Какво е сензор за температура?

Температурният сензор е устройство, което измерва колко горещ или студен е даден обект, осигуряване на измерване на температура чрез електрически сигнал в четима форма. По-често срещаните са термодвойки и термични резисторни температурни детектори.

Сензори за температура на водата

Китай сензор за температура

Видове температурни сензори за центрове за данни

Днес се използват четири основни сензора за температура в съвременната електроника: Отрицателен коефициент на температура (NTC) термистори, съпротивителни температурни детектори (RTD), термодвойки, и полупроводникови базирани интегрирани (IC) сензори.
Температурният сензор е устройство, обикновено, термодвойка или резистивен температурен детектор, който осигурява измерване на температурата в четлива форма чрез електрически сигнал.
Термометърът е най-основната форма на измервател на температурата, който се използва за измерване на степента на горещина и прохлада.

Температурните измерватели се използват в областта на геотехниката за наблюдение на бетон, структури, почва, вода, мостове, и т.н. за структурни промени в поради сезонни вариации.
Термодвойка (T/C) е направен от два различни метала, които генерират електрическо напрежение в пряка зависимост от промяната в температурата. RTD (Резистентен температурен детектор) е променлив резистор, който променя електрическото си съпротивление правопропорционално на промяната на температурата в точен, повторяем, и почти линеен начин.

В нашето ежедневие, често трябва да виждаме термометри, бойлери, микровълнови фурни, хладилници, и т.н. Те ще бъдат приложени към важно устройство – температурния сензор. Тази статия ще ви запознае с температурните сензори, принципи на температурния сензор, и видове температурни сензори.

Тип температурен датчик:
В практически приложения, има много налични температурни сензори, с различни характеристики според реалното приложение. Температурните сензори се състоят от два основни физически вида:
1. Тип контактен температурен датчик
Тези типове температурни сензори изискват физически контакт с усещания обект и използват проводимост за наблюдение на температурните промени. Те могат да се използват за откриване на твърди вещества, течности или газове в широк температурен диапазон.

2. Тип безконтактен температурен датчик
Тези типове температурни сензори използват конвекция и радиация за наблюдение на температурните промени. Те могат да се използват за откриване на течности и газове, които излъчват лъчиста енергия, когато топлината се издига и студът се утаява на дъното в конвекционни течения, или за откриване на лъчиста енергия, предавана от обекти под формата на инфрачервено лъчение (слънце).
Контактните и безконтактните температурни сензори се класифицират допълнително в следните температурни сензори.

Принципът на температурния датчик:
1. Термостат
Термостатът е контактен температурен сензор, който се състои от биметална лента, изработена от два различни метала, като алуминий, мед, никел, или волфрам.

Разликата в коефициентите на линейно разширение на двата метала ги кара да претърпят механични движения на огъване при нагряване.

Реална снимка на термостат

2. Биметален термостат
Термостатът се състои от два метала с различни нива на топлина, залепени един до друг. Когато времето е студено, контактите се затварят и през термостата протича ток. Като се загрее, единият метал се разширява повече от другия, и свързаните биметални ленти се огъват нагоре (или надолу), отваряне на контактите и предотвратяване на протичането на електричество.

Физическа картина на биметален термостат

Има два основни типа биметални ленти, базирани предимно на тяхното движение, когато са подложени на температурни промени. Има типове „мигновено действие“, които произвеждат мигновено действие тип „включване/изключване“ или „изключване/включване“ върху електрическите контакти при зададена температурна точка, и по-бавни типове „пълзене“, които постепенно променят позицията си при промяна на температурата .
Принципна схема на работа на биметален термостат

Мигновено действащите термостати обикновено се използват в домовете ни за контролиране на температурните настройки на фурните, ютии, потопяеми резервоари за гореща вода, и те също могат да бъдат намерени на стени за управление на системи за отопление на дома.

Типовете вериги обикновено се състоят от биметални намотки или спирали, които бавно се развиват или навиват при промяна на температурата. Най-общо казано, биметалните ленти в пълзящ стил са по-чувствителни към температурни промени от стандартните типове за включване/изключване, тъй като лентите са по-дълги и по-тънки, което ги прави идеални за използване върху термометри и циферблати, и т.н.

3. Термистор
Термисторите обикновено са изработени от керамични материали, като никел, манганови или кобалтови оксиди, покрити със стъкло, което ги прави лесно повредени. Основното им предимство пред типовете с бързо действие е колко бързо реагират на всякакви промени в температурата, точност и повторяемост.

Повечето термистори имат отрицателен температурен коефициент (NTC), което означава, че тяхната устойчивост намалява с повишаване на температурата. Въпреки това, има някои термистори, които имат положителен температурен коефициент (PTC) и устойчивостта им нараства с температурата.

Физическа картина на термистор

Термисторите се оценяват въз основа на тяхното съпротивление при стайна температура (обикновено 25 o C), тяхната времеконстанта (времето, необходимо за реакция на промяна в температурата), и тяхната номинална мощност спрямо тока, протичащ през тях. Като резистори, термисторите имат стойности на съпротивление при стайна температура, вариращи от 10 мегаома до няколко ома, но за сензорни цели обикновено се използват тези типове, измерени в килооми.

4. Пример за температурен сензор №1
Стойността на съпротивлението на следния термистор при 25 ℃ е 10 KΩ, и стойността на съпротивлението при 100 ℃ е 100 Ω. Изчислете спада на напрежението на термистора, когато е поставен последователно с резистор 1kΩ, за да изчислите изходното напрежение (Vout) през 12v захранване и при двете температури.
Примерна схема на температурен датчик

Чрез промяна на фиксираната стойност на резистора на R2 (1kΩ в нашия пример) към потенциометър или предварително зададена стойност, може да се получи изходно напрежение при предварително определена зададена температура, например 5v изход при 60°C. И чрез промяна на потенциометъра, за да получите специфично ниво на изходно напрежение, то може да се получи в по-широк температурен диапазон.

Въпреки това, трябва да се отбележи, че термисторите са нелинейни устройства, и стандартните стойности на съпротивлението на различните термистори при стайна температура са различни, главно защото са направени от полупроводникови материали. Термисторите се променят експоненциално с температурата и следователно имат бета температурна константа (b) който може да се използва за изчисляване на съпротивлението при всяка дадена температурна точка.

Въпреки това, когато се използва с последователни резистори, като например в мрежа с делител на напрежение или устройство от типа мост на Уитстон. Токът, получен в отговор на напрежението, приложено към делителя на напрежението/мостовата мрежа, е линеен с температурата. След това изходното напрежение през резистора се мащабира линейно с температурата.