Erotus termopari, termistori ja RTD:n välillä

Lämpötilan käsite

Fyysisesti katsoo kuume on mittari energiasta, joka sisältyy kappaleeseen sen molekyylien tai atomien epäsäännöllisen liikkeen takia. Kuten tennispalloilla on enemmän energiaa kasvavalla nopeudella, sisäinen energia kappaleessa tai kaasussa kasvaa, kun lämpötila nousee. Lämpötila on muuttuja, joka yhdessä muiden parametrien, kuten massan ja spesifisen lämpökapasiteetin kanssa, kuvailee kappaleen energiasisältöä.

Perusmitto ympäristön lämpötilalle on Kelvini. 0 ° K:ssa (Elvin) jokainen kohtaaineen molekyyli on rauhassa ja ei enää ole lämpöä. Siksi ei ole mahdollista negatiivista lämpötilaa, koska ei ole olemassa alhaisempaa energiatilaa.

Päivittäisessä käytössä käytetään yleensä celsiusasteikkoa (ennen sitä sentigradi). Sen nollapisteenä on veden jähmistemperatuuri, joka voidaan helposti reproducidoida käytännössä. Nyt 0 °C ei tarkoita lainkaan matalinta lämpötilaa, sillä kaikki tietävät kokemuksestaan, että se voi laskea vielä matalimmaksi. Jos laajennetaan celsiusasteikkoa pienimpään lämpötilaan, jossa kaikki molekyyliliike lopettaa, päädytään –273,15 asteeseen.

Ihminen voi mitata lämpötilan aistinsa kautta rajoitetussa alueessa. Kuitenkin hän ei onnistunut toistamaan tarkkoja mittaustuloksia. Ensimmäinen muoto kvantitatiiviselle lämpötilamittaukselle kehitettiin Floranssissa varhaisella 1600-luvulla ja se perustui alkoholin laajenemiseen. Mittakaava perustuu korkeimpiin kesä- ja talvilämpötiloihin. Sata vuotta myöhemmin ruotsalainen tähtitieteilijä Celsius korvasi sen veden sulamispisteellä ja koipisteellä. Tämä antaa termometrille mahdollisuuden tarkentaa tai venyttää milloin tahansa ja toistaa lukemat myöhemmin.

Sähköinen lämpötilamittaus

Lämpötilamittaus on tärkeää monissa sovelluksissa, kuten rakennuskontrollissa, elintarviketeollisuudessa ja teräs- sekä petrokemiallisten tuotteiden valmistuksessa. Nämä erittäin erilaiset sovellukset edellyttävät lämpötilasensorien erilaisia fyysisiä rakenteita ja usein myös erilaisia teknologioita.

Teollisuus- ja kaupalliset sovellukset vaativat usein mittauspisteitä, jotka ovat kaukana ilmaisemispisteistä tai ohjauspisteistä. Mittausten jälkikäsittely tapahtuu yleensä ohjaimissa, tallentimissa tai tietokoneissa. Nämä sovellukset eivät ole sopivia suoraan lämpömittareille, joita käytetään tavallisessa käytössä, vaan lämpötilaa on muutettava toiseen muotoon, sähköiseen signaaliin. Tämän etäsignaalin antamiseksi käytetään yleensä RTD:tä. Termistoreja ja termoparija.

RTD hyödyntää metalin vastuksen muuttumisen lämpötilan mukaan. Ne ovat positiivisten lämpökerrointen (PTC) ajoittaisia sensorit, joiden vastus kasvaa lämpötilan kanssa. Pääasiallisesti käytettyjä metalleja ovat platina ja nikkeli. Yleisimmin käytetyt sensorit ovat 100 ohmman tai 1000 ohmman RTD tai platinaresistanssilämpömittarit.

RTD on tarkoin sensori teollisiin sovelluksiin ja se tarjoaa myös parhaan pitkän aikavälin vakauden. Plaatinaresistanssin tarkkuuden edustava arvo on + 0,5 % mittaetemperatuurista. Vuoden kuluttua resistanssiin voi esiintyä + 0,05 °C muutos ikääntymisen vuoksi. Plaatinaresistanssitermitermometrit käyttävät lämpötilavälillä – 200 astetta 800 °C.

Vastuksen muutos lämpötilan mukaan

Metalin johtavuus riippuu johtavien elektronien liikkumiskyvystä. Jos jännite käytetään kablan päässä, elektronit liikkuvat positiiviseen pölyyn. Verkoston viopeet häiritsevät tätä liikettä. Niihin kuuluvat ulkopuoliset tai puuttuvat verkoston atomit, granarajojen ja verkostoposisioiden välillä olevat atomit. Koska näitä viopeita ei vaikuttele lämpötila, ne tuottavat vakion vastuksen. Kun lämpötila nousee, metalliverkoston atomit näyttävät lisääntyneen värinnytön verkon ympärillä, mikä hankaloittaa johtavien elektronien liikkumista. Koska värinnytös kasvaa suoraan lämpötilan kanssa, värinnytökseen liittyvä vastusnousu riippuu suoraan lämpötilasta.

Platina on saanut laajaa hyväksyntää teollisessa mittauksessa. Sen edut sisältävät kemiallisen vakauden, suhteellisen helpoiten toteutettavan valmistuksen (erityisesti säikeen tuotannossa), mahdollisuuden saada se korkeassa pureussyötteessä ja toistuvat sähköiset ominaisuudet. Nämä ominaisuudet tekevät platina-ohusensorista laajasti vaihdeltavimmaksi lämpötilasensoriksi.

Termistoreita tehdään joitakin metalioksia käyttäen, ja niiden vastus vähenee kun lämpötila nousee. Koska vastus pienenee kun lämpötila nousee, sitä kutsutaan negatiiviseksi lämpötilakerroin (NTC) -sensoriksi.

Perusprosessin luonteesta johtuen johtavien elektronien määrä kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan kanssa; siksi ominaispiirre näyttää vahvasta kasvusta. Tämä ilmeinen epälinjaarisuus on NTC-vastusten haitta ja rajoittaa sen tehokkaan lämpötilavälin täysin noin 100 °C:een. Ne voidaan tietenkin lineaarisoida automatisoituja tietokoneita käyttäen. Kuitenkin tarkkuus ja linjaarisuus eivät voi täyttää suuren mittausvälin vaatimuksia. Niiden vaimeneminen vaihtelevissa lämpötiloissa on myös suurempi kuin RTD-vastusten. Niiden käyttö on rajoitettu valvontajärjestelmiin ja indikaattorikäyttöön, jossa lämpötila ei ylitä 200 °C. Tässä yksinkertaisessa sovelluksessa ne ovat itse asiassa parempia kuin kalliimmat termoparit ja RTDs, ottaen huomioon niiden alhaisen hinnan ja suhteellisen yksinkertaiset elektroniset piirit, jotka niihin vaaditaan.

Termoparin perusta on kahden eri metallin yhteys, termistori. Termoparista syntyy jännite ja RTD:n antama jännite kasvavat lämpötilan kanssa. Vertailuna vastuslämpömittareihin ne ovat parempaa yläraja-lämpötiloissa, useita tuhansia celsius-asteita suuremmalla etulyöntiehdolla. Niiden pitkäjänteinen vakaus on hieman heikompi (muutama aste vuodessa), ja mittaustarkkuus on hieman huonompi (keskimäärin + 0,75% mittausalueesta). Ne käytetään usein uunissa, uunien ja puhalluskaasun mittauksissa sekä muissa alueissa, joissa lämpötilat ylittävät 250 °C.

Termosähkövaikutus

Kun kaksi metalia on yhdistetty toisiinsa, syntyy termosähköinen jännite eri elektronien ja metalliionien sidonta-energian vuoksi. Jännite riippuu metallista itsestään ja lämpötilasta. Jotta tämä termojännite voisi tuottaa virtaa, metallit täytyy tietenkin olla toisessa päässä yhdistetyinä suljetun piirin muodostamiseksi. Tällöin syntyy termojännite myös toisessa kytkennässä. Termosähkövaikutusta keksi Seebeck vuonna 1822. jo vuonna 1828 Becquerel ehdotti plaatini-palladiumpariakon käyttöä lämpötilan mittaukseen.

Jos molemmilla kytkemällä on sama lämpötila, ei tapahdu virtausia, koska kahdessa pisteessä syntynyttä osapaineita peruuttavat toisensa. Kun kytkemän lämpötila eroaa, syntyy erilainen jännite ja virta kulkee. Siksi termopari voi mitata vain lämpötilaeroa.

Mittauspiste on yhdisteenksiköön kuuluva solmu, joka on alttina mittatun lämpötilan vaikutukselle. Viiteyhdisteenksiköön kuuluva solmu on taas solmu, joka sijaitsee tunnetussa lämpötilassa. Koska tunnettu lämpötila on yleensä matalampi kuin mittattu lämpötila, viiteyhdisteenksiköön kuuluva solmu kutsutaan usein kylmäksi solmuksi. Mittauspisteen todellisen lämpötilan laskemiseksi kylmän päähän liittyvän lämpötilan on oltava tiedossa.

Vanhemmat laitteet käyttävät termostaattisia ohjausyhteyshokseja kylmän solmun lämpötilan säätämiseen tunnetuksi arvoiksi, kuten 50c. Modernit laitteet käyttävät ohuttfilmisiä RTD-elementtejä kylmän pään lämpötilan määrittämiseksi ja sen perusteella laskevat mittauspisteen lämpötilan.

Termosähkövaikutuksen aiheuttama jännite on erittäin pieni ja se on vain muutama mikrovoltti celsiusasteelta. Siksi termoparija ei yleensä käytetä välillä – 30 to + 50 ° C, koska ero viitesolmun ja mittauspisteen lämpötiloissa on liian pieni tuottaa häiriötonta signaalia.

RTD-johdot

Vastuslämpötilamittarissa vastus vaihtelee lämpötilan mukaan. Tulospäivitteen arviointiin sen kautta kulkee vakiovirta ja sen päälle syntynyt jännite mitataan. Tämän jänniteen muodostumisessa noudatetaan Ohmin lainsäädäntöä, v = IR.

Mittaustehon tulisi olla mahdollisimman pieni välttääkseen aistijan lämpöminen. Mittaustehon 1mA voidaan katsoa ei tuottavan merkittävää virhettä. Tämä virta aiheuttaa PT 100:ssa jännitteenvaihtelun 0,1V 0 ℃:ssa. Tämä signaalijännite täytyy nyt välittää yhdyskaabelin kautta näyttö- tai arviointipisteeseen mahdollisimman vähän muuttuneena. On olemassa neljä erilaista yhteyden muotoilua:

2-johdolinja

Kaksijohdolin kaapeli käytetään yhteyden luomiseen termometrin ja arviointielektroniikan välillä. Kuten mikä tahansa muukin sähköinen johto, kaapellilla on vastus sarjassa resistanssitermometrin kanssa. Seuraustena kaksi vastusta lisätään yhteen ja elektroniikka tulkitsii sen lämpötilan nousevan. Pitempien etäisyyksien kohdalla johtovastus voi saavuttaa useita ohmeja ja tuottaa merkittävän siirtymän mittarvoissa.

3-johdolinja

Jotta minimoidaan johtopisteen vastuvaikutus ja sen muutos lämpötilan mukaan, käytetään yleensä kolmenjohtoista piiriä. Se sisältää ylimääräisten johtojen vedon RTD:n yhteyteen. Tämä johtaa kahden mittauspiirin syntymiseen, joista toisessa käytetään viitettä. Kolmenjohtoinen piiri voi kompensoida johtovastuksen määrän ja lämpötilamuutoksen. Kuitenkin kaikilla kolmella johtoilla on oltava samat ominaisuudet ja niiden tulee olla alttina samalle lämpötilalle. Tätä sovelletaan yleensä tarpeeksi laajasti, jotta kolmenjohtoiset piirit ovat suosituin menetelmä nykyään. Ei vaadita johtojen tasapainottamista.

4-johdolinja

Vastuslämpötilasäädännön parhain yhteysmuoto on nelijohdinen piiri. Mittaustulos ei riipu johdon vastuksesta eikä lämpötilasta johtuvista muutoksista. Johdon tasapainottaminen ei ole tarpeen. Lämpötilasäädin toimittaa mittausvirran kautta virtaantulon. Mittausjohto naputtaa mittausjohtoon syntyvän jännitteen. Jos sähkölaiteksen sisäänpääsyvastus on moninkertainen johdon vastusta, johdon vastus voidaan jättää huomioimatta. Tällä tavalla määrätty jännite on riippumaton yhdistävästä johteesta. Tätä teknologiaa käytetään yleensä vain tieteellisille laitteille, jotka edellyttävät mittakaavan sadasosan tarkkuutta.

2-johdoinen lähettäjä

Kahden kaapelituen käyttöön asettamalla sijasta monikaapelinen kabeli, voidaan välttää yllä mainittu ongelma kahden kaapelituksen kanssa. Lähettäjä muuntaa aistinteen signaalin normaalikokoiseksi 4-20mA:n virraksi, joka on suoraan verrannollinen lämpötilaan. Lähettäjän virtalähde toimii myös saman kahden yhteyden välityksellä perusvirtaa 4 mA käyttämällä. Kahden kaapelituksen lähettäjä tarjoaa lisäedun, nimittäin että signaalin verhoaminen vähentää huomattavasti ulkoisen häirinnän vaikutusta. On olemassa kaksi vaihtoehtoa lähettimen paikantamiseksi. Koska ei-verhotunut signaali tulisi pitää mahdollisimman lyhyenä, verhoitin voi olla suoraan termometrin päälaitteessa sen päässä asennettuna. Tämä paras ratkaisu ei aina ole toteuttamiskelpoinen rakenteellisten syiden tai harkintakysymysten vuoksi, koska lähettimen saattaisi olla vaikea saavuttaa, jos se menee rikki. Tällöin raillitettu lähettäjä asennetaan ohjaussaippuun. Parannetun pääsyyn edustus on ostettava korkeamman hinnan kautta, koska ei-verhotunut signaali täytyy kulkea pidemmän matkan.

Termistöjohto

Termiston vastus on yleensä useita kertalukuja suurempi kuin mikään johtopari. Siksi johtovastuksen vaikutus lämpötilaluettuihin on hahmoton, kun termistot ovat melkein aina muodostettu 2-johdolla.

Termopaarijohto

RTDS:eissä ja termistoissa ei ole positiivisia tai negatiivisia jaloja, joten polariteettia on noudatettava. Ne voidaan yhdistää suoraan paikalliseen 2-johdolla toimivaan lähettimeen ja kopparijohto voi palautua vastaanottavaan laitteeseen. Jos vastaanottava laite voi hyväksyä termopaarisyötteen suoraan, sama termopaarijohto tai termopaarilisäjohto on käytettävä kaikkien takaisin vastaanottavaan laitteeseen.