Что такое датчик температуры?

Во-первых, запомните это предложение: датчик температуры не «считывает температуру напрямую», а сначала обнаруживает определенные изменения физических свойств, вызванные температурой, затем преобразует эти изменения в измеримые сигналы, и, наконец, схема и алгоритм измерения получают значение температуры.

Вы используете датчики температуры каждый день, но редко замечаете их по-настоящему. Кондиционеры знают, когда прекратить охлаждение, холодильники могут поддерживать заданную температуру, автомобили могут следить за состоянием двигателя, аккумулятора и системы охлаждения, промышленное оборудование может подать сигнал тревоги при аномальной температуре — все эти функции имеют общую основу: сначала «ощутить температуру», а затем передать ее на обработку в систему управления.

I. Что такое датчик температуры?

С инженерной точки зрения датчик температуры — это устройство, которое преобразует физическую величину температуры в измеримые, передаваемые и обрабатываемые сигналы. Его суть заключается не в «отображении числа», а в установлении устойчивого и повторяемого соответствия между «температурой» и измеримой физической величиной.

Этой измеримой физической величиной может быть сопротивление, напряжение, ток или аналоговые или цифровые сигналы, обрабатываемые интегральными схемами. Разница в разных технических маршрутах по сути заключается в том, какой физический эффект используется для «ощущения» температуры и как точно измерить это изменение.

II. Как он преобразует «температуру» в число?

Это наиболее важный шаг в понимании датчика температуры. Строго говоря, датчик напрямую не «считывает 25,3 ℃». 25,3 ℃ — это результат, полученный после преобразования и расчета всей цепочки измерений. На самом деле происходит следующее: температура меняет физические свойства определенного материала или структуры.

Изменение температуры → Изменение сенсорных свойств → Электрический сигнал → Сбор и преобразование → Расчет алгоритма → Значение температуры

Типичная цепочка измерения температуры: от «физического мира» к «цифровому миру»

Шаг 1: Температура сначала воздействует на чувствительный материал.

При изменении температуры измеряемого объекта определенные физические свойства внутри чувствительного элемента соответственно изменяются. Для устойчивости платины это проявляется в основном в изменении величины сопротивления; для термопар – изменение термоэлектрического потенциала; для термисторов NTC это изменение значения сопротивления, которое меняется в зависимости от температуры, и это изменение обычно имеет значительную нелинейность.

Вот особенно важная концепция: датчик температуры измеряет не «саму температуру», а «измеримые изменения, вызванные температурой». Затем, используя уже откалиброванную зависимость, это изменение обратно рассчитывается для получения температуры.

Шаг 2. Преобразуйте изменение в электрический сигнал.

Возьмем, к примеру, сопротивление платины: при повышении температуры значение сопротивления платины будет меняться в зависимости от ее температурной характеристики сопротивления. Схема измерения применяет подходящее возбуждение к платиновому сопротивлению, так что изменение значения сопротивления может быть отражено в виде измеряемого напряжения, тока или выходного сигнала моста.

Вот почему платиновый резистивный элемент размером всего в несколько миллиметров может фактически выполнить самое быстрое и критическое преобразование «температура → количество электричества» во всей цепочке измерения температуры. Сам элемент может выводить только изменение значения сопротивления, но «℃» требует, чтобы последующая схема завершила преобразование.

Шаг 3. Схема сбора данных «считывает» малейшие изменения.

Выходной сигнал датчика часто не является естественным стандартным числом. Например, RTD выдает значение сопротивления, а термопары выдают термоэлектрический потенциал на уровне милливольт. Схема измерения должна возбуждать, дискретизировать, усиливать, фильтровать или компенсировать эти сигналы, чтобы последующий аналого-цифровой преобразователь мог получать достаточно стабильные и пригодные для использования данные.

Для RTD, если ток возбуждения слишком велик, он вызывает самонагрев, вызывая повышение собственной температуры чувствительного элемента, тем самым внося дополнительные ошибки. Таким образом, вопрос «как измерять» сам по себе является частью точности измерения температуры, а не завершением выбора датчика.

Шаг 4: Аналого-цифровое преобразование, преобразование непрерывных изменений в цифровые величины.

Если в системе используется цифровой контроллер, схеме сбора данных обычно необходимо преобразовать аналоговое напряжение или ток в цифровые коды с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Например, после того, как аналоговое напряжение, соответствующее изменению сопротивления, измеряется АЦП, контроллер получает серию цифр вместо физической температуры, такой как «25 ℃».

На данный момент система перешла от «измерения электрических сигналов» к «этапу вычислений».

Шаг 5. Рассчитайте температуру на основе калибровочного соотношения.

Наконец, контроллер преобразует цифровую величину в значение температуры в соответствии с соотношением сопротивления-температуры или напряжения-температуры, соответствующим датчику. Этот процесс может использовать поиск в таблице, расчет формулы или калибровочные коэффициенты. Для стандартных платиновых резисторов он также будет преобразован в сочетании с соответствующей стандартной формулой и классом точности.

Таким образом, значение «25,3℃», которое вы видите, на самом деле является результатом совместной работы всей измерительной цепочки, а не прямым цифровым значением, создаваемым одним компонентом датчика.

Что действительно стоит запомнить, так это: датчик температуры отвечает за «восприятие», схема измерения — за «чтение», а алгоритм и система управления — за «понимание».

III. Заключительные мысли: на самом деле датчик температуры превращает «ощущения» в «данные».

Возвращаясь к вопросу в начале статьи: Что такое датчик температуры?

В одном предложении: он не «видит» температуру напрямую, но ощущает физические изменения, вызванные температурой, затем преобразует эти изменения в электрические сигналы путем сбора, преобразования, калибровки и расчета и, наконец, получает значение температуры, которое мы видим.

Поняв это, многие последующие вопросы станут проще: почему RTD фокусируется на зависимости сопротивления от температуры? Зачем термопаре нужна компенсация холодного спая? Почему NTC подчеркивает значение B? Почему измерение тока влияет на RTD? Почему способ установки датчика влияет на результат? Почему высоконадежные изделия должны проходить экологические и механические испытания?

Потому что все они, по сути, отвечают на один и тот же вопрос: как превратить «изменения температуры» в стабильные, точные и повторяемые «достоверные данные».

——Извлечено из рецензируемого общедоступного аккаунта.