थर्मोकपल, थर्मिस्टर और RTD के बीच अंतर

तापमान की कoncept

भौतिकी की दृष्टि से, ऊष्मा शरीर में इसके अणुओं या परमाणुओं के अनियमित गति से कारण हुए ऊर्जा का मापन है। जैसे ही टेनिस गेंदें तेजी से चलती हैं, उनकी ऊर्जा बढ़ती है, वैसे ही तापमान बढ़ने पर शरीर या गैस की आंतरिक ऊर्जा बढ़ती है। तापमान एक चर है जो शरीर की ऊर्जा की मात्रा का वर्णन अन्य पैरामीटरों जैसे द्रव्यमान और विशिष्ट ऊष्मा के साथ करता है।

तापमान का मूलभूत माप केल्विन डिग्री है। 0 ° K (एल्विन) पर, शरीर के प्रत्येक अणु स्थिर हो जाता है और कोई भी ऊष्मा नहीं बची है। इसलिए, कम ऊर्जा की कोई स्थिति नहीं होने के कारण, ऋणात्मक तापमान की कोई संभावना नहीं है।

दैनिक उपयोग में, सामान्य रूप से सेल्सियस (पूर्व में सेंटीग्रेड) का उपयोग किया जाता है। इसका शून्य बिंदु पानी के हिमांत पर है, जिसे कार्यात्मक रूप से आसानी से पुनः उत्पन्न किया जा सकता है। अब 0 ° C कोई भी सबसे कम तापमान नहीं है, क्योंकि अनुभव से सबको पता है। सेल्सियस पैमाने को ऐसे सबसे कम तापमान तक फैलाने पर, जिसमें सभी अणुओं की गति रुक जाती है, हम – 273.15 डिग्री पर पहुंच जाते हैं।

मानव को तापमान को मापने की क्षमता अपनी इंद्रियों के माध्यम से सीमित परिसर में है। हालांकि, उसे सटीक रूप से मात्रात्मक मापन करने में असमर्थ था। मात्रात्मक तापमान मापन का पहला रूप 17वीं शताब्दी की शुरुआत में फ्लोरेंस में विकसित किया गया और यह शराब के प्रसार पर निर्भर करता था। स्केलिंग गर्मियों और सर्दियों के सबसे ऊंचे तापमान पर आधारित है। सौ साल बाद, स्वीडिश खगोलशास्त्री सेल्सियस ने इसे पानी के पिघलने और उबालने के बिंदुओं के साथ बदल दिया। यह थर्मामीटर को किसी भी समय जूम करने और बाद में पठन पुन: उत्पन्न करने का मौका देता है।

विद्युत मापन तापमान

तापमान मापन कई अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण है, जैसे कि इमारत कंट्रोल, भोजन संसाधन, और स्टील और पेट्रोकेमिकल उत्पादों के निर्माण में। ये बहुत अलग-अलग अनुप्रयोग अलग-अलग भौतिक संरचनाओं वाले तापमान सेंसरों की आवश्यकता रखते हैं और आमतौर पर अलग-अलग प्रौद्योगिकियों का उपयोग करते हैं।

प्रारूपिक और व्यापारिक अनुप्रयोगों में, मापन बिंदु आमतौर पर संकेत या नियंत्रण बिंदुओं से दूर होते हैं। मापन की अधिक प्रसंस्करण की आवश्यकता सामान्यतः नियंत्रक, रिकॉर्डर्स या कंप्यूटर में होती है। ये अनुप्रयोग थर्मामीटर के सीधे संकेतन के लिए उपयुक्त नहीं हैं, क्योंकि हम उन्हें रोजमर्रा के उपयोग से जानते हैं, लेकिन तापमान को दूसरे रूप में बदलने की आवश्यकता होती है, यह विद्युत संकेत है। इस दूरस्थ विद्युत संकेत को प्रदान करने के लिए, RTD (Resistance Temperature Detector) आमतौर पर उपयोग में लाया जाता है। थर्मिस्टर्स और थर्मोकपल्स भी होते हैं।

RTD धातु प्रतिरोध के तापमान के साथ बदलने की विशेषता का उपयोग करता है। वे धनात्मक तापमान गुणांक (PTC) सेंसर हैं जिनका प्रतिरोध तापमान के साथ बढ़ता है। प्रमुख धातुएं प्लेटिनम और निकेल हैं। सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली सेंसर 100 ओम या 1000 ओम RTDS हैं या प्लेटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर।

आरटीडी औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए सबसे अधिक सटीक सेंसर है और यह सबसे अच्छी लंबे समय तक की स्थिरता भी प्रदान करता है। प्लैटिनम प्रतिरोध सटीकता का प्रतिनिधि मान अपमानित तापमान का + 0.5% है। एक वर्ष के बाद, जर्दमिलाप के माध्यम से + 0.05 ° C का परिवर्तन हो सकता है। प्लैटिनम प्रतिरोध थर्मामीटरों का तापमान दीर्घ - 200 से 800 ° C है।

तापमान के साथ प्रतिरोध का परिवर्तन

एक धातु की चालकता चालक इलेक्ट्रॉनों की चलनशीलता पर निर्भर करती है। यदि तार के छोर पर वोल्टेज लगाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन सकारात्मक ध्रुव की ओर चलते हैं। जालक में खराबी इस गति को बाधित करती हैं। वे बाह्य या अनुपस्थित जालक परमाणु, जालक सीमा पर और जालक स्थानों के बीच परमाणुओं को शामिल करती हैं। क्योंकि ये दोषी स्थान तापमान से स्वतंत्र हैं, वे निरंतर प्रतिरोध उत्पन्न करते हैं। तापमान के बढ़ने से, धातु जालक में परमाणु अपनी स्थिर स्थितियों के पास बढ़ी हुई दोलन प्रदर्शित करते हैं, इस प्रकार चालक इलेक्ट्रॉनों की गति को रोकते हैं। क्योंकि दोलन तापमान के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है, दोलन द्वारा कारण बनाया गया प्रतिरोध तापमान पर सीधे निर्भर करता है।

प्लेटिनम को औद्योगिक मापन में व्यापक रूप से स्वीकार किया गया है। इसके फायदों में रासायनिक स्थिरता, अपेक्षातः आसान निर्माण (विशेष रूप से तार निर्माण के लिए), उच्च शुद्धता के रूप में प्राप्त करने की संभावना, और पुनरावृत्ति-योग्य विद्युत गुण शामिल हैं। ये विशेषताएँ प्लेटिनम प्रतिरोध सेंसर को सबसे व्यापक रूप से बदलने योग्य तापमान सेंसर बनाती हैं।

थर्मिस्टर कुछ धातु ऑक्साइडों से बनाए जाते हैं और उनका प्रतिरोध तापमान के साथ बढ़ने पर कम होता है। क्योंकि प्रतिरोध विशेषता तापमान के साथ घटती है, इसे नकारात्मक तापमान गुणांक (NTC) सेंसर कहा जाता है।

बुनियादी प्रक्रिया की प्रकृति के कारण, तापमान के साथ चालक इलेक्ट्रॉनों की संख्या घातीय रूप से बढ़ती है; इसलिए, विशेषता में एक मजबूत वृद्धि होती है। यह स्पष्ट असीमितता NTC रिसिस्टर्स की एक कमी है और इसकी प्रभावी तापमान श्रेणी को लगभग 100 °C तक सीमित करती है। उन्हें ऑटोमेटेड कंप्यूटरों द्वारा रैखिक बनाया जा सकता है। हालांकि, नियमितता और रैखिकता बड़े मापन फैलाव की मांगों को पूरा नहीं कर सकती है। उनका बदलते तापमान पर ड्रिफ्ट RTD की तुलना में बड़ा होता है। उनका उपयोग केवल उन पर्यवेक्षण और संकेतन अनुप्रयोगों में सीमित है जहां तापमान 200 °C से अधिक नहीं होता। इस सरल अनुप्रयोग में, उनकी लागत कम होने और आवश्यक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्स की तुलनात्मक रूप से सरलता को ध्यान में रखते हुए, वे अधिक महंगे थर्मोकपल्स और RTDs की तुलना में वास्तव में बेहतर हैं।

थर्मोकपल की आधारभूत जानकारी दो अलग-अलग धातुओं के बीच कनेक्शन पर है, थर्मिस्टर। थर्मोकपल द्वारा उत्पन्न वोल्टेज और RTD तापमान के साथ बढ़ता है। प्रतिरोध थर्मामीटर की तुलना में, उनकी ऊपरी तापमान सीमा अधिक होती है, कई हजार डिग्री सेल्सियस के कारण एक महत्वपूर्ण फायदा है। उनकी लंबे समय तक की स्थिरता थोड़ी कम है (एक साल बाद कुछ डिग्री), और माप की सटीकता थोड़ी कम है (औसतन + 0.75% माप क्षेत्र का)। वे अक्सर चूल्हों, कamine, धुएं के मापन और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किए जाते हैं, जहाँ तापमान 250 °C से अधिक होता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव

जब दो धातुओं को एक साथ जोड़ा जाता है, तो इलेक्ट्रॉन्स और धातु आयनों की अलग-अलग बांधन ऊर्जा के कारण थर्मोइलेक्ट्रिक वोल्टेज उत्पन्न होता है। यह वोल्टेज धातु पर खुद और तापमान पर निर्भर करता है। तापीय वोल्टेज के लिए विद्युत धारा को उत्पन्न करने के लिए, दो धातुओं को अवश्य ही दूसरी ओर जोड़ा जाना चाहिए ताकि एक बंद परिपथ बन जाए। इस तरह, दूसरे जंक्शन पर एक तापीय वोल्टेज उत्पन्न होता है। थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव को 1822 में सीबेक ने खोजा। 1828 में ही, बेकुएरेल ने तापमान मापने के लिए प्लेटिनम पैलेडियम थर्मोकपल का उपयोग सुझाया।

यदि दोनों जंक्शनों पर समान तापमान होता है, तो कोई धारा प्रवाह नहीं होती है क्योंकि दोनों बिंदुओं पर उत्पन्न किए गए आंशिक दबाव एक दूसरे को रद्द कर देते हैं। जब जंक्शन पर तापमान अलग होता है, तो उत्पन्न वोल्टेज अलग होता है और धारा प्रवाहित होती है। इसलिए, थर्मोकपल केवल तापमान का अंतर माप सकता है।

मापन बिंदु एक संधि है जो मापी गई तापमान से प्रत्यक्ष संपर्क में होती है। संदर्भ संधि एक ऐसी संधि होती है जो एक ज्ञात तापमान पर होती है। क्योंकि ज्ञात तापमान आमतौर पर मापी गई तापमान से कम होता है, संदर्भ संधि को आमतौर पर ठंडी संधि कहा जाता है। मापन बिंदु की वास्तविक तापमान की गणना करने के लिए, ठंडी छोर का तापमान ज्ञात होना चाहिए।

पुराने उपकरण थर्मोस्टैटिक नियंत्रित संधि बॉक्स का उपयोग करके ठंडी संधि के तापमान को 50°c जैसे ज्ञात मान पर नियंत्रित करते हैं। आधुनिक उपकरण ठंडी छोर पर पतली-फिल्म RTD का उपयोग करते हैं ताकि इसका तापमान जानकारी के अनुसार निकाला जा सके और मापन बिंदु का तापमान गणना किया जा सके।

थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव द्वारा उत्पन्न वोल्टेज बहुत छोटा होता है और यह केवल कुछ माइक्रोवोल्ट प्रति डिग्री सेल्सियस होता है। इसलिए, -30 से +50° C की सीमा में थर्मोकपल आमतौर पर उपयोग में नहीं लाए जाते हैं, क्योंकि संदर्भ संधि तापमान और मापन बिंदु तापमान के बीच अंतर बहुत छोटा होता है जिससे एक अव्याजित संकेत उत्पन्न नहीं होता।

RTD तारबंदी

एक प्रतिरोधी थर्मामीटर में, प्रतिरोध तापमान के साथ बदलता है। आउटपुट सिग्नल का मूल्यांकन करने के लिए, एक स्थिर विद्युत इसके माध्यम से गुज़रती है और इसके माध्यम से होने वाला वोल्टेज ड्रॉप मापा जाता है। इस वोल्टेज ड्रॉप के लिए, ओम का कानून पालन करता है, v = IR।

सेंसर को गर्म न करने के लिए मापन विद्युत ज्यादा से ज्यादा छोटी होनी चाहिए। 1mA की मापन विद्युत को अपेक्षित किया जा सकता है कि यह किसी स्पष्ट त्रुटि को नहीं लाएगी। यह विद्युत PT 100 में 0 ℃ पर 0.1V का वोल्टेज ड्रॉप उत्पन्न करती है। अब इस सिग्नल वोल्टेज को मापने या मूल्यांकन के बिंदु तक जोड़ने वाले केबल के माध्यम से न्यूनतम संशोधन के साथ पहुंचाना होगा। चार अलग-अलग प्रकार के जोड़ने के परिपथ हैं:

2-तार परिपथ

थर्मामीटर और मूल्यांकन इलेक्ट्रॉनिक्स के बीच कनेक्शन के लिए 2-कोर केबल का उपयोग किया जाता है। किसी भी अन्य विद्युत चालक की तरह, केबल में एक प्रतिरोध होता है जो एक प्रतिरोध थर्मामीटर के साथ श्रृंखला में होता है। परिणामस्वरूप, दो प्रतिरोध एक साथ जुड़ जाते हैं और इलेक्ट्रॉनिक्स को यह तापमान की बढ़ोतरी के रूप में व्याख्या करता है। लंबी दूरियों के लिए, लाइन प्रतिरोध कई ओम पहुंच सकता है और मापी गई मान के महत्वपूर्ण विस्थापन का कारण बन सकता है।

3-तार परिपथ

लाइन प्रतिरोध और तापमान के साथ इसकी फ्लक्चुएशन के प्रभाव को न्यूनतम करने के लिए, आमतौर पर एक तीन-तार परिपथ का उपयोग किया जाता है। इसमें RTD के एक संपर्क पर अतिरिक्त तार चलाने का समावेश होता है। यह दो मापन परिपथ पैदा करता है, जिनमें से एक का उपयोग संदर्भ के रूप में किया जाता है। 3-तार परिपथ लाइन प्रतिरोध की संख्या और तापमान परिवर्तन के लिए प्रतिरोध का बदलाव कर सकता है। हालांकि, तीनों चालक को समान विशेषताएँ होनी चाहिए और उन्हें समान तापमान के अधीन कराया जाना चाहिए। यह आमतौर पर पर्याप्त हद तक लागू किया जाता है कि 3-तार परिपथ आज की तारीख पर सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली विधि बन गई है। कोई लाइन बैलेंसिंग की आवश्यकता नहीं होती है।

4-तार परिपथ

प्रतिरोधी थर्मामीटर का सबसे अच्छा कनेक्शन फॉर्म 4-वायर सर्किट है। मापन न तो लाइन प्रतिरोध पर निर्भर करता है और न ही तापमान द्वारा उत्पन्न परिवर्तनों पर। कोई लाइन बैलेंसिंग आवश्यक नहीं है। थर्मामीटर मापन धारा को एक पावर कनेक्शन के माध्यम से प्रदान करता है। मापन लाइन पर वोल्टेज ड्रॉप मापन लाइन द्वारा उठाया जाता है। यदि एक इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस का इनपुट प्रतिरोध लाइन प्रतिरोध से कई गुना अधिक है, तो बाद वाले को नज़रअंदाज किया जा सकता है। इस तरीके से निर्धारित वोल्टेज ड्रॉप कनेक्टिंग वायर के गुणों से स्वतंत्र होता है। यह तकनीक आमतौर पर वैज्ञानिक यंत्रों के लिए ही उपयोग की जाती है जिन्हें एक सौवें तक की मापन सटीकता की आवश्यकता होती है।

2-वायर ट्रांसमिटर

2-wire ट्रांसमिटर का उपयोग करके multi wire केबल के स्थान पर, ऊपर वर्णित 2-wire सर्किट की समस्या को रोका जा सकता है। ट्रांसमिटर सेंसर संकेत को 4-20mA का एक normalized विद्युत संकेत में बदल देता है, जो तापमान के अनुपाती होता है। ट्रांसमिटर की विद्युत आपूर्ति भी उसी दो जड़ित्यों के माध्यम से चलती है, 4 mA की बुनियादी धारा का उपयोग करके। 2-wire ट्रांसमिटर का एक अतिरिक्त फायदा है, यह है कि सिग्नल एम्प्लिफिकेशन बाहरी परेशानियों के प्रभाव को काफी कम कर देता है। ट्रांसमिटर को स्थापित करने के लिए दो व्यवस्थाएं हैं। क्योंकि अनएम्प्लिफाइड सिग्नल के बीच की दूरी संभवतः सबसे कम होनी चाहिए, इसलिए एम्प्लिफायर को थर्मामीटर पर इसके terminal head में सीधे स्थापित किया जा सकता है। यह सबसे अच्छा समाधान कभी-कभी संरचनात्मक कारणों या यह विचार के कारण संभव नहीं होता है कि ट्रांसमिटर को अगर कोई तकनीकी समस्या हो तो पहुंचने में कठिनाई हो सकती है। ऐसी स्थिति में, control cabinet में rail mounted ट्रांसमिटर स्थापित किया जाता है। सुधारित पहुंच का फायदा यह है कि यह खरीदा जाता है, लेकिन यह बदले में उस दूरी का मूल्य चुकाता है जिस पर अनएम्प्लिफाइड सिग्नल को यात्रा करनी पड़ती है।

थर्मिस्टर तारबंदी

एक थर्मिस्टर का प्रतिरोध सामान्यतः किसी भी तार तार के प्रतिरोध से कई क्रमांक अधिक होता है। इसलिए, तापमान पठनों पर तार प्रतिरोध का प्रभाव नगण्य होता है, जबकि थर्मिस्टर लगभग हमेशा एक 2-तार कॉन्फिगरेशन में जुड़े होते हैं।

थर्मोकपल तारबंदी

आरटीडीएस और थर्मिस्टर के विपरीत, थर्मोकपल में सकारात्मक और नकारात्मक पैर होते हैं, इसलिए ध्रुवता का पालन किया जाना चाहिए। वे सीधे स्थानीय 2-तार ट्रांसमिटर से जुड़े हो सकते हैं और कैंसर तार को प्राप्ति यंत्र तक वापस किया जा सकता है। यदि प्राप्ति यंत्र सीधे थर्मोकपल इनपुट स्वीकार कर सकता है, तो एक ही थर्मोकपल तार या थर्मोकपल एक्सटेंशन तार का उपयोग प्राप्ति यंत्र तक वापस करने के लिए किया जाना चाहिए।