Разликата между термопара, термистор и РТД

Концепцията за температура

От физическа гледна точка, топлината е мярка за енергията съдържана в тялото поради неределното движение на неговите молекули или атоми. Както тенисните топки имат повече енергия с увеличаващата се скорост, така и вътрешната енергия на тялото или газа се увеличава с повишаването на температурата. Температурата е променлива, която, заедно с други параметри като маса и удебрено топло, описва енергийното съдържание на тялото.

Основната мярка за температура е келвин. При 0 ° K (Елвин), всяка молекула в тялото е в покой и няма повече топлина. Затова няма възможност за отрицателна температура, тъй като няма състояние с по-ниска енергия.

В ежедневното използване обичайната практика е да се използва центиградова скала (бившо центиград). Нулевата точка на нея е при точката за замразяване на водата, която може лесно да се воспроизведе на практика. Сега 0 ° C никога не е най-ниската температура, тъй като всички знаем от опита. Разширявайки центиградовата скала до най-ниската температура, при която всичко молекулно движение спира, достигаме – 273.15 градуса.

Човек има възможността да измерва температурата чрез чувствата си в ограничена степен. Всички пъти обаче той не можеше да воспроизведе точно количествени измервания. Първата форма на количествено измерване на температура беше разработена в Флоренция през началото на XVII век и се базираше на разширяването на алкохола. Масштабът е базиран на най-високите температури през лятото и зимата. След сто години шведския астроном Целзий го замени с точките за топене и вряне на водата. Това дава термометъру възможността да зумира навън и навътре по всяко време и да воспроизведе показанията по-късно.

Електрично измерване на температура

Измерването на температурата е важно в много приложения, като управление на сгради, обработка на храна и производство на желязо и нефтехимични продукти. Тези много различни приложения изискват температурни датчици с различни физически стратегии и обикновено различни технологии.

В промишлените и комерциални приложения точки на измерване обикновено са далеч от точки на индициране или управление. Често е необходимо да се обработят измеренията в контролери, регистри или компютри. Тези приложения не са подходящи за директно индициране с термометри, както ги познаваме от повседневното ни употребяване, а трябва температурата да бъде преобразувана в друга форма чрез електрически сигнал. За да се предостави този отдалечен електричен сигнал, обикновено се използва RTD (резистивен температурен датчик). Термистори и термоелементи.

RTD приема характеристиката на металния резистанс да се променя с температурата. Те са сензори с положителен температурен коефициент (PTC), чийто резистанс увеличава с температурата. Основните метали, които се използват, са платина и никъл. Най-широко използваните сenzори са от 100 ом или 1000 ом RTD или платинови резистивни термометри.

RTD е най-точен датчик за индустриални приложения и осигурява също най-добрата стабилност на дългосрочна основа. Представителната стойност за точността на платиновото съпротивление е + 0,5% от измерената температура. След един година може да има промяна от + 0,05 ° C поради стареене. Платиновите термометри имат температурен диапазон от – 200 до 800 ° C.

Промяна на резистанса с температурата

Проводимостта на метал зависи от мобилността на провеждащите електрони. Ако се приложи напрежение към края на жила, електроните се движат към положителния полюс. Дефектите в решетката пречат на това движение. Те включват външни или липсващи атоми в решетката, атоми в граничните повърхности и между позициите на решетката. Тъй като тези дефекти не зависят от температурата, те произвеждат постоянна резистентност. При увеличаване на температурата атомите в металната решетка показват увеличени колебания около постоянн стационарните си позиции, което затруднява движението на провеждащите електрони. Тъй като колебанията се увеличават линейно с температурата, резултатното увеличение на резистентността зависи пряко от температурата.

Платината е широко приета в индустриалното измерване. Нейните предимства включват химическа стабилност, относително лесно производство (особено за производство на дръжка), възможността да се получи в высока степен на чистота и воспроизводими elektricheski свойства. Тези характеристики правят платиновия сензор за съпротивление най-широко разменимия температурен сензор.

Термисторите са направени от някои метални оксиди и техната съпротивност намалява с повишаване на температурата. Защото съпротивлението намалява с повишаването на температурата, то се нарича сензор с отрицателен температурен коефициент (NTC).

Връзка с природата на основния процес води до експоненциално увеличение броя на проводящите електрони с температурата; следователно, характеристиката показва силно увеличение. Тази очевидна нелинейност е недостатък на NTC резисторите и ограничава техния ефективен температурен диапазон до около 100 °C. Те, разбира се, могат да бъдат линеаризирани чрез автоматизирани компютри. Всичко пак точността и линейността не могат да отговарят на изискванията за голям измерителен диапазон. Их дрейф при променливи температури е също по-голям в сравнение с RTD. Използването им е ограничено до мониторинг и индикиращи приложения, където температурата не надхвърля 200 °C. В това просто приложение те всъщност са по-добри от по-скъпите термоелементи и RTD, като се има предвид техната ниска цена и относително простите електронни циркуита, които се изискват.

Основата на термопара е връзката между два различни метала, термистор. Напрежението, генерирано от термопарата, и РТД (резистивния температурен датчик) увеличава с температурата. Способността им за работа при по-високи температури е значително по-голяма спрямо резистивните температурни датчици, с предимство до няколко хиляди градуса Целзий. Дългосрочната им стабилност е малко по-лоша (няколко градуса след година), а точността на измерването е малко по-слаба (в средна степен + 0,75% от диапазона на измерване). Често се използват в печки, камини, измерване на димови газове и други области, където температурите са над 250 °C.

Термоелектричен ефект

Когато две метала са свързани заедно, се произвежда термоелектрическо напрежение поради различната биндингова енергия на електроните и металните иони. Напрежението зависи от самия метал и температурата. За да се генерира ток чрез това термично напрежение, двете метала трябва разбира се да са свързани и в другия край, за да се образува затворена кръгова. По този начин се генерира термично напрежение при второто спайкане. Термоелектрическият ефект е бил открит от Зебек през 1822 г. Още през 1828 г., Бекерел предложил използването на платиново-паладиев термоелемент за измерване на температурата.

Ако температурата при двете спайки е еднаква, няма ток, защото частните наляганения, генерирани при двете точки, се компенсират. Когато температурата при спайканията е различна, генерираното напрежение е различно и токът тече. Следователно термоелементът може да измерва само разликата в температурата.

Точката за измерване е връзка, подложена на измерената температура. Справочната връзка е връзка при известна температура. Тъй като известната температура обикновено е по-ниска от измерената температура, справочната връзка често се нарича студена връзка. За да се пресметне реалната температура на точката за измерване, трябва да се знае температурата на студения край.

По-старите инструменти използват термостатични контролни кутии за регулиране на температурата на студения край при известни стойности като 50°С. Модерните инструменти използват тонкозъст RTD (резистивен температурен детектор) на студения край, за да определи температурата му и да пресметне температурата на точката за измерване.

Напрежението, произведено от термоелектричния ефект, е много малко и е само няколко микроволта на градус Целзий. Затова термопари не се използват обикновено в диапазона от – 30 до + 50 °C, тъй като разликата между температурата на справочната връзка и студения край е твърде малка, за да произведе сигнал без помешение.

Подключване с проводници RTD

В термометър с резистивност, резистивността варира с температурата. За да се оценя изходният сигнал, константен ток минава през него и се измерва падането на напрежението през него. За това падане на напрежението се спазва закона на Ом, v = IR.

Токът за измерване трябва да бъде колкото е възможно по-малък, за да се избегне нагряването на сензора. Може да се счита, че измервателният ток от 1mA няма да въведе нито един очевиден грешка. Този ток произвежда падане на напрежение от 0.1V в PT 100 при 0 ℃. Този сигнален потенциал трябва сега да бъде предаден през свързващия кабел до точката на индициране или оценка с минимално променяне. Има четири различни типа на подключване:

Кръг с 2 провода

За връзката между термометъра и електрониката за оценка се използва кабел с две жици. Подобно на всеки друг elektricheski проводник, кабелът има съпротивление в серия с термометъра със съпротивление. В резултат на това двата съпротивления се сумират и електрониката ги тълкува като повишаване на температурата. При по-дълги разстояния съпротивлението на линията може да достигне няколко ома и да произведе значително отклонение в измерената стойност.

Кръг с 3 провода

За да се минимизира въздействието на линейното съпротивление и неговото променливо влияние с температурата, обикновено се използва тройна проводника схема. Тя включва добавяне на допълнителни дръжки към един от контактите на РТD. Това води до два измерващи контура, един от които се използва като референтен. Тройната проводника схема може да компенсира линейното съпротивление както по стойност, така и спрямо температурните му промени. Всички три проводника трябва да имат същите характеристики и да бъдат изложени на една и съща температура. Обикновено това се прилага достатъчно добре, за да направи тройните проводници най-широко разпространеният метод днес. Не е необходима линейна балансираност.

Кръг с 4 провода

Най-добрата форма на свързване на резистивния термометър е четирижиловият цеп. Измерването не зависи нито от съпротивлението на жилите, нито от температурните индуцирани промени. Не е необходима балансиране на жилите. Термометърът осигурява измерващ ток чрез електрическо свързване. Паденето на напрежението върху измерващата жица се registrира от измерващата жица. Ако входната съпротивност на електронно устройство е много по-голяма от съпротивлението на жилата, последното може да се игнорира. Паденето на напрежението, определено по този начин, е независимо от характеристиките на свързванията. Тази техника обикновенно се използва само за научни инструменти, които изискват точност от един стотин.

2-жилов преобразувач

Чрез използване на 2-жилен трансмитер вместо многожилен кабел, проблемът с 2-жилния цеп, описан по-горе, може да бъде избегнат. Трансмитерът преобразува сигнала от датчика в нормализиран токов сигнал от 4-20mA, който е пропорционален на температурата. Питането на трансмитера също работи през същите две връзки, като използва базов ток от 4 mA. 2-жилният трансмитер предлага допълнително предимство – усилението на сигнала значително намалява въздействието на външните помешения. Има два начина за разполагане на трансмитера. Тъй като разстоянието между неусилени сигнали трябва да е колкото се може по- kratko, усилителят може да бъде инсталиран директно в термометъра в неговия терминален глав. Това най-добро решение понякога не е възможно поради конструктивни причини или защото при повреда трансмитерът може да бъде трудно достъпен. В този случай, трансмитерът, монтиран на релей, е инсталиран в контролния щит. Предимството на подобрения достъп струва по-дълго разстояние, което неусиленият сигнал трябва да мине.

Подреждане на термозистор

Съпротивлението на термозистора обикновено е с няколко реда величина по-голямо от съпротивлението на всяка жица за подреждане. Затова въздействието на съпротивлението на жиците върху четенето на температурата е пренебрежимо, докато термозисторите почти винаги се свързват в 2-жична конфигурация.

Подреждане на термопара

В противност с РТД и термозистори, термопарите имат положителни и отрицателни крака, така че полярността трябва да бъде наблюдавана. Те могат да бъдат свързани директно към локалния 2-жичен трансмитер, а медните жici могат да бъдат върнати до приемното устройство. Ако приемното устройство може да приема директен вход от термопара, същата термопарна жица или жица за продължение на термопара трябва да се използва през целия път обратно до приемното устройство.