ru
English
русский
Español
Français
Датчик температуры окружающего воздуха измеряет температуру окружающего воздуха в определенном месте и преобразует это измерение в электрический сигнал, который может считывать система управления, блок отображения или регистратор данных и на который можно воздействовать. В отличие от датчиков, предназначенных для измерения температуры поверхности, жидкости или объекта, датчик температуры окружающего воздуха специально разработан для максимально точного отбора проб свободного воздуха вокруг него, сводя к минимуму влияние лучистого тепла, тепла, передаваемого от монтажных поверхностей, и эффектов самонагревания от собственной электроники. Полученные данные поступают в огромный спектр систем: от блока климат-контроля в автомобиле до сетей мониторинга погоды, которые лежат в основе современной метеорологии.
Основная функция: преобразование температуры воздуха в электрический сигнал
По своей сути датчик температуры окружающего воздуха представляет собой преобразователь — устройство, преобразующее одну форму энергии в другую. В этом случае он преобразует тепловую энергию (кинетическую энергию молекул воздуха) в электрическую величину, обычно сопротивление, напряжение или ток, которую может интерпретировать последующая электроника. Наиболее распространенными чувствительными элементами, используемыми для этой цели, являются термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), платиновые резистивные температурные детекторы (RTD) и датчики на полупроводниковых интегральных схемах, каждый из которых предлагает различные компромиссы между точностью, диапазоном, временем отклика и стоимостью.
Термистор NTC уменьшает свое электрическое сопротивление при повышении температуры весьма предсказуемым, хотя и нелинейным образом. RTD — обычно платиновая обмотка с номинальным сопротивлением 100 Ом при 0 °C (стандарт Pt100) — изменяет сопротивление более линейным образом и с высокой повторяемостью. Полупроводниковый датчик на ИС генерирует выходное напряжение или цифровой код, который прямо пропорционален температуре и не требует дополнительных схем формирования сигнала, что делает его привлекательным для бытовой электроники и автомобильной промышленности.
Независимо от чувствительного элемента, выходной сигнал считывается микроконтроллером, блоком управления двигателем, системой управления зданием или метеостанцией, которая применяет калибровочную кривую или справочную таблицу для преобразования необработанного электрического сигнала в значение температуры в градусах Цельсия, Фаренгейта или Кельвина.
Что делает датчик температуры окружающего воздуха в автомобиле
В автомобильном контексте датчик температуры окружающего воздуха, иногда называемый датчиком температуры наружного воздуха или датчиком OAT, выполняет несколько важных и взаимосвязанных функций. Обычно он устанавливается за передним бампером, в передней решетке или под одним из крыльевых зеркал и предназначен для отбора проб наружного воздуха до того, как он нагреется двигателем, тормозами или выхлопной системой.
Информирование водителя
Наиболее заметной функцией является простое отображение температуры наружного воздуха на комбинации приборов или экране информационно-развлекательной системы. Это дает водителю ситуационную осведомленность, которая напрямую влияет на решения по обеспечению безопасности. При температуре от 3°C до 4°C или ниже на большинстве современных транспортных средств включаются предупреждения об обледенении, предупреждая водителя о возможности появления гололеда на дорожном покрытии, даже если осадки не очевидны.
Управление климатической системой
Датчик температуры окружающего воздуха является ключевым входным сигналом для автоматической системы климат-контроля. Когда водитель устанавливает желаемую температуру в салоне, модуль климат-контроля сравнивает температуру наружного воздуха с температурой в салоне и целевым заданным значением, чтобы рассчитать подходящее сочетание обогрева, охлаждения и воздушного потока. В жаркую погоду он подает сигнал компрессору кондиционера включиться раньше и работать с большей производительностью. В холодную погоду он изменяет стратегию обогрева и регулирует логику защиты от запотевания ветрового и заднего стекол.
Без точных показаний окружающей среды автоматические системы климат-контроля прибегают к грубым настройкам по умолчанию и не могут должным образом компенсировать внешние условия, что приводит либо к перегрузке компрессора летом, либо к вялому нагреву зимой. Многие системы также используют показания окружающей среды, чтобы решить, использовать ли рециркуляционный воздух в салоне или забирать свежий наружный воздух — в очень холодных условиях рециркуляция предпочтительна, чтобы предотвратить замерзание испарителя.
Поддержка управления двигателем
Блок управления двигателем (ЭБУ) использует данные о температуре окружающего воздуха вместе с датчиком температуры всасываемого воздуха для моделирования плотности воздуха, поступающего в камеру сгорания. Более плотный холодный воздух содержит больше кислорода и для полного сгорания требует более богатой топливной смеси; теплый воздух менее плотный и требует более бедной смеси. В то время как датчик температуры всасываемого воздуха измеряет воздух после того, как он попал во впускной тракт (и потенциально был нагрет моторным отсеком), датчик окружающей среды обеспечивает базовые эталонные условия для условий перед запуском автомобиля и сразу после холодного запуска, когда ЭБУ устанавливает свои первоначальные карты подачи топлива и зажигания.
В двигателях с турбонаддувом данные о температуре окружающей среды также учитываются в моделях эффективности промежуточного охладителя. Более прохладный окружающий воздух улучшает работу интеркулера и обеспечивает более агрессивный наддув и момент зажигания, поэтому знание истинной наружной температуры позволяет ЭБУ безопасно извлекать больше мощности, когда позволяют условия.
Оптимизация систем трансмиссии и трансмиссии
Блоки управления автоматической коробкой передач используют показания температуры окружающей среды для изменения стратегии переключения передач в условиях сильного холода, когда вязкость трансмиссионной жидкости повышена и требуется больше времени для создания гидравлического давления, прежде чем будет выполнено переключение передачи. Системы полного привода могут использовать температуру окружающей среды как один из факторов, определяющих вероятность возникновения условий низкой тяги и необходимость превентивной регулировки распределения крутящего момента трансмиссии.
Что делает датчик температуры окружающего воздуха в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и системах зданий
В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) для коммерческих и жилых зданий датчики температуры окружающего воздуха — в этом контексте также называемые датчиками наружного воздуха или датчиками температуры наружного воздуха (OAT) — выполняют аналогичные, но архитектурно более сложные функции, чем их автомобильные аналоги.
Управление сбросом на открытом воздухе
Одной из наиболее энергоэффективных стратегий отопления зданий является управление сбросом наружного воздуха, при котором температура подаваемой воды в системе водяного отопления постоянно регулируется в зависимости от того, насколько холодно на улице. При низкой температуре наружного воздуха котел подает в контур отопления более холодную воду, что снижает расход топлива и повышает эффективность конденсационных котлов. Когда температура наружного воздуха падает, температура приточного воздуха пропорционально повышается для поддержания комфорта. Датчик температуры наружного воздуха обеспечивает считывание показаний в режиме реального времени, что обеспечивает непрерывную оптимизацию, а экономия энергии, которую он обеспечивает, может быть существенной в течение отопительного сезона.
Управление экономайзером
Коммерческие кондиционеры часто включают режим экономайзера, в котором система забирает большое количество холодного наружного воздуха для естественного охлаждения вместо работы контура механического охлаждения. Датчик температуры окружающего воздуха определяет, достаточно ли прохладен наружный воздух, чтобы его можно было использовать (обычно ниже установленного порогового значения, например 18°C), и запускает открытие заслонок экономайзера, когда это происходит. Это напрямую снижает время работы компрессора и потребление электроэнергии. Управление экономайзером на основе энтальпии добавляет измерение влажности к логике принятия решений, но температура остается основным триггером.
Защита от замерзания
В холодном климате системы HVAC, содержащие водяные контуры отопления или охлаждения, должны быть защищены от замерзания. Датчики температуры окружающего воздуха, отслеживающие условия на открытом воздухе, могут запускать режимы защиты от замерзания — активировать циркуляционные насосы для поддержания движения воды, подавать питание на нагревательные кабели на открытых трубопроводах или закрывать заслонки свежего воздуха — до того, как температура упадет настолько низко, чтобы вызвать образование льда внутри системы. Действовать на основе прогнозируемых данных окружающей среды, а не ждать, пока датчик температуры трубы обнаружит фактическое замерзание, гораздо менее разрушительно и позволяет избежать риска разрыва трубопровода и повреждения водой.
Вентиляция по требованию
В зданиях с системами вентиляции, управляемыми по потребности, данные о температуре окружающего воздуха объединяются с уровнями углекислого газа в помещении и графиками занятости для определения оптимальной скорости притока свежего воздуха. Подача очень холодного или очень горячего наружного воздуха требует значительных затрат энергии для его подготовки перед доставкой в занятые помещения. Точно зная температуру окружающей среды, система управления зданием может свести к минимуму ненужную вентиляцию в экстремальных погодных условиях, сохраняя при этом качество воздуха в помещении, снижая нагрузку на отопление и охлаждение.
Что делает датчик температуры окружающего воздуха в мониторинге погоды
Метеорологические метеостанции, независимо от того, эксплуатируются ли они национальными метеорологическими службами, аэропортами, дорожными погодными сетями или частными энтузиастами, полагаются на датчики температуры окружающего воздуха как на один из своих наиболее фундаментальных инструментов. В профессиональной метеорологии датчик размещается внутри радиационного экрана (белый кожух с жалюзи, который блокирует прямое и отраженное солнечное излучение, обеспечивая при этом свободный поток воздуха) и устанавливается на стандартной высоте от 1,25 до 2 метров над поверхностью травы, как указано Всемирной метеорологической организацией.
Показания температуры окружающей среды, поступающие с метеостанции, учитываются в работе аэропорта (влияют на расчеты характеристик самолетов при взлете и посадке), решениях о засыпке дорог (определение того, когда следует применять соль или песок для предотвращения образования льда), предупреждениях о заморозках в сельском хозяйстве (предупреждение производителей о необходимости защиты уязвимых культур) и моделях численного прогнозирования погоды, которые лежат в основе краткосрочных и среднесрочных прогнозов. Сеть точных наблюдений за температурой окружающего воздуха является основой любой надежной системы прогнозирования погоды.
На автоматических метеостанциях, развернутых в отдаленных или суровых условиях — на горных вершинах, полярных исследовательских станциях, океанских буях — датчики температуры окружающего воздуха работают автономно в течение месяцев или лет, передавая данные по спутниковым каналам в центральные системы обработки. Надежность и низкое энергопотребление современных термисторов NTC и платиновых датчиков RTD делают их хорошо подходящими для требовательных систем автоматического развертывания.
Что делает датчик температуры окружающего воздуха в бытовой электронике
Смартфоны, планшеты и устройства «умного дома» все чаще включают в себя датчики температуры окружающей среды, хотя часто со значительными оговорками. Специальные внутренние метеостанции и интеллектуальные термостаты используют высококачественные термисторы или полупроводниковые датчики для точного измерения температуры воздуха в помещении и передачи этих данных в системы домашней автоматизации. Интеллектуальный термостат, который знает текущую температуру окружающей среды в помещении, может точно модулировать отопление и охлаждение, изучая структуру занятости и корректируя графики, чтобы минимизировать потребление энергии, не жертвуя при этом комфортом.
Некоторые смартфоны оснащены датчиками температуры окружающей среды, но они обычно расположены слишком близко к компонентам, выделяющим тепло, таким как процессор и аккумулятор, чтобы точно измерить истинную температуру воздуха без существенной коррекции. Носимые устройства сталкиваются с аналогичными проблемами. Специальные компактные метеостанции позволяют избежать этой проблемы, располагая датчик вдали от источников тепла и, в некоторых случаях, используя активную вентиляцию для подачи воздуха через чувствительный элемент.
Как размещение и дизайн влияют на то, что на самом деле измеряет датчик
Датчик температуры окружающего воздуха может сообщать только о том, что на самом деле испытывает его чувствительный элемент. Если датчик расположен неудачно (под прямыми солнечными лучами, рядом с источником тепла, например, двигателем, выхлопной системой или электрической панелью, или установлен на поверхности, которая передает тепло корпусу датчика), он будет сообщать температуру, которая не отражает истинные условия окружающего воздуха. Это известно как солнечная нагрузка или тепловое смещение, и это основной источник неточностей при измерении реальной температуры окружающей среды.
В транспортных средствах солнечная нагрузка регулируется путем размещения датчика в затененных, хорошо вентилируемых местах, а в некоторых конструкциях - с помощью небольшого аспирационного корпуса, который втягивает движущийся воздух над элементом. На метеостанциях этой цели служат радиационные щиты. В системах отопления, вентиляции и кондиционирования датчики монтируются на северных стенах вдали от краев крыши, кондиционеров и вытяжных вентиляционных отверстий. Во всех случаях цель состоит в том, чтобы датчик измерял интересующую температуру свободного воздуха, а не температуру его непосредственного окружения или радиационной среды, которой он подвергается.
Время отклика является еще одним фактором, учитываемым при проектировании. Датчик с большой тепловой массой медленно реагирует на изменения температуры, сглаживая быстрые колебания, но потенциально пропуская быстрые перепады температуры, важные для безопасности, например, наступление замерзания на поверхности дороги. В датчиках, предназначенных для быстрого реагирования, используются чувствительные элементы малого диаметра с минимальной герметизацией для минимизации тепловой массы за счет большей чувствительности к локализованным помехам.
Распространенные неисправности и что происходит при выходе из строя датчика
В автомобильных приложениях неисправный датчик температуры окружающего воздуха обычно приводит к тому, что отображаемая наружная температура показывает неправдоподобное значение — либо фиксированное на максимальном или минимальном уровне, хаотично колеблющееся, либо полностью отсутствующее. Система климат-контроля может по умолчанию использовать фиксированную стратегию работы, которая менее эффективна и менее комфортна, чем обычный автоматический режим. В некоторых автомобилях неисправный датчик окружающей среды включает контрольную лампу и код неисправности, хранящийся в ЭБУ, который можно обнаружить во время обычного диагностического сканирования.
В системах HVAC неисправный датчик наружной температуры приводит к сбою функций наружного сброса и экономайзера, возвращая систему к работе с фиксированной уставкой. Потребление энергии обычно возрастает, и это может повлиять на комфорт пассажиров. Логика защиты от замерзания, зависящая от наружного датчика, может быть нарушена в холодную погоду, что создает риск повреждения трубопроводов, если не реализованы резервные стратегии защиты.
На метеостанциях неисправный датчик окружающей среды выдает ошибочные данные, которые, если их не обнаружить и не пометить, могут испортить данные о погоде и привести к неверным прогнозам или решениям о дорожной погоде. Алгоритмы автоматического контроля качества, которые сравнивают показания соседних станций, используются метеорологическими сетями для выявления и изоляции подозрительных датчиков до того, как их данные повлияют на последующие продукты.
Резюме
Датчик температуры окружающего воздуха измеряет температуру воздуха в непосредственной близости от него и преобразует результаты измерений в сигнал, используемый системами управления, дисплеями и регистраторами данных в исключительно широком спектре приложений. В транспортных средствах она информирует водителей о риске обледенения дороги, обеспечивает точный автоматический климат-контроль и оптимизирует управление двигателем. В зданиях он обеспечивает энергоэффективные стратегии отопления, естественного охлаждения, защиты от замерзания и управления вентиляцией. В метеорологии он лежит в основе прогнозирования погоды, работы аэропортов и принятия решений по безопасности дорожного движения. В бытовой электронике он обеспечивает автоматизацию умного дома и управление личным комфортом. Точность того, что сообщает датчик, в решающей степени зависит от того, где он расположен, как он защищен от внешних источников тепла и насколько хорошо он обслуживается, поэтому правильная установка и периодическая проверка так же важны, как и качество самого датчика.
