIN/IEC 751). За дополнительную плату можно заказать датчик с повышенной точностью измерений DIN Класс А или 1/5 DIN Класс B. Указанное время T_max относится к наконечнику датчика. Указанное время T₉₀ относится к измерениям в движущейся жидкости. Рукоятки датчиков и соединительные кабели стандартно устойчивы к температурам до +80 °C. По запросу, доступны кабели для высоких температур.

Диапазоны измерений, разрешение

Pt100 датчики FP Axxx стандартно имеют измерительный диапазон Pt100-1 (разрешение 0.1K). Измерительный диапазон Pt100-2 (с разрешением 0.01K) может быть запрограммирован на 1-ом или, дополнительно, на 2-ом канале в интеллектуальном разъеме Almemo ® .

Новинка: Измерительный диапазон Pt100-3 (разрешение 0.001K), диапазон рабочих температур 0…+65 °C (функция доступна только для измерительных приборов V6 и 2690-8, 2890-9, 85/8690-9, 5690-1/2)

Точность измерений резистивных датчиков

Обозначение	Диапазон	Макс. отклонение
Сопротивление	DIN Class B	DIN Class A	1/5 DIN Class B
Pt 100 Ω	при –200°C	±1.3 K
при –100°C	±0.8 K
при –50°C	±0.25 K*
при 0°C	±0.3 K	±0.15 K	±0.06 K
при +100°C	±0.8 K	±0.35 K	±0.16 K
при +200°C	±1.3 K	±0.55 K	±0.26 K
при + 300°C	±1,8 K	±0,75 K	±0,36 K
при + 400°C	±2,3 K
наценка за более высокую точность		Артикул №. OPG2	Артикул №. OPG5**

* диапазон -50 °C только для датчиков в оболочке, диаметром 2 мм и выше
**по запросу, в зависимости от конструкции датчика

NTC Датчики

NTC датчики (термисторы) имеют значительно большее сопротивление, чем датчики Pt100. При измерении температуры используется их отрицательный температурный коэффициент, т.е. сопротивление понижается при повышении температуры.

Точность, Рабочая температура:

Точность NTC датчиков — согласно спецификации производителя. Указанное время Tmax относится к наконечнику датчика. Указанное время T₉₀ относится к измерениям в движущейся жидкости. Рукоятки датчиков и соединительные кабели стандартно устойчивы к температурам до +90°C.

Точность

Обозначение	Диапазон	Макс. отклонение
NTC датчик	–20…0°C	±0.4 K
(10K…25°C)	0…70°C	±0.1 K
70…125°C	±0.6 K

Типы датчиков и области их применения

Конструкция датчика может отличаться для каждой конкретной измерительной задачи.
T_max — макс. рабочая температура наконечника датчика.
T₉₀ — время, необходимое для достижения датчиком 90% переходной характеристики после перепада температуры. T₉₀ относится к измерениям в движущейся жидкости.
Почти все модели датчиков доступны с другими диаметрами и длинами, по запросу.

Датчик температуры поверхности с плоским измерительным наконечником— для измерения температуры ровных и гладких поверхностей с хорошей теплопроводностью.

Датчик температуры поверхности с термолентой— для быстрых измерений, в том числе на неровных поверхностях.

Погружные датчики— для измерений в жидкостях, порошках, воздухе и газах.

Датчики с жаропрочными измерительными наконечниками — для измерения экстремально высоких температур.

Датчик с проникающим наконечником — для измерения температуры вязких и пластичных сред.

Штыковой датчик— для измерения в стопках бумаги, картона и текстиля.

Преобразователь с открытым чувствительным элементом— для измерения температуры воздуха и газов.

Если Вы не нашли в данном каталоге датчика, подходящего для Вашей измерительной задачи, мы можем изготовить его согласно Вашим спецификациям (необходимы технический чертёж или подробная спецификация)!

Информация для заказа

Датчики ALMEMO ® доступны в различных вариантах исполнения.

Обозначение типов датчиков:

„P“ = датчик температуры Pt100Ω
„N“ = датчик температуры с NTC-элементом
„T“ = датчик температуры с NiCr-Ni-элементом

Используйте уже имеющиеся у Вас датчики!

Запатентованная технология интеллектуальных разъемов (коннекторов) делает систему ALMEMO ® крайне гибкой измерительной системой. Вместо датчиков ALMEMO ® Вы можете использовать Ваши собственные, уже имеющиеся датчики, вместе с любым измерительным прибором ALMEMO ® .

Мы можем предоставить вам запрограммированные коннекторы ALMEMO ® с соответствующими параметрами и измерительными диапазонами, соответствующими характеристикам Ваших датчиков.
Вы можете корректировать ошибки датчиков. Это означает, что даже самые простые датчики станут высокоточными.
Для перечисления всех комбинаций и вариантов применения системы ALMEMO ® не хватит объёма данного данной страницы. Специальное программирование, расширение диапазонов и линеаризация датчиков сторонних производителей всегда возможна с помощью устройств ALMEMO ® .
Цена для различных комбинаций датчиков и системы ALMEMO ® зависит от объёма работ и количества требуемых приборов.

Другие материалы:

Инфракрасные измерительные приборы обеспечивают большие преимущества, связанные с измерительными задачами, которые не могут быть решены при помощи обычных контактных термометров.

Термоанемометрические расходомеры – надежные датчики из высококачественных материалов и без подвижных частей в конструкции.

Принцип действия термоанемометрических расходомеров позволяет контролировать потоки воздуха или газа, обладающие высокими скоростями. При этом метрологические показатели датчика на высоком уровне.

Модельный ряд термоанемометрических расходомеров

Принцип работы термоанемометрического расходомера

Принцип действия термоанемометрического расходомера основывается на эффекте термической диффузии и зависимости массового расхода от изменения температуры чувствительных элементов при прохождении потока. Поясним подробней.

Прибор состоит из четырех основных частей:

1. Преобразователь
2. Защитная штанга
3. Нагревательный элемент
4. Термодатчик, измеряющий tº окружающей среды

В рабочем состоянии нагревательный элемент (3) нагревается до определённой температуры Т₁. При этом датчик измеряет температуру среды Т₂. При увеличении потока, процессы термической диффузии протекают быстрее, за счет чего Т₂ уменьшается, что приводит к изменению значения разности температур ∆Т. Массовый расход вычисляется преобразователем на основе значения разности температур и диаметра трубопровода.

Технические характеристики термоанемометрических расходомеров

Представленный модельный ряд обладает следующими техническими характеристиками:

Диапазон скорости: 0,04–2000 нормо-м 3 /ч (в зависимости от модели);
Температура измеряемой среды: 0…+60°C;
Рабочее давление: до 16 бар;
Напряжение питания: 18…30В DC;
Выходы: аналоговые (4-20 мA) и дискретные (PNP);
Интерфейс: IO-Link-Device;
Степень защиты IP65;
Наличие дисплея для индикации по месту установки.

Достоинства и преимущества термоанемометрических расходомеров

К преимуществам термоанемометрических расходомеров относятся:

высокое быстродействие;
наличие нескольких выходов;
высокая степень защиты от внешних факторов;
отсутствие движущихся элементов;
отсутствие необходимости постоянного обслуживания.

Недостатки

К ограничениям приборов данного типа относятся:

требования к расположению стержня в трубопроводе;
изменяет физические свойства потока (немного температуру, создаёт завихрения);
не определяет направление потока.

Впрочем, данные особенности абсолютно не влияют на процесс измерения при правильном применении датчика и эксплуатации его в соответствии с инструкцией.

Отличие термонемометрических расходомеров от калориметрических

Эти датчики очень схожи по принципу действия, но имеют определенные особенности. Одно из отличий заключается в конструкции датчика, так калориметрические расходомеры (см. рисунок) состоят из двух датчиков температуры и одного нагревательного элемента. В таком случае расход определяется по разности показаний термодатчиков, при этом в зависимости от направления потока один из двух термодатчиков будет сильнее нагреваться, что позволит судить о направлении потока. При высоких скоростях потока тепловое пятно сильно сдвигается, и показания датчиков не позволяют судить о расходе. Датчики и нагревательный элемент в калориметрических датчиках располагаются таким образом, чтобы не создавалось сопротивление потоку.

В свою очередь, термоанемометрический расходомер состоит из термодатчика и нагревательного элемента, которые включаются в мостовую схему, разбалансировка которого говорит о наличии потока. Такой способ измерения не позволит определить направления потока, но сможет обеспечить мониторинг расхода газов с высокими скоростями потока.

Области применения термоанемометрических расходомеров

Термоанемометрические расходомеры отлично подойдут для измерения расхода сжатого воздуха, чей поток обладает высокой скоростью, а также некоторых низкотемпературных газов, таких как: аргон, карбон диоксид или нитроген. Необходимость точного мониторинга расходов данных веществ актуальна на предприятиях:

нефтехимии;
пищевой промышленности;
обрабатывающей промышленности;
металлургической промышленности и т.п.

Как приобрести термоанемометрический расходомер или узнать его цену?

Для того чтобы сэкономить временные и финансовые ресурсы, обратитесь для консультации по подбору датчика к нашим инженерам. Они решают аналогичные задачи и помогут приобрести прибор, оптимально подходящий для решения вашей задачи.

Купить расходомер вы можете, позвонив по бесплатному номеру, или заполнить анкету, нажав на кнопку консультации инженера.

Использование датчиков температуры является необходимостью во многих сферах производства и жизнедеятельности человека. С их помощью контролируют температуру жидкости, твердого объекта или расплавленного вещества, воздуха в помещении и другое.

Виды датчиков температуры и принцип их действия

Принцип работы температурных датчиков основан на преобразовании изменения температуры в электрический сигнал. Использование электрического сигнала в качестве носителя информации дает возможность передавать данные по сети с высокой скоростью. Использование цифрового кодирования повышает точность и скорость замера и чувствительность датчика.

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 прецезионные многоразрядные малошумящие аналогово-цифровые преобразователи

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.

Комбинированный датчик

Кроме интегральных схем с аналоговым выходом существуют датчики с цифровым интерфейсом, например комбинированные датчики температуры и влажности. Такие датчики обеспечивают точность измерения температуры ±2 градуса и влажности ±5 градусов. Интерфейс некоторых моделей комбинированных датчиков оптимизирован для подключения параллельных устройств.

Цифровой датчик

Цифровой датчик, работающий в параллели со множеством датчиков, обеспечивает точность измерений до 0,5 градусов. Температурный интервал составляет от -55 до +125 градусов Цельсия. Вычисления с максимальной точностью занимают у датчика 750 мс, что делает его не очень быстродейственным.

Бесконтактные датчики

Бесконтактные датчики или пирометры оборудованы тонкой пленкой, поглощающей инфракрасное излучение, при этом нагреваясь. Подобные бесконтактные термосенсоры применяются в тепловизорах. В них установлен не один тепловой датчик, а матрица. Такие устройства позволяют детектировать тепловой объект на расстоянии до 3 метров.

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.

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.

Датчики температуры ЯКР

Функционирование термометров ЯКР – ядерно 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.

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.

Читайте также: