В промышленности мониторинг температуры оборудования и компьютерной техники позволяет выявлять неисправности на ранних стадиях или продлевать срок службы за счет поддержания оптимальной температуры. Существует несколько способов измерения температуры, каждый из которых имеет свои преимущества и подходит для различных областей применения. В этой статье мы рассмотрим три наиболее распространенных метода: использование термисторов, термопар и инфракрасной (ИК) технологии.

Термисторы

Термистор — это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры, воздействию которой он подвергается, будь то температура окружающего воздуха или поверхности, с которой он контактирует (или даже в которую он встроен). Эти простые устройства изготавливаются из оксидов металлов, спрессованных в форме шарика, диска или цилиндра — в зависимости от необходимости — а затем заключенных в эпоксидную смолу или стекло. В зависимости от выбранных материалов сопротивление будет либо увеличиваться с температурой — в случае положительного температурного коэффициента (PTC) — либо уменьшаться — в случае отрицательного температурного коэффициента (NTC). Термисторы NTC обычно являются наиболее распространенными компонентами для измерения температуры, в то время как термисторы PTC чаще используются в качестве термопредохранителей.

 Положительными сторонами терморезисторов являются простота использования, низкая стоимость, высокая надежность и предсказуемая реакция на изменения температуры. Хотя изменение сопротивления не является линейным, оно будет следовать заранее определенной кривой для конкретной модели терморезистора. Кроме того, терморезисторы очень чувствительны и точны, а также обладают высокой стабильностью. Однако они не подходят для измерения больших колебаний температуры и, как правило, работают только в довольно узком диапазоне вокруг заданной «базовой» температуры. Это, наряду с медленным временем отклика, может ограничивать области их применения.

 Изображение 1: Пример кривой терморезистора NTC, демонстрирующий зависимость сопротивления от температуры.

Термисторы универсальны и могут измерять температуру окружающей среды, а также крепиться к поверхности или вставляться в объект (например, радиатор) для измерения температуры в нем. При креплении к поверхности или вставке термисторы представляют собой инвазивный метод измерения, то есть их присутствие может влиять на измеряемую температуру. На практике термисторы очень малы, и их тепловая масса минимальна, что обычно не является проблемой в большинстве случаев применения.

 Термисторы могут быть с выводами или, чаще всего, с выводами (SMD), например, NCU15XH103D60RC , NTC-компонент размером 1,0 мм x 0,5 мм. Номинальное сопротивление этого термистора составляет 10 кОм, и он работает при температурах от -40 до +125°C. Хотя он подходит для широкого спектра применений, он особенно хорошо подходит для температурной компенсации в электрических/электронных схемах и термочувствительных устройствах, таких как транзисторы, интегральные схемы и генераторы. С развитием технологий на основе батарей эти типы термисторов используются для контроля температуры перезаряжаемых батарей во время работы и зарядки.

Изображение 2: Терморезистор NTC Murata NCU15XH103D60RC.

Термопары

Вкратце, термопары представляют собой два провода из разных металлов, соединенных на одном конце и разъединенных на другом. Изменения температуры на соединенном конце (называемом «горячим» спаем) генерируют небольшое напряжение на разъединенном конце («холодным» спаем), пропорциональное разности температур между двумя спаями. Термопары выполняют дифференциальные измерения, поэтому для расчета температуры горячего спая необходимо знать температуру холодного спая. Кроме того, использование терминов «горячий» и «холодный» является отраслевым стандартом, но в действительности температура горячего спая может быть ниже, чем температура холодного спая. Некоторые начали называть эти спаи «измерительными» и «эталонными» спаями, чтобы избежать возможной путаницы.

 Термопары характеризуются используемыми проводами, а точнее, материалами, из которых изготовлены провода. Каждой термопаре присваивается буквенное обозначение, наиболее распространенными из которых являются J, K и T. Термопара типа K изготавливается из двух никелевых сплавов — хрома и алюмеля — содержащих хром, алюминий, марганец и кремний. Связь между температурой (дифференциалом) и напряжением на холодном спае определяется коэффициентом Зеебека, измеряемым в В/К. Коэффициенты Зеебека для типов R и S низкие (<10), в то время как у наиболее часто используемых типов (J, K, T и E) они выше (>40).

 Главное преимущество термопар — невероятно широкий температурный диапазон (часто от -200 до +2500°C), что делает их пригодными для применения в самых разных областях, от авиационной техники до криогеники. Они также очень прочны и не подвержены ударам и вибрациям. Будучи пассивными устройствами, они по своей природе безопасны, что позволяет использовать их в опасных средах с потенциально взрывоопасными газами. Термопары обладают низкой тепловой инерцией, что означает, что они реагируют на внезапные изменения температуры, часто менее чем за секунду. Однако они не идеальны для всех применений: одним из их главных недостатков является очень низкая мощность сигнала. Для улучшения отношения сигнал/шум может потребоваться усовершенствованная обработка сигнала. Из-за длинных проводов термопары могут быть подвержены помехам, хотя это можно уменьшить, скручивая провода вместе или заключая их в трубки, блокирующие помехи. Они также могут быть подвержены коррозии. Еще одним существенным недостатком является недостаточная точность (обычно в пределах ±1°C). Это проблема при измерении относительно низких температур, но очень удобна при измерении таких явлений, как реактивный двигатель или пламя. Кроме того, выходной сигнал термопары нелинейный, хотя у типов J и K имеются значительные (практически) линейные участки, что является одной из причин их популярности.

 Инженеры-разработчики, желающие использовать преимущества термопар без необходимости сложной обработки сигналов, могут использовать MCP9600/L00 от Microchip. Это устройство подключается непосредственно к термопаре (типа K, J, T, N, S, E, B или R) и обеспечивает подачу напряжения на термопару с необходимой обработкой сигнала и коррекцией нелинейности, передавая значение температуры по двухпроводной шине I2C с частотой 100 кГц. Устройство идеально подходит для IoT-приложений с питанием от батарей, поскольку его рабочий ток составляет всего 300 А, а потребление тока в режиме ожидания — всего 2 А. Каждое устройство имеет четыре встроенных регистра для установки индивидуальных температурных оповещений.

Измерение температуры с помощью ИК-излучения

Как термисторы, так и термопары проводят измерения контактным способом, то есть они должны находиться в контакте с измеряемым объектом. В некоторых случаях это может быть недостатком, а в других — повлиять на получаемые измерения, поскольку измерительный зонд может действовать как теплоотвод. Инфракрасное (ИК) измерение температуры набирает популярность в таких областях, как здравоохранение и промышленность, благодаря своей точности, надежности и устойчивости. Его работа основана на том факте, что все излучает тепло, и на законе Стефана-Больцмана (который гласит, что энергия, излучаемая черным телом на единицу площади, пропорциональна четвертой степени его температуры).

 Термоэлектрический датчик использует тонкую, теплоизолированную мембрану, соединенную последовательно с несколькими миниатюрными микротермопарами. Благодаря низкой тепловой инерции мембраны она быстро нагревается, что позволяет проводить непрерывные измерения. Опорный терморезистор определяет температуру холодного спая для получения абсолютного показания температуры. Структуры SMEM часто используются для миниатюризации датчиков и их интеграции в портативные устройства (например, мобильные телефоны).

 Одним из устройств, недавно созданных на основе этой технологии, является миниатюрный бесконтактный ИК-датчик Melexis MLX90632. Он откалиброван на заводе для работы при температурах окружающей среды от -20 до 85°C и температурах объекта от -20 до 200°C. Измеренная температура представляет собой среднее значение для всех параметров в пределах 50° поля зрения датчика. В этом устройстве Melexis используются сложные алгоритмы компенсации для обеспечения точности результата. Сверхмалый датчик содержит термоэлемент для измерения энергии объекта, а также чувствительный элемент, регистрирующий собственную температуру датчика. Оба показания усиливаются, оцифровываются и фильтруются цифровым способом, прежде чем сохраняться в оперативной памяти, а затем передаваться в более крупную систему (например, микроконтроллер) через^{интерфейс}.

Краткое содержание

Хотя температура может показаться элементарным параметром, это один из наиболее важных параметров, которые мы измеряем. Она важна для мониторинга окружающей среды и оценки производительности оборудования, а также в медицинских учреждениях. Этот краткий обзор различных методов и устройств, доступных для терморегулирования (с указанием преимуществ и недостатков каждого), поможет инженерам выбрать наилучший метод для конкретного применения.