Датчици за измерване на температура – новости

Измервателна техникаСп. Инженеринг ревю - брой 4/2017 • 23.06.2017

Датчици за измерване на температура – новости
Датчици за измерване на температура – новости

Tемпературата е една от най-често измерваните величини и датчици за тази цел се ползват в много отрасли (ако не и във всички). Тъй като целите, за които трябва да се измерва температурата, са най-разнообразни - от критично важното управление на технологични процеси до поддържането на комфортна среда в превозни средства например - има и различни методи за измерването й. Най-общо обаче датчиците за температура могат да се разделят на две категории: контактни и безконтактни.

Контактните датчици, както подсказва и името им, трябва да бъдат в контакт с обекта, чиято температура се измерва; приема се, че датчикът и обектът са в термично равновесие. Примери за контактни температурни датчици са термодвойките, резистивните, термисторите и такива вградени в интегрални схеми.

Безконтактните температурни датчици, каквито са инфрачервените сензори, отчитат част от електромагнитната енергия, излъчена от обекта, и определят нейния интензитет. Някои от технологиите за изработка на контактни температурни датчици се ползват от десетилетия, смятат се за утвърдени и не се променят.

За разлика от тях безконтактните технологии се променят по-динамично, все още се усъвършенстват и се очаква да отбележат по-голям ръст поради все по-широкото им навлизане в редица приложни области.

Приложение на безконтактните инфрачервени сензори
Безконтактните инфрачервени термометри са пасивни устройства, които измерват естествено излъчената радиация от дадена повърхност и определят нейната температура. Показанията излизат бързо, без да има физическо съприкосновение с обекта. Това става чрез прицелване и натискане на едно копче, след което показанието за температурата излиза на дисплея, като заедно с това то може да се предаде на разстояние и да се съхрани в база данни.

Инфрачервените термометри са с компактни размери, лесно се ползват и могат по безопасен начин да измерят температурата на повърхности, които са горещи, опасни за приближаване или труднодостъпни, при това без да се замърсява или уврежда обектът. Освен това те могат да извършват по няколко измервания в секунда.

За сравнение – при контактните методи всяко измерване може да отнеме до няколко минути. Все по-усъвършенстван софтуер предлага на потребителите възможността да задават предварително “зони с повишено внимание”, в които могат да включват части от производственото оборудване, изложени на потенциална опасност от прегряване, както и детайли върху поточните линии.

Безконтактните температурни датчици, начело с тези за инфрачервено излъчване, навлизат все повече в приложения, в които се развиват високи температури. Редица компании инвестират в развойна дейност с цел подобряване на съществуващите и разработка на по-нови технологии за безконтактно измерване на температурата на основата на инфрачервеното излъчване.

Има фирми производители, в това число непосредствени доставчици на големите автомобилостроители, които са разработили инфрачервени температурни датчици за неподвижно монтиране, предназначени за пазарите, доминирани към момента от термодвойките и резистивните датчици.

Фактори, влияещи върху точността на измерването
Няколко фактора определят точността на измерването, като най-важните сред тях са: излъчвателната способност (коефициентът на чернота); ъгълът на полезрение; отношението между разстоянието до площта, чието инфрачервено излъчване се отчита, и диаметърът на измерваната точка; местоположението на точката върху измерваната площ.

Излъчвателна способност. Всички предмети отразяват и излъчват енергия. Но единствено излъчената енергия е показател за температурата на предмета. За да се определи температурата на дадена повърхност, необходимо е да се знае каква е нейната отражателна способност и, което е още по-важно, каква е нейната излъчвателна (неотражателна) способност.

Излъчвателната способност може да е близо до 100% (например E=0,97) за тъмна, матова повърхност, а може и да е доста ниска, до E=0,1 (90% отражателна способност) за някои лъскави метали. Възможно е обаче за различни честоти на вълната човешкото око да възприема излъчвателна способност, която се отличава от измерената от датчиците за инфрачервено излъчване. При съмнения трябва да се погледнат справочни таблици или да се отправи запитване до производителя на конкретните датчици.

Някои инфрачервени термометри дават възможност заложеният в тях коефициент на чернота да се променя, а при други той е фиксиран на 0,95 – стойността на коефициента за много органични материали и за боядисани (в какъвто и да е цвят, с изключение на алуминиев металик) или силно оксидирани повърхности.
За да се определи температурата на повърхността на блестящ предмет, най-напред трябва да се калибрира излъчвателната способност.

За целта първо някаква площ от повърхността се покрива с тъмна лента или се боядисва с черна матова боя (при условие, че лентата или слоят боя не са твърде дебели и не изолират повърхността), после датчикът се насочва към тази площ и се отчита показанието. При следващата стъпка датчикът се насочва към блестящата повърхност и излъчвателната способност се наглася така, че показанието да е същото.

Напоследък навлизат инфрачервени датчици, които се свързват към компютър и се управляват със софтуер, предоставян безплатно от някои производители. При тях може да се въведе стойността на истинската температура, а оттам излъчвателната способност се изчислява автоматично.

Отношението между разстоянието и диаметъра на измерваната точка. Оптичната система на един инфрачервен термометър събира енергията, излъчена в инфрачервения спектър, от кръгла площ от измерваната повърхност и я фокусира върху чувствителния елемент на датчика.

Оптичната разделителна способност се дефинира, като отношението между разстоянието от уреда до повърхността на предмета и диаметъра на кръглата площ, чието излъчване се измерва (съотношението D:S). Колкото по-голямо е това съотношение, толкова по-добра е разделителната способност на уреда, съответно и толкова по-малка може да бъде площта, от която се измерва излъчването.

Някои уреди разполагат с вградена система за лазерно прицелване към площта за измерване. От скоро има и вградени камери за дистанционно визуално наблюдение на участъка, който ще се измерва. Специален софтуер дава възможност за заснемане и запаметяване на изображението заедно с измереното показание – това може да става, например, при превишаване на някакви алармени прагови стойности.

От неотдавна друго нововъведение в оптиката на уредите, отчитащи инфрачервено излъчване, е функцията Близък фокус, която осигурява точно измерване на температурата на много малки повърхности без нежеланото влияние на фонови температури.

Протоколи и безжична комуникация
Датчиците поевтиняват, а разходите за технически персонал все нарастват. Тенденция във всички направления на индустриалната измервателна техника (не само за инфрачервените сензори) е да се намаляват кабелните връзки и сложността на опроводяването.

При съществуващите системи в предприятията може да се ползва утвърденият и популярен начин за връзка по токов кръг 4-20 mA. Но заедно с него, редом с имитиращите термодвойка изходи в миливолтовия обхват, производителите на инфрачервени сензори предлагат и други възможности за комуникация като Modbus, Hart, Profibus, RS232/485 с множество абонати по линията, Ethernet и обикновена връзка по USB.

Производителите не се ограничават само с измерването на температурата (и на величини, които могат да бъдат изведени, като влажност и дебелина). Разработват се и специални системи например за следене на температурата в пещи за изпичане на цимент, на участъци от поточни линии в хранително-вкусовата промишленост, при втвърдяването на стъкло и др., като показанията се подават към оператори, технолози и всички заинтересувани.

Разходите за компютри спаднаха дотолкова, че данните, за чието предаване и визуализиране преди щеше да е необходимо инсталирането на сложен хардуер и дисплеи, сега вече с наличните мрежи могат да се предават, обработват и представят точно според конкретните нужди на отделните звена.

С наличните средства за дистанционно изследване на обекти въз основа на излъчването им в инфрачервения спектър и с помощта на надеждно програмно осигуряване, окончателното измерване на търсената величина става просто и ефективно.

Технологии за отчитане на темпера-турата в различните производства
Термодвойките са предпочитаните датчици за температура в много производства, в които се изискват характеристики като висока стабилност на датчика, с кратко време на сработване, лесна употреба, ниска цена, както и той да бъде такъв, какъвто потребителите добре познават. В химическата промишленост и нефтохимията се ползват също и много резистивни датчици, тъй като те могат да работят добре при високи температури и тежки условия на производствената среда.

Инфрачервените датчици се ползват в редица вторични производства – особено широко в производството на пластмаси и метални изделия, в хранително-вкусовата промишленост, а навлизат вече и в отраслите на преработващата промишленост.

Именно в тези отрасли вече се купуват най-големите количества инфрачервени датчици за температура. Там те се ползват за засичане на дефекти и за измерване на температурата на различни повърхности. В хранително-вкусовата промишленост те се ползват за засичане на резки промени в температурата с цел предотвратяване на риска от разваляне, съответно и намаляване на вероятността от заболявания.

Датчиците за температура, вградени в интегрални схеми, се ползват в редица производства и сфери, в които има нужда от малък, евтин датчик, осигуряващ точно измерване. От общите приходи от продажбата на този вид датчици най-голям дял идва от това, че те се вграждат в компютри и потребителска електроника.

Тенденциите в производството на персонални компютри – като по-малки размери на конфигурациите, по-бързи процесори и нуждата от по-голяма изчислителна мощност – правят следенето и контролирането на температурата абсолютно задължително. А това в съчетание с устойчивите продажби на настолни и преносими компютри вероятно ще продължи да поддържа пазарния сегмент за този вид датчици.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top