EN
Ο έννοιος της θερμοκρασίας
Από φυσικής άποψης, η θερμότητα είναι μια μέτρηση της ενέργειας που περιέχεται στο σώμα λόγω της ανορθόδοξης κίνησης των μοριών ή ατόμων του. Κατά παράλληλο τρόπο που τα μπάλαντα τέννις έχουν περισσότερη ενέργεια με την αύξηση της ταχύτητας, η εσωτερική ενέργεια του σώματος ή του αερίου αυξάνεται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Η θερμοκρασία είναι μια μεταβλητή που, μαζί με άλλες παραμέτρους όπως η μάζα και η συγκεκριμένη θερμική καπακτότητα, περιγράφει το περιεχόμενο ενέργειας του σώματος.
Η βασική μέτρηση της θερμοκρασίας είναι η βαθμολογία Κελβίν. Στο 0 ° K (Κελβίν), κάθε μόριο του σώματος είναι σε ανάπαυση και δεν υπάρχει περισσότερη θερμότητα. Επομένως, δεν υπάρχει δυνατότητα αρνητικής θερμοκρασίας, γιατί δεν υπάρχει κατάσταση με λιγότερη ενέργεια.
Σε καθημερινή χρήση, η συνήθης πρακτική είναι να χρησιμοποιούμε το κεντιγράδιο (πρώην κεντιγράδιο). Το μηδέν του είναι στο σημείο παγώματος του νερού, το οποίο μπορεί να αναπαραχθεί εύκολα στην πράξη. Τώρα, τα 0 °C δεν είναι καθόλου η χαμηλότερη θερμοκρασία, γιατί όλοι το ξέρουν από την εμπειρία. Επεκτείνοντας την κλίμακα κεντιγραδίων μέχρι την χαμηλότερη θερμοκρασία στην οποία σταματά ολοκληρωτικά η μοριακή κίνηση, φτάνουμε στα -273,15 βαθμούς.
Ο άνθρωπος έχει την ικανότητα να μετρήσει θερμοκρασία μέσω των αισθήσεών του σε μια περιορισμένη έκταση. Ωστόσο, δεν μπορούσε να αναπαράγει ακριβώς ποσοτικές μετρήσεις. Η πρώτη μορφή ποσοτικής μέτρησης θερμοκρασίας αναπτύχθηκε στη Φλωρεντία στις αρχές του 17ου αιώνα και βασιζόταν στη διεύρυνση του αλκοόλ. Η κλίμακα βασίζεται στις υψηλότερες θερμοκρασίες του καλοκαιριού και του χειμώνα. Μια εκατόντα χρόνια αργότερα, ο Σουηδός αστρονόμος Κέλσιος την αντικατέστησε με τα σημεία παγώματος και βρασμού του νερού. Αυτό δίνει στον θερμομέτρο την δυνατότητα να μεγεθύνει ή να μειώνει το εύρος του παραθύρου και να αναπαράγει τις αναγνώσεις αργότερα.
Μέτρηση ηλεκτρικής θερμοκρασίας
Η μέτρηση της θερμοκρασίας είναι σημαντική σε πολλές εφαρμογές, όπως τον έλεγχο κτιρίων, την επεξεργασία τροφίμων και την παραγωγή ατσάλου και πετροχημικών προϊόντων. Αυτές οι πολύ διαφορετικές εφαρμογές απαιτούν αισθητήρες θερμοκρασίας με διαφορετικές φυσικές δομές και συνήθως διαφορετικές τεχνολογίες.
Σε βιομηχανικές και εμπορικές εφαρμογές, τα σημεία μέτρησης είναι συνήθως μακριά από τα σημεία δείξης ή ελέγχου. Συνήθως απαιτείται περαιτέρω επεξεργασία των μετρήσεων σε ελεγκτές, καταγραφείς ή υπολογιστές. Αυτές οι εφαρμογές δεν είναι κατάλληλες για άμεση δείξη μερκυριακών θερμομετρών όπως τους γνωρίζουμε από την καθημερινή χρήση, αλλά χρειάζεται να μετατρέψουμε τη θερμοκρασία σε άλλη μορφή συσκευής, το ηλεκτρικό σήμα. Για να παρέχεται αυτό το απομακρυσμένο ηλεκτρικό σήμα, συνήθως χρησιμοποιείται RTD. Θερμιστόρες και θερμοζεύγματα.
Οι RTD εφαρμόζουν την χαρακτηριστική αλλαγή της ηλεκτρικής αντίστασης του μέταλλου με τη θερμοκρασία. Είναι αισθητήρες με θετικό συντελεστή θερμοκρασιακής αντίστασης (PTC), οι οποίοι έχουν αύξηση της αντίστασης με την θερμοκρασία. Τα κύρια μέταλλα που χρησιμοποιούνται είναι το πλάτινο και το νίκελο. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι αισθητήρες είναι 100 ωμών ή 1000 ωμών RTDS ή θερμόμετρα πλατινού αντίστασης.
Το RTD είναι ο πιο ακριβής αισθητήρας για βιομηχανικές εφαρμογές και παρέχει επίσης την καλύτερη μακροχρόνια σταθερότητα. Η προσωρινή τιμή της ακρίβειας της υπολογιστικής αντίστασης πλατυνμού είναι + 0,5% της μετρούμενης θερμοκρασίας. Μετά από ένα χρόνο, μπορεί να υπάρξει αλλαγή + 0,05 ° C λόγω γηράσκων. Οι θερμομετρητές αντίστασης πλατυνμού έχουν έναν όριο θερμοκρασίας από – 200 μέχρι 800 ° C.
Αλλαγή της αντίστασης με τη θερμοκρασία
Η ηλεκτρική διεξοδικότητα ενός μετάλλου εξαρτάται από την κινητικότητα των ηλεκτρονίων που διεξάγουν. Εάν εφαρμοστεί ηλεκτροτικότητα στο άκρο της διαύλου, τα ηλεκτρόνια κινούνται προς το θετικό πόλο. Οι ανομαλίες στον πλέγμα εμποδίζουν αυτήν την κίνηση. Αυτές περιλαμβάνουν εξωτερικά ή χάσεις ατόμων πλέγματος, ατόμα στα όρια κόκκινων και μεταξύ θέσεων πλέγματος. Επειδή αυτές οι θέσεις ανομαλιών είναι ανεξάρτητες της θερμοκρασίας, παράγουν σταθερή αντίσταση. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, τα άτομα στο μεταλλικό πλέγμα εμφανίζουν αυξημένες τριλλήσεις κοντά στις σταθερές θέσεις τους, εμποδίζοντας έτσι την κίνηση των ηλεκτρονίων που διεξάγουν. Επειδή η τριλλήση αυξάνεται γραμμικά με την θερμοκρασία, η αύξηση της αντίστασης που προκαλείται από την τριλλήση εξαρτάται άμεσα από την θερμοκρασία.
Το πλατινό έχει γίνει ευρέως αποδεκτό στη βιομηχανική μέτρηση. Τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν χημική σταθερότητα, σχετικά εύκολη κατασκευή (ειδικά για την παραγωγή νήματος), τη δυνατότητα απόκτησής του σε μορφή υψηλής καθαρότητας και αναπαράγων ηλεκτρικές ιδιότητες. Αυτές οι περιπτώσεις κάνουν τον αισθητήρα αντιστάθμισης πλατινού τον πιο ευρέως αντικαθιστώμενο αισθητήρα θερμοκρασίας.
Οι θερμιστορες κατασκευάζονται από μετάλλειες οξείδων και η αντιστάθμισή τους μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Επειδή η χαρακτηριστική αντιστάθμιση μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, ονομάζεται αισθητήρας αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας (NTC).
Λόγω της φύσης της βασικής διαδικασίας, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που διεξάγουν αυξάνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία. Έτσι, η χαρακτηριστική καμπύλη δείχνει έναν ισχυρό αύξοντα. Αυτή η ειδική μη γραμμικότητα είναι ένα μειονέκτημα των ντιοδών NTC και περιορίζει το αποτελεσματικό τους εύρος θερμοκρασίας σε περίπου 100 °C. Μπορούν φυσικά να γραμμικοποιηθούν με τη βοήθεια αυτοματοποιημένων υπολογιστών. Ωστόσο, η ακρίβεια και η γραμμικότητα δεν μπορούν να καλύψουν τα απαιτήματα μεγάλων διαστημάτων μέτρησης. Η απόκλισή τους σε εναλλασσόμενες θερμοκρασίες είναι επίσης μεγαλύτερη από εκείνη των RTD. Η χρήση τους περιορίζεται σε εφαρμογές παρακολούθησης και δείξεων όπου η θερμοκρασία δεν υπερβαίνει τα 200 °C. Σε αυτές τις απλές εφαρμογές, είναι στην πραγματικότητα καλύτερες από τις πιο ακριβείς θερμοπαρελαφρώσεις και RTDs, λαμβάνοντας υπόψη το χαμηλό κόστος τους και τα σχετικά απλά ηλεκτρονικά κυκλώματα που απαιτούνται.
Η βάση του θερμοζευγματικού είναι η σύνδεση μεταξύ δύο διαφορετικών μετάλλων, θερμιστόρ. Η ένταση που παράγεται από το θερμοζευγματικό και το RTD αυξάνει με τη θερμοκρασία. Σε σύγκριση με τα θερμομέτρα αντιστάσεως, έχουν υψηλότερο όριο θερμοκρασίας, με σημαντική προνομιοκρασία επί πλέιον χιλιάδων βαθμών Celsius. Η μακροπρόθεσμη τους σταθερότητα είναι λίγο φθινούσα (δεκάδες βαθμοί μετά από ένα χρόνο), και η ακρίβεια μέτρησης είναι λίγο φθινούσα (μέσος όρος + 0,75% του μετρητικού διαστήματος). Χρησιμοποιούνται συχνά σε φούρνους, καμίνες, μέτρηση αποσβεστικών αερίων και άλλες περιοχές όπου οι θερμοκρασίες είναι υψηλότερες από 250 °C.
Θερμοηλεκτρικό φαινόμενο
Όταν δύο μέταλλα είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους, προκύπτει θερμοηλεκτρική ένταση λόγω της διαφορετικής δεσμευτικής ενέργειας των ηλεκτρονιών και των ιονιωτικών μετάλλων. Η ένταση εξαρτάται από το μέταλλο ίδιο και τη θερμοκρασία. Για να προκύψει η θερμοηλεκτρική ένταση που γεννά ρεύμα, τα δύο μέταλλα πρέπει φυσικά να είναι συνδεδεμένα και στο άλλο άκρο για να δημιουργηθεί ένα κλειστό κύκλωμα. Έτσι, μια θερμοηλεκτρική ένταση προκαλείται στη δεύτερη σύνδεση. Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Seebeck το 1822. ήδη το 1828, ο Becquerel πρότεινε τη χρήση θερμοζεύγματος πλατύνας-παλλαδίου για τη μέτρηση θερμοκρασίας.
Αν υπάρχει η ίδια θερμοκρασία στις δύο συνδέσεις, δεν υπάρχει ρεύμα επειδή οι μερικές πίεσεις που προκαλούνται στα δύο σημεία αποκαταστάνονται. Όταν η θερμοκρασία στη σύνδεση είναι διαφορετική, η προκύπτουσα ένταση είναι διαφορετική και το ρεύμα ρέει. Επομένως, το θερμοζεύγμα μπορεί να μετρήσει μόνο διαφορά θερμοκρασίας.
Η σημειογραφική σημείωση είναι ένας συμπλοκής που εκτίθεται στη μετρούμενη θερμοκρασία. Η αναφορική συμπλοκή είναι μια συμπλοκή σε γνωστή θερμοκρασία. Επειδή η γνωστή θερμοκρασία είναι συνήθως χαμηλότερη από τη μετρούμενη θερμοκρασία, η αναφορική συμπλοκή ονομάζεται συνήθως κρύα συμπλοκή. Για να υπολογιστεί η πραγματική θερμοκρασία της σημειογραφικής σημείωσης, πρέπει να γνωρίζεται η θερμοκρασία της κρύας άκρης.
Παλαιότερα υπολογιστικά όργανα χρησιμοποιούσαν θερμοστατικά ελεγχόμενα κιβώτια συμπλοκών για να ελέγχουν τη θερμοκρασία της κρύας συμπλοκής σε γνωστές τιμές όπως 50°C. Σύγχρονα υπολογιστικά όργανα χρησιμοποιούν λεπτές φιλμ RTD στην κρύα άκρη για να καθορίσουν τη θερμοκρασία της και να υπολογίσουν τη θερμοκρασία της σημειογραφικής σημείωσης.
Το ηλεκτρικό διαφορικό που παράγεται από το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι πολύ μικρό και είναι μόνο μερικά μικροβολτ ανά βαθμό Κελσίου. Έτσι, οι θερμοζεύγματες δεν χρησιμοποιούνται συνήθως στο διάστημα – 30 έως + 50 °C, επειδή η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της αναφορικής συμπλοκής και της κρύας συμπλοκής είναι πολύ μικρή για να παράγει ένα σήμα χωρίς διαταραχές.
Διασύνδεση RTD
Σε ένα θερμόμετρο αντίστασης, η αντίσταση εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Για να αξιολογηθεί το σήμα εξόδου, μια σταθερή ηλεκτροφορία περνάει μέσω αυτού και μετρείται η διαφορά υψομέτρου που παράγεται. Γι' αυτή τη διαφορά υψομέτρου, ισχύει η νόμος του Ωμ, v = IR.
Η ηλεκτροφορία μέτρησης θα πρέπει να είναι όσο το δυνατό μικρότερη για να αποφευχθεί η θερμανση του αισθητήρα. Μπορεί να θεωρηθεί ότι η ηλεκτροφορία μέτρησης 1mA δεν θα προκαλέσει καμία ξεχωριστή σφάλμα. Η ηλεκτροφορία παράγει μια διαφορά υψομέτρου 0,1V στο PT 100 σε 0 ℃. Αυτό το σήμα θεσμικού πρέπει τώρα να μεταφερθεί μέσω του συνδετικού καλώδιου στο σημείο ενδείξεων ή αξιολόγησης με ελάχιστες τροποποιήσεις. Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικές τύποι συνδέσεων κυκλών:
Κύκλος 2-διαδρομών
Χρησιμοποιείται καλώδιο με δύο πυρήνες για τη σύνδεση μεταξύ του θερμομέτρου και της επεξεργαστικής ηλεκτρονικής. Ως κάθε άλλος ηλεκτρικός διαγωγός, το καλώδιο έχει μια αντίσταση σε σειρά με ένα θερμομετρητή αντίστασης. Έτσι, οι δύο αντιστάσεις προστίθενται μαζί και η ηλεκτρονική την ερμηνεύει ως αύξηση της θερμοκρασίας. Για μεγαλύτερες αποστάσεις, η αντίσταση της γραμμής μπορεί να φτάσει σε διάφορα ωμία και να παράγει σημαντική απόκλιση στην μετρούμενη τιμή.
Κύκλος 3-διαδρομών
Για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση της αντιστάσεως της γραμμής και η αλλοίωσή της με τη θερμοκρασία, συνήθως χρησιμοποιείται κύκλος με τρεις διαδρομές. Περιλαμβάνει την προβολή επιπλέον καλών σε έναν από τους επαφές του RTD. Αυτό οδηγεί σε δύο μετρητικά κύκλους, ένας από τους οποίους χρησιμοποιείται ως αναφορά. Ο κύκλος με τρεις διαδρομές μπορεί να εξισορροπήσει την αντιστάσεια των γραμμών όσον αφορά το μέγεθός της και την αλλαγή της με τη θερμοκρασία. Ωστόσο, όλες οι τρεις διαδρομές πρέπει να έχουν τις ίδιες χαρακτηριστικές και να εκτίθενται στην ίδια θερμοκρασία. Αυτό εφαρμόζεται συνήθως με αρκετή βαθμολογία, κάνοντας τους κύκλους με τρεις διαδρομές την πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδο σήμερα. Δεν απαιτείται ισορρόπηση γραμμής.
Κύκλος 4-διαδρομών
Η καλύτερη μορφή σύνδεσης του θερμόμετρου αντιστάθμισης είναι το κύκλωμα 4-λινών. Η μέτρηση δεν εξαρτάται ούτε από την αντιστάθμιση των γραμμών ούτε από τις αλλαγές που προκαλεί η θερμοκρασία. Δεν απαιτείται ισορροπια γραμμών. Το θερμόμετρο παρέχει τρέχουσα μέτρησης μέσω μιας ηλεκτρικής σύνδεσης. Η έλλειψη υποτονίας στη γραμμή μέτρησης καταλαμβάνεται από τη γραμμή μέτρησης. Εάν η εισαγωγική αντιστάθμιση ενός ηλεκτρονικού συσκευασίου είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από την αντιστάθμιση των γραμμών, η τελευταία μπορεί να αγνοηθεί. Η έλλειψη υποτονίας που καθορίζεται με αυτόν τον τρόπο είναι ανεξάρτητη από τις ιδιότητες της σύνδεσης. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται συνήθως μόνο για επιστημονικά όργανα που απαιτούν ακρίβεια μέτρησης μιας εκατοστής.
μεταφορεύς 2-λινών
Με τη χρήση μιας μεταφορικής 2-λωρου αντί για ένα καλώδιο πολλαπλών λωρών, το πρόβλημα ενός κυκλώματος 2-λωρου όπως αυτό που περιγράφεται παραπάνω μπορεί να αποφευχθεί. Η μεταφορική μετατρέπει το σήμα του αισθητήρα σε ένα κανονικοποιημένο σήμα ρεύματος 4-20mA, το οποίο είναι ανάλογο με τη θερμοκρασία. Η παροχή δύναμης στη μεταφορική λειτουργεί επίσης μέσω των ίδιων δύο συνδέσεων, χρησιμοποιώντας ένα βασικό ρεύμα 4 mA. Η μεταφορική 2-λωρου προσφέρει μια πρόσθετη προνομιού, δηλαδή η επιδείξη σήματος μειώνει σημαντικά την επίδραση της εξωτερικής διαταραχής. Υπάρχουν δύο διατάξεις για τη θέση της μεταφορικής. Επειδή η απόσταση μεταξύ των μη επιδεικτών σημάτων πρέπει να είναι όσο το δυνατόν κορτέστερη, ο επιδεικτής μπορεί να εγκατασταθεί άμεσα στο θερμόμετρο στο τερματικό του κεφαλιού. Αυτή η καλύτερη λύση είναι μερικές φορές αδύνατη λόγω αρχιτεκτονικών λόγων ή λόγω της σκέψης ότι η μεταφορική μπορεί να είναι δύσκολη να φτάσει σε περίπτωση αποτυχίας. Σε αυτή την περίπτωση, η μεταφορική που εγκαθίσταται στον ράιλ εγκαθίσταται στο ταμείο ελέγχου. Το προνόμιο της βελτιωμένης πρόσβασης είναι ότι αγοράζεται με το κόστος μιας μεγαλύτερης απόστασης που πρέπει να διανύσει το μη επιδεικτό σήμα.
Διασύνδεση θερμιστόρων
Η αντίσταση ενός θερμιστόρα είναι συνήθως πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από εκείνη των καλών διασύνδεσης. Έτσι, η επίδραση της αντίστασης των καλών στις αναγνώσεις θερμοκρασίας είναι αμελητέα, ενώ οι θερμιστόρες συνδέονται σχεδόν πάντα σε διπλή διασύνδεση (2-wire configuration).
Διασύνδεση θερμοπαρευμάτων
Σε αντίθεση με τα RTDS και τα θερμιστόρα, τα θερμοπαρέμματα έχουν θετικές και αρνητικές πόδες, έτσι ώστε η πολαρότητα πρέπει να παρατηρείται. Μπορούν να συνδεθούν άμεσα στον τοπικό μεταφορτιστή 2-κλειδιών και το καλώμενο καλώ από μедь μπορεί να επιστρέψει στο λαμβανόμενο όργανο. Εάν το λαμβανόμενο όργανο μπορεί να δεχτεί άμεσα εισαγωγέα από θερμοπαρέμματα, πρέπει να χρησιμοποιηθεί το ίδιο καλώ του θερμοπαρεμμάτων ή καλώ επεκτασιακό του θερμοπαρεμμάτων όλη την διαδρομή μέχρι το λαμβανόμενο όργανο.
Ζεστά νέα