Atšķirība starp termopāru, termistoru un RTD

Temperatūras jēdziens

Fizikas viedoklī siltums ir enerģijas mērs, kas saturas jautrībā dēļ tā molekulu vai atomu neregulārā kustības. Tiesa, ka tenisa bumbiņas ar palielinotos ātrumiem iegūst vairāk enerģijas, tāpat arī jautra vai gāzes iekšējā enerģija pieaug, kad palielinās temperatūra. Temperatūra ir mainīgais, kas kopā ar citiem parametriem, piemēram, masu un specifisko siltumniecību, apraksta jautra energijas saturu.

Temperatūras pamatmērvs ir Kelvina grāds. Pie 0 ° K (Elvin) ķermenis katrs molekuls ir mierā un turpmāk nekad vairs nav siltums. Tāpēc negatīva temperatūra nav iespējama, jo nav zināms stāvoklis ar zemāku enerģiju.

Ikvienas dienas praksē parasti tiek izmantoti centigrādi (doto laiku pirms tam bija saukts par centigrādiem). Nulles punkts atrodas ūdens ledus pārvēršanās punktā, kas praktiski viegli atjaunojams. Tagad 0 ° C ne no kā nav viszems temperatūras līmenis, jo ikviens no pieredzes zina, ka temperatūra var būt zemāka. Centigrādu skalu paplašinot līdz tālākajam temperatūras līmeim, kurā visi molekulu kustības apstājas, sasniedz – 273.15 grādus.

Cilvēks spēj mērīt temperatūru caur savām jūtībām ierobežotā diapazonā. Tomēr viņš nevarēja precīzi atkārtot kvantitatīvus mērījumus. Pirmo kvantitatīvo temperatūras mērīšanas veidu izstrādāja Florēnā 17. gadsimta sākumā, un tas balstījās uz alkohola paplašināšanos. Mērogā skala ir pamatota uz augstākajiem temperatūras līmeņiem vasarā un ziemā. Simt gadu vēlāk Zviedrijas astronomis Celsiuss to aizvietoja ar ūdens šķidruma un ķieģeļošanas punktiem. Tas dod termometram iespēju laikam neatkarīgi tuvināties vai attālināties un vēlāk atkārtot lasījumus.

Elektromērīga temperatūra

Temperatūras mērīšana ir svarīga daudzās lietotnes jomās, piemēram, būvniecības kontroli, pārtikas apstrādi un dzelzs vai naftproduktu ražošanā. Šīs ļoti atšķirīgās lietotnes prasa temperatūras sensoriem ar atšķirīgu fizisko struktūru un parasti arī atšķirīgām tehnoloģijām.

Industriālajos un tirdzniecības lietojumos mērījuma punkti parasti atrodas tālu no norādes vai kontroles punktiem. Mērījumu turpmākai apstrādei parasti nepieciešams izmantot regulatūras, reģistrētājus vai datorus. Šie lietojumi nav piemēroti termometru tiešai norādei, kā mēs tos pazīstam ikdienas lietojumā, bet nepieciešams pārvērst temperatūru citā ierīces veidā - elektriskajā signālā. Lai nodrošinātu attālinātu elektrisko signālu, parasti tiek izmantoti RTD. Termistori un termopāras.

RTD ietver metāla pretestības maiņas īpašību, kas mainās ar temperatūru. Tie ir pozitīva temperatūras koeficienta (PTC) dzinēji, kuru pretestība pieaug ar temperatūru. Galvenie izmantotie metāli ir plātina un nikelis. Visbiežāk izmantotie dzinēji ir 100 omu vai 1000 omu RTDS vai plātinas pretestības termometri.

RTD ir precīzaiss dzinējs rūpnieciskajiem piemēriem un nodrošina arī labāko ilgtermiņa stabilitāti. Platīnas pretestības precizitātes pārstāvīgais vērtība ir + 0,5% no mērītās temperatūras. Pēc viena gada caur vecuma procesu var būt + 0,05 °C mainīgums. Platīnas pretestības temperatūras skaitītājiem temperatūras diapazons ir – 200 līdz 800 °C.

Pretestības maiņa ar temperatūru

Metāla elektrovedība atkarīga no plūsmas elektronu mobilitātes. Ja pie kabenes galu tiek piemērota sprieguma, tad plūsmas elektroni kustas uz pozitīvo polu. Trūkumi tīklā traucē šo kustību. Tie ietver ārējus vai trūkstošus tīkla atomus, granulas robežās esošos atomus un starptīkla vietās esošos atomus. Kadēļ šie trūkumi ir temperatūrai neatkarīgi, tie ražo konstantu pretestību. Ar temperatūras pieaugumu metāla tīklā esošie atomi parāda palielinātas sviras savā stacionārajā pozīcijā, tādējādi traucējot plūsmas elektronu kustību. Kad sviras pieauga lineāri ar temperatūru, tad ar sviru izraisītā pretestības pieaugums tieši atbilst temperatūrai.

Platīna ir plaši pieņemta industriālajā mērīšanā. Tās priekšrocības ietver ķīmisko stabilitāti, salīdzinoši vienkāršu izgatavošanu (ierakstā arī drātu ražošanai), iespēju iegūt to augstas tīrības formā un atkārtot spējamo elektroģenerējo līdzību. Šīs raksturlietas padara platīnas pretestības datu uzņēmēju par visvairāk apmaināmo temperatūras datu uzņēmēju.

Terministors veidoti no dažādiem metālu oksīdiem un to pretestība samazinās, palielinoties temperatūrai. Tā kā pretestības raksturs samazinās, palielinoties temperatūrai, tas sauc par negatīvo temperatūras koeficienta (NTC) sensoru.

Tā kā pamatprocesa dēļ, plūstošo elektronu skaits pieaug eksponenciāli ar temperatūru; tādējādi raksturīgais grafiks parāda stipru pieaugumu. Šī skaidrā nelineāris ir NTC rezistoru neelegantums un ierobežo to efektivās temperatūras diapazonu aptuveni līdz 100 °C. Protams, to var lineārizēt ar palīdzību no automātizētiem datoriem. Tomēr precizitāte un lineāritāte nevar atbilst lielu mērvietu prasībām. To drifts mainīgās temperatūras apstākļos arī ir lielāks nekā RTD. To izmantošana ir ierobežota uzraudzības un norādes pielietojumiem, kur temperatūra nepārsniedz 200 °C. Šajā vienkāršajā pielietojumā tie faktiski ir virsotnē salīdzinājumā ar dārgākiem termopāriem un RTD, ņemot vērā to zemo cenu un relatīvi vienkāršos elektronikas aparatūras prasības.

Termopāra pamatā ir savienojums starp diviem dažādiem metāliem, termistoru. Termopāra ģenerētā sprieguma un RTD vērtība pieaug ar temperatūru. Salīdzinot ar pretestības temperatūras mērītājiem, tai ir augstāka augstākā temperatūras robeža, kas sniedz ievērojamu priekšrocību vairāk nekā dažu tūkstošu grādu Celsija diapazonā. Ilgtspējība garlaicīgā laikā ir viegli satriecoša (dažas grādas pēc gada), un mērījumu precizitāte ir viegli satriecoša (vidēji + 0,75% no mērījamo robežu diapazona). Tās bieži tiek izmantotas krāsnēs, cimdiņos, dzirkstu gāzu mērīšanā un citos jomās, kur temperatūras pārsniedz 250 °C.

Termoelektriskais efekts

Kad divi metāli ir savienoti kopā, dēļ elektronu un metāla jonu atšķirīgām saites enerģijām rodas termoelektriskā spriegums. Spriegums atkarīgs no paša metāla un temperatūras. Lai šis termospriegums radītu strāvi, diviem metāliem, protams, jābūt savienoti arī otrā galā, veidojot aizvērtu apvidu. Tādējādi otrā sakartā rodas termospriegums. Termoelektrisko efektu 1822. gadā atklāja Seebeck. Jau 1828. gadā Becquerel ierosināja plātīnas-paladija termopāru izmantošanu temperatūras mērīšanai.

Ja abām sakartām ir vienāda temperatūra, tad strāve neplūst, jo abos punktos radies daļspiedumi pārtrauc viens otru. Kad sakartās temperatūras atšķiras, tad rodas atšķirīgs spriegums un plūst strāve. Tāpēc termopāra var izmantot tikai temperatūras atšķirību mērīšanai.

Mērījuma punkts ir savienojums, kas pakļauts mērojamajai temperatūrai. Reference punkts ir savienojums zināmā temperatūrā. Kad zināmā temperatūra parasti ir zemāka nekā mērojamā temperatūra, reference punkts parasti tiek saukts par kalnu punktu. Lai aprēķinātu mērījuma punkta reālo temperatūru, jāzina kalna galā temperatūra.

Vecākiem instrumentiem tiek izmantoti termostātiski kontrolētie savienojumu kastes, lai kontrollētu kalna punkta temperatūru zināmās vērtības, piemēram, 50 grādus Celsija. Modernie instrumenti izmanto tumšfilmu RTD kalna galā, lai noteiktu tās temperatūru un aprēķinātu mērījuma punkta temperatūru.

Termoelektriskais efekts ražo ļoti mazu spriegumu, kas sastāv tikai no dažiem mikrovoltiem uz katru grādu pēc Celsija. Tāpēc termopāras parasti netiek izmantotas temperatūru diapazonā no – 30 līdz + 50 °C, jo starpnieka punkta temperatūras un reference punkta temperatūras atšķirība ir pārāk maza, lai raizētu nesatraucošu signālu.

RTD kabeltīkls

Pretrādības termometrā pretrāde mainās ar temperatūru. Lai novērtētu izvades signālu, caur to pārliek konstantu strāvu un tiek mērīts sprieguma nolaižas. Šim sprieguma nolaižam ir spēkā Ohma likums, v = IR.

Mērīšanas strāva jābūt tik smalkai, cik iespējams, lai izvairītos no senzora sasilšanas. Var uzskatīt, ka 1mA mērīšanas strāva neieradies jebkādu skaidru kļūdu. Strāva rada 0,1V sprieguma nolaižu PT 100 pie 0 ℃. Šis signāla spriegums tagad jāpārvada caur savienojuma kabeli uz norādīto punktu vai novērtēšanas punktu ar minimāliem grozījumiem. Ir četri dažādi savienojumu apvidus veidi:

2-vires apvidus

Starp temperatūras skaitītāju un novērtēšanas elektroniku savienojumam tiek izmantots 2-žilts kabels. Kā jebkurš cits elektromagnētisks vadītājs, kabals ir ar pretestību virzienā kopā ar temperatūras skaitītāju. Kā rezultātā abas pretestības tiek saskaitītas kopā un elektronika to interpretē kā temperatūras pieaugumu. Ilgākiem attālumiem līnijas pretestība var sasniegt dažus omus un radīt nozīmīgu atkāpi mērītajā vērtībā.

3-vires apvidus

Lai minimizētu līnijas pretestības un tās maiņas ar temperatūru ietekmi, parasti tiek izmantots trīssīpnu apvadu sistēmas. Tas ieskaita papildu sīpnu montēšanu uz viena no RTD kontaktiem. Tā kā rezultātā rodas divi mērījumu apvidi, no kuriem viens tiek izmantots kā references. Trīssīpnu apvada sistēma var kompensēt līnijas pretestību attiecībā uz to lielumu un temperatūras mainīgumu. Tomēr visiem trim vadītājiem jābūt ar vienādiem raksturlielumiem un jāatrodas vienādā temperatūrā. Šis variants parasti tiek piemērots pietiekami plaši, lai trīssīpnu metode būtu visbiežāk izmantotā šodien. Nav nepieciešams līnijas balansēšana.

4-vires apvidus

Labākais savienojuma veids preta temperatūras mērītājam ir četru žogu apakšsistēma. Mērīšana neatkarīga no līnijas pretraktance vai no temperatūras izraisītajiem mainīgumiem. Nav nepieciešams nekāds līnijas balansēšanas. Temperatūras mērītājs nodrošina mērīšanas strāvu caur enerģijas savienojumu. Spriegums mērīšanas līnijā tiek iegūts ar mērīšanas līniju. Ja elektroniskās ierīces ieejas pretraktance ir daudz lielāka nekā līnijas pretraktance, pēdējo var ignorēt. Sprieguma mainīgums, kas noteikts šādā veidā, nav atkarīgs no savienojamā kabela īpašībām. Šī tehnika parasti tiek izmantota tikai zinātniskajiem instrumentiem, kas prasa mērīšanas precizitāti viena simta daļā.

2-žogu transmisors

Izmantojot 2-vires transmisoru vietā par daudzvīru kabeli, var izvairīties no problēmām, kas aprakstītas virsū par 2-vires aparatūru. Transmisors pārvērš sensora signālu par normētu 4-20mA strāvas signālu, kas ir proporcionāls temperatūrai. Transmisora energosniedzējs darbojas arī caur tiem pašiem diviem savienojumiem, izmantojot pamata strāvu 4 mA. 2-vires transmisors piedāvā papildu priekšrocību, proti, signāla palielināšana ievērojami samazina ārējo interferenci ietekmi. Transmisora novietojumam ir divi piemēri. Ņemot vērā, ka neatliekto signālu jābūt tik īsai attālumā, cik vien iespējams, palielinātājs var tikt tieši montēts termometrā tā terminālā galā. Lielākajā daļā gadījumu šis ir labākais risinājums, tomēr struktūras iemeslu dēļ vai arī tādēļ, ka transmisors var būt grūti sasniegt nesuccessības gadījumā, tas nav vienmēr iespējams. Šajā gadījumā plāksnē montētais transmisors tiek instalēts kontroles skapī. Uzlabotā pieejas priekšrocība nozīmē, ka tā jānopērk, maksājot par garāku attālumu, ko neatliekto signālu jāveic.

Termistora kabeltīkls

Termistora pretestība parasti ir daudz lielāka nekā jebkura vadkabes pretestība. Tādējādi, vadu pretestības ietekme uz temperatūras lasījumiem ir neskaidra, savukārt termistors tiek gandrīz vienmēr savienots divvadu konfigurācijā.

Termopāra kabeltīkls

Atšķirībā no RTDS un termistoriem, termopārām ir pozitīvas un negatīvas kājas, tāpēc jāievēro polāritāte. Tās var tikt pieslēgtas tieši pie vietējā divvadu pārmētnieka, un miedzenis var tikt atgriezts līdz saņemšanas instrumentam. Ja saņemšanas instruments var pieņemt termopāru ievadi tieši, visu ceļu līdz saņemšanas instrumentam jāizmanto tas pats termopāra kabells vai termopāra paplašinājuma kabells.