Rozdíl mezi termopárkem, thermistorem a RTD

Koncept teploty

Z fyzikálního hlediska je teplo mírou energie obsažené v těle kvůli neregulárnímu pohybu jeho molekul nebo atomů. Stejně jako tenisové míče mají více energie s rostoucí rychlostí, tak se vnitřní energie tělesa nebo plynu zvyšuje s rostoucí teplotou. Teplota je proměnná, která spolu s dalšími parametry, jako je hmotnost a konkrétní teplo, popisuje obsah energie tělesa.

Základní mírou teploty je kelvin. V bodě 0 °K (Kelvin), je každá částice v těle v klidu a není zde žádné teplo. Proto není možnost záporné teploty, protože neexistuje stav s nižší energií.

Ve každodenní praxi se obvykle používá stupnice Celsiusova (dříve centigrádní). Její nulový bod je u teploty tavení vody, což lze snadno reprodukovat na praktické úrovni. Nyní 0 °C rozhodně není nejnižší teplota, protože každý ví ze zkušenosti, že může být chladněji. Rozšířením stupnice Celsiusova k nejnižší teplotě, při které všechny molekulární pohyby ustoupí, dosahujeme – 273,15 stupňů.

Člověk má schopnost měřit teplotu prostřednictvím svých smyslů v omezeném rozsahu. Nicméně nebyl schopen přesně reprodukovat kvantitativní měření. První forma kvantitativního měření teploty byla vyvinuta ve Florencii na počátku 17. století a založena byla na roztažnosti alkoholu. Měřítko bylo založeno na nejvyšších teplotách v létě a zimě. Sto let později švédský astronom Celsius nahradil tyto body bodem tavení a varu vody. To dává teploměru možnost přibližovat se kdykoliv a později reprodukovat čtení.

Elektrické měření teploty

Měření teploty je důležité v mnoha aplikacích, jako jsou řízení budov, zpracování potravin a výroba oceli a petrochemických produktů. Tyto velmi různorodé aplikace vyžadují teplotní senzory s různými fyzickými strukturami a obvykle i různými technologiemi.

V průmyslovém a obchodním využití jsou měřící body obvykle daleko od indikačních nebo ovládacích bodů. Další zpracování měření je obvykle nutné v regulátorech, záznamnících přístrojích nebo počítačích. Tyto aplikace nejsou vhodné pro přímé indikace teploměrů, jak je známe z každodenního použití, ale je třeba převést teplotu do jiné podoby zařízení, elektrického signálu. Aby bylo možné poskytnout tento vzdálený elektrický signál, se obvykle používá RTD. Termistory a termopáry.

RTD využívá charakteristiku změny odporu kovu s teplotou. Jsou to senzory s kladným teplotním koeficientem (PTC), jejichž odpor roste s teplotou. Hlavními kovy používanými jsou platinový a niklový. Nejvíce šířenými senzory jsou 100 ohm nebo 1000 ohm RTDS nebo platinové odporové teploměry.

RTD je nejpřesnější snímač pro průmyslové aplikace a poskytuje také nejlepší dlouhodobou stabilitu. Reprezentativní hodnota přesnosti platinového odporu je + 0,5% naměřené teploty. Po jednom roce může dojít ke změně o + 0,05 °C v důsledku stárnutí. Platinové rezistence termometry mají teplotní rozsah od 200 do 800 ° C.

Změna odporu s teplotou

Elektrická vodivost kovu závisí na pohyblivosti vodičských elektronů. Pokud je na konci drátu připojeno napětí, elektrony se pohybují k pozitivnímu poli. Vady v krystalové mřížce ruší tento pohyb. Patří mezi ně vnější nebo chybějící atomy mřížky, atomy na hranicích vloček a mezi položkami mřížky. Protože tyto místy vad jsou nezávislé na teplotě, vyvolávají konstantní odpor. S nárůstem teploty dochází u atomů v kovové mřížce k zvýšeným oscilacím kolem jejich stacionárních pozic, čímž brání pohybu vodičských elektronů. Protože oscilace roste lineárně s teplotou, zvýšení odporu způsobené oscilacemi přímo závisí na teplotě.

Platinová stopa je široce přijímána v průmyslovém měření. Její výhody zahrnují chemickou stabilitu, relativně snadnou výrobu (zejména pro výrobu drátu), možnost získat ji ve vysoce čisté formě a reprodukovatelné elektrické vlastnosti. Tyto charakteristiky dělají platinový rezistorový senzor nejobecnějším mezikombinovatelným teplotním senzorem.

Termistory jsou vyrobeny z některých kovových oxidů a jejich odpor klesá s rostoucí teplotou. Protože se charakteristika odporu snižuje s nárůstem teploty, nazývá se tento senzor senzorem s negativním teplotním koeficientem (NTC).

V důsledku charakteru základního procesu se počet vodičských elektronů exponenciálně zvyšuje s teplotou; proto charakteristika ukazuje silný nárůst. Tato očividná nelinearita je nevýhodou NTC rezistorů a omezuje jejich účinný teplotní rozsah na přibližně 100 °C. Samozřejmě je možné je linearizovat pomocí automatizovaných počítačů. Nicméně přesnost a linearity nemohou splnit požadavky velkého měřícího rozpětí. Jejich posuv při střídavých teplotách je také větší než u RTD. Použití je omezeno na monitorování a indikaci aplikací, kde teplota nepřekračuje 200 °C. V této jednoduché aplikaci jsou ve skutečnosti lepší než dražší termopáry a RTD, pokud vezmeme v úvahu jejich nízkou cenu a relativně jednoduché elektronické obvody, které vyžadují.

Základem termopáru je spojení mezi dvěma různými kovy, termistor. Napětí vygenerované termopárem a RTD roste s teplotou. Ve srovnání s odporovými teploměry mají vyšší horní mez teploty, s významnou výhodou několika tisíců stupňů Celsia. Jejich dlouhodobá stabilita je mírně horší (několik stupňů po roce) a přesnost měření je mírně nižší (průměrně + 0,75 % měřicího rozsahu). Často se používají v pecích, pecech, měření kouřových plynů a dalších oblastech, kde jsou teploty vyšší než 250 °C.

Termoelektrický efekt

Když jsou dva kovy spojeny spolu, vznikne termoelektrické napětí kvůli různé vázanosti elektronů a kovových iontů. Napětí závisí na samotném kovu a teplotě. Aby tento tepelné napětí generovalo proud, musí být oba kovy samozřejmě spojeny na druhém konci, aby vznikl uzavřený obvod. Tímto způsobem se vytvoří termoelektrické napětí na druhém spojení. Termoelektrický efekt objevil Seebeck v roce 1822. Již v roce 1828 navrhl Becquerel použití platinové-paladiové termopáry pro měření teploty.

Pokud je stejná teplota na obou spojeních, nevznikne žádný proud, protože parciální tlaky vygenerované v obou bodech se navzájem vyruší. Když je teplota na spojení různá, vygenerované napětí je odlišné a proud tekoucí. Proto může termopára měřit pouze rozdíl teplot.

Měřící bod je uzlů vystavený měřené teplotě. Referenční uzel je uzel při známé teplotě. Protože je známá teplota obvykle nižší než měřená teplota, je referenční uzel obvykle nazýván studeným uzlem. Aby bylo možné spočítat skutečnou teplotu měřícího bodu, musí být známa teplota studeného konce.

Starší přístroje používají termostatické ovládání uzlových boxů pro udržování teploty studeného uzlu na známých hodnotách, jako je 50 °C. Moderní přístroje používají tenkofilmové RTD na studeném konci pro určení jeho teploty a výpočet teploty měřícího bodu.

Napětí vyvolané termoelektrickým účinkem je velmi malé a činí pouze několik mikrovoltů na stupeň Celsia. Proto se termopáry obvykle nepoužívají v rozsahu od –30 do +50 °C, protože rozdíl mezi teplotou referenčního uzlu a teplotou měřeného bodu je příliš malý na to, aby vyprodukoval signál dostatečně silný pro nezaměnitelné měření.

Vývodicí vedení

U tepelného rezistoru se odpor mění s teplotou. Pro vyhodnocení výstupního signálu prochází konstantní proud a měří se napětí na něm. Pro toto napěťové propadání platí Ohmov zákon, v = IR.

Měřicí proud by měl být co nejmenší, aby se zabránilo ohřátí senzoru. Lze uvažovat, že měřicí proud 1mA nepřinese žádnou zřejmou chybu. Proud způsobuje napěťové propadání 0,1V u PT 100 při 0 ℃. Toto signálové napětí musí být nyní přeneseno přes spojovací kabel ke zobrazení nebo vyhodnocení s minimální úpravou. Existují čtyři různé typy spojovacích obvodů:

dvouproudý obvod

Pro připojení mezi teploměrem a hodnotící elektronikou se používá dvoujaderný kabel. Jako každý jiný elektrický vodič má kabel v řadě s odporovým teploměrem odpor. Výsledkem je, že se dva odpory sečítají a elektronika to interpretuje jako zvýšení teploty. Na delší vzdálenosti může odpor vedení dosáhnout několika ohmů a způsobit významné posun v měřené hodnotě.

tříproudý obvod

Aby se minimalizoval vliv odporu vedení a jeho kolísání s teplotou, obvykle se používá třídrátový obvod. Zahrnuje zapojení dalších drátů do jednoho z kontaktů RTD. Výsledkem je dva měřicí okruhy, z nichž jeden je použit jako referenční. 3-drátový obvod může kompenzovat odpor vedení z hlediska počtu a teplotních změn. Všechny tři vodiče však musí mít stejné vlastnosti a musí být vystaveny stejné teplotě. To se obvykle používá v dostatečné míře, aby se 3 dráty obvodů nejrozšířenější používanou metodou dnes. Nevyžaduje se vyvažování vedení.

čtyřproudý obvod

Nejlepší spojení pro rezistivní teploměr je čtyřválcové obvody. Měření nezávisí na odporu vodiče ani na změnách způsobených teplotou. Není vyžadováno vyrovnání vodiče. Teploměr poskytuje měřicí proud prostřednictvím napájecího spojení. Napěťový pokles na měřicím vodiči je zachycen měřicím vodičem. Pokud je vstupní odpor elektronického zařízení mnohokrát větší než odpor vodiče, může být tento odpor ignorován. Napěťový pokles určený tímto způsobem je nezávislý na charakteristikách spojovacího vodiče. Tato technika se obvykle používá pouze pro vědecké přístroje, které vyžadují měřicí přesnost jedné setiny.

2-vláknový převodník

Použitím 2-wire převodníku namísto vícejádrového kabelu lze problém 2-wire obvodu, jak je popsáno výše, vyhnout. Převodník převede signál senzoru na normalizovaný proudový signál 4-20mA, který je úměrný teplotě. Napájení převodníku probíhá také prostřednictvím těchto dvou spojů pomocí základního proudu 4 mA. 2-wire převodník nabízí další výhodu, a tou je fakt, že zesílení signálu výrazně snižuje dopad vnějších rušivých vlivů. Existují dva uspořádání pro umístění převodníku. Protože vzdálenost mezi nезesílenými signály by měla být co nejkratší, může být zesilovač přímo montován na termometru ve jeho terminálové hlavě. Tato nejlepší řešení není někdy možná kvůli konstrukčním důvodům nebo z důvodu, že převodník by mohl být těžko dostupný v případě poruchy. V tomto případě je rail mounted převodník montován v ovládacím šachtě. Výhoda lepšího přístupu je kupována za cenu delší vzdálenosti, kterou musí nезesílený signál urazit.

Vedení termistoru

Odpor termistoru je obvykle o několik řádů větší než odpor jakéhokoli spojovacího vodiče. Proto je vliv odporu spojovacích vodičů na měření teploty zanedbatelný a termistory jsou téměř vždy připojovány ve dvouvodičové konfiguraci.

Vedení termopáru

Na rozdíl od RTD a termistorů mají termopáry kladné a záporné nohy, takže je třeba respektovat polaritu. Mohou být připojeny přímo k místnímu dvouvodičovému převodníku a měděný vodič může být vedena zpět k přijímacímu přístroji. Pokud může přijímací přístroj přijmout přímý vstup termopáru, musí být použit stejný drát termopáru nebo spojovací drát termopáru až zpět k přijímacímu přístroji.