Виды и типы датчиков температуры

Датчик температуры — это устройство, которое измеряет степень нагретости объекта или среды, преобразует данные в удобный для анализа сигнал. Такие приборы встречаются повсюду: в бытовой технике, промышленных установках, медицинском оборудовании и системах климат‑контроля. В статье рассказываем о видах и типах датчиков температуры: как они работают, чем отличаются и где применяются. Разбираем термопары, терморезисторы, термисторы, ИК‑датчики и другие типы. Даём практические советы по выбору датчика для промышленности, быта и специализированных систем.

Назначение

Главная задача — следить за температурными режимами, а также передавать информацию для:

• поддержания заданных параметров работы оборудования;
• предотвращения перегрева и аварийных ситуаций;
• контроля качества технологических процессов;
• экономии энергии за счёт точной регулировки;
• сбора данных для анализа и прогнозирования.

Без температурных измерителей невозможно представить современную автоматизацию: от холодильника на кухне до сложного производственного агрегата.

Принцип работы

Суть работы любого датчика — преобразовать физическое явление, связанное с температурой, в электрический сигнал. Разные виды сенсоров используют различные принципы:

• Изменение электрического сопротивления — в терморезисторах и термисторах сопротивление материала закономерно меняется при колебаниях температуры. Это позволяет точно отслеживать тепловой режим по величине тока в цепи.
• Термоэлектрический эффект — на стыке двух разнородных металлов возникает напряжение, пропорциональное разности температур «горячего» и «холодного» концов. Это принцип лежит в основе работы термопар.
• Инфракрасное излучение — нагретые объекты испускают ИК‑волны определённой интенсивности, которая строго коррелирует с их температурой. Пирометрические датчики улавливают это излучение бесконтактным способом.
• Механическое расширение — некоторые материалы при нагреве предсказуемо изменяют линейные размеры или форму. Биметаллические пластины изгибаются, что замыкает или размыкает контакты в термостатах.

Полученный сигнал — аналоговый, цифровой или релейный — передаётся на контроллер, индикатор или систему управления. Там он подвергается обработке: усиливается, фильтруется от помех, преобразуется в понятные пользователю значения (градусы Цельсия или Фаренгейта). На основе этих данных автоматика принимает решения: включает охлаждение, отключает оборудование, отправляет оповещение или корректирует технологический процесс.

Классификация датчиков температуры

Эти приборы классифицируют по нескольким признакам, которые позволяют определить вид и тип датчика температуры:

• по принципу действия (термопары, терморезисторы, термисторы, инфракрасные, полупроводниковые и др.);
• по диапазону измерений (низкотемпературные, среднетемпературные, высокотемпературные);
• по способу контакта со средой (контактные и бесконтактные);
• по области применения (бытовые, промышленные, медицинские, лабораторные);
• по выходному сигналу (аналоговые, цифровые, релейные).

Такая систематизация помогает подобрать датчик под конкретные задачи: от простого термостата в утюге до точного измерителя в научной лаборатории.

Термопары — надёжные датчики для промышленных систем

Термопара — это пара проводников из разных металлов, соединённых на одном конце. При нагреве места соединения возникает напряжение, которое зависит от разницы температур между горячим и холодным концами.

Преимущества термопар:

• диапазон измерений (от −270°C до +1800°C и выше);
• высокая надёжность и устойчивость к вибрациям;
• быстрое реагирование на изменение температуры;
• простота конструкции и низкая стоимость.

Термопары применяют в металлургии, энергетике, химической промышленности, печном оборудовании, где важна работа при экстремальных температурах.

Терморезисторы (RTD): точность и стабильность

Терморезисторы (Resistance Temperature Detector, RTD) — устройства, в которых сопротивление металлического элемента (обычно платины, никеля или меди) меняется пропорционально температуре.

Особенности:

• высокая точность измерений (погрешность менее 0,1°C);
• отличная долговременная стабильность показаний;
• линейная зависимость сопротивления от температуры;
• узкий, но достаточный для многих задач диапазон (от −200°C до +850°C).

RTD‑сенсоры используют там, где важна точность: в фармацевтике, пищевой промышленности, климатических системах, лабораторных установках. Платиновые терморезисторы (PT100, PT1000) — эталон для калибровки другого оборудования.

Термисторы: компактность и чувствительность

Термисторы — полупроводниковые элементы, сопротивление которых резко меняется при небольшом изменении температурных показателей. Бывают двух типов: NTC (сопротивление падает при нагреве) и PTC (сопротивление растёт).

Плюсы термисторов:

• высокая чувствительность к малым изменениям температуры;
• компактность, лёгкость интеграции в электронику;
• низкая стоимость производства;
• быстрое время отклика.

Их применяют в бытовой технике (холодильники, стиральные машины), электронике (защита аккумуляторов от перегрева), медицинских приборах, системах термоконтроля компактных устройств.

Инфракрасные датчики температуры

Инфракрасные (пирометрические) сенсоры измеряют температуру бесконтактно, улавливая ИК‑излучение объекта. Они не требуют прямого контакта, что делает их незаменимыми в опасных или труднодоступных зонах.

Области применения инфракрасных датчиков температуры

Инфракрасные датчики широко востребованы в разных сферах благодаря возможности бесконтактного измерения:

• Контроль температуры движущихся деталей — незаменимы при мониторинге конвейеров, вращающихся валов, подшипников. Позволяют отслеживать нагрев в реальном времени без остановки производственного процесса, что критично для предотвращения аварий на сборочных линиях и в тяжёлом машиностроении.
• Измерение нагрева электрических контактов и проводки — применяются для диагностики распределительных щитов, силовых кабелей, разъёмов. Помогают выявлять участки с повышенным сопротивлением и потенциальными рисками возгорания, обеспечивая пожарную безопасность объектов.
• Мониторинг процессов в агрессивных средах — активно используются в промышленных печах, химических реакторах, плавильных установках. Работают там, где контактные датчики быстро выходят из строя: при высоких температурах, в коррозионных парах, в условиях сильной запылённости.
• Медицинская диагностика — лежат в основе бесконтактных термометров, тепловизоров для скрининга лихорадки. Позволяют быстро и безопасно измерять температуру пациентов, включая новорождённых и людей с повышенной чувствительностью к прикосновениям.
• Системы безопасности — интегрируются в противопожарные комплексы для раннего обнаружения перегрева оборудования, электропроводки, складских стеллажей. Используются на транспорте (контроль узлов локомотивов, вагонов), в дата‑центрах (мониторинг серверных стоек), на нефтехранилищах.

Такие датчики обеспечивают быстрое получение данных — результаты отображаются в течение долей секунды. Однако их точность может зависеть от ряда факторов:

• отражающей способности поверхности (глянцевые, полированные материалы дают искажённые показания);
• наличия оптических помех (пыль, пар, дым ослабляют ИК‑сигнал);
• расстояния до объекта (при увеличении дистанции растёт погрешность);
• фонового теплового излучения (побочные источники тепла могут влиять на замеры).

Для компенсации этих эффектов модели оснащают коррекционными алгоритмами, фильтрами, настраиваемыми коэффициентами излучения, которые повышают достоверность измерений в сложных условиях.

Полупроводниковые датчики

Полупроводниковые датчики — интегральные микросхемы, которые генерируют сигнал, пропорциональный температуре. Они объединяют чувствительный элемент и схему обработки сигнала в одном корпусе.

Достоинства:

• цифровая выходная информация (удобна для микроконтроллеров);
• высокая линейность, точность в среднем диапазоне температур;
• малые габариты, низкое энергопотребление;
• встроенная защита от перегрузок.

Их используют в компьютерах (контроль температуры процессоров), бытовой электронике, автомобильных системах, «умных» сенсорах IoT. Примеры: DS18B20, LM35.

Биметаллические датчики и термостаты

Биметаллические устройства состоят из двух слоёв металлов с разным коэффициентом теплового расширения. При нагреве пластина изгибается, замыкая или размыкая электрическую цепь.

Особенности:

• простота, надёжность конструкции;
• отсутствие необходимости во внешнем питании;
• долговечность, устойчивость к помехам;
• невысокая точность (погрешность 1–5°C).

Такие изделия часто выполняют роль термостатов в утюгах, чайниках, обогревателях, системах вентиляции. Они дёшевы и работают без электроники.

Оптоволоконные и электронные промышленные датчики

Оптоволоконные сенсоры используют световые сигналы, проходящие через оптическое волокно. Изменение температурных показателей влияет на характеристики света (фазу, интенсивность), что фиксируется приёмником.

Преимущества:

• полная гальваническая развязка (безопасность в высоковольтных установках);
• устойчивость к электромагнитным помехам;
• возможность измерений в взрывоопасных зонах;
• длина линии до нескольких километров без потерь.

Их применяют в энергетике, нефтегазовой отрасли, туннелях и объектах с высокими требованиями к безопасности.

Электронные промышленные датчики — это комплексные устройства с микропроцессорами, цифровой обработкой сигнала и интерфейсами (RS‑485, Modbus, Wi‑Fi). Они могут:

• одновременно измерять температуру и другие параметры (влажность, давление);
• хранить историю измерений;
• передавать данные в облачные сервисы;
• автоматически калиброваться.

Такие решения востребованы в «умных» производствах, системах диспетчеризации, высокотехнологичных установках.

Как выбрать температурный датчик

При выборе вида датчика учитывайте:

1. Диапазон температур — убедитесь, что сенсор работает в нужных пределах (от минимальных до максимальных значений).
2. Точность — для лабораторных измерений нужны RTD или полупроводниковые устройства, для бытовых — термисторы или биметаллические.
3. Способ монтажа — контактный или бесконтактный (например, ИК‑датчик для движущихся объектов).
4. Условия эксплуатации — влажность, агрессивные среды, вибрации, электромагнитные помехи (для таких случаев подойдут оптоволоконные или термопары).
5. Выходной сигнал — аналоговый (4–20 мА), цифровой (I²C, SPI) или релейный (для простых термостатов).
6. Скорость отклика — если важно быстро фиксировать изменения, выбирайте термопары или термисторы.
7. Стоимость, обслуживание — простые датчики дешевле, но могут требовать частой калибровки; цифровые — дороже, но удобнее в долгосрочной перспективе.
8. Совместимость — проверьте, подходит ли датчик к вашей системе управления (ПЛК, контроллер, ПК).

Компания ВЭЛТЭКС предлагает большой ассортимент датчиков температуры для любых задач. Наши специалисты помогут подобрать изделие исходя из ваших технических требований и бюджета.