Perbezaan antara termokop, termistor dan RTD

Konsep suhu

Dari sudut pandang fizikal, haba adalah ukuran tenaga yang terkandung dalam badan disebabkan oleh pergerakan molekul atau atomnya yang tidak teratur. Sama seperti bola tenis mempunyai lebih banyak tenaga dengan peningkatan kelajuan, tenaga dalaman badan atau gas meningkat dengan peningkatan suhu. Suhu adalah pembolehubah yang, bersama dengan parameter lain seperti jisim dan haba khusus, menerangkan kandungan tenaga badan.

Unit asas suhu ialah darjah Kelvin. Pada 0 ° K (Elvin), setiap molekul dalam jasad berada dalam keadaan rehat dan tiada lagi haba. Oleh itu, tiada kemungkinan suhu negatif kerana tiada keadaan tenaga yang lebih rendah.

Dalam penggunaan harian, amalan biasa adalah menggunakan skala selsius (dahulu dikenali sebagai sentigred). Titik sifar skala ini adalah pada titik beku air, yang boleh dengan mudah direplikasi dalam praktik. Sekarang, 0 ° C bukanlah suhu terendah, kerana semua orang tahu dari pengalaman. Dengan memperluaskan skala selsius kepada suhu terendah di mana semua pergerakan molekul berhenti, kita sampai pada – 273.15 darjah.

Manusia mempunyai keupayaan untuk mengukur suhu melalui indra dalam julat terhad. Walau bagaimanapun, dia tidak dapat menghasilkan pengukuran kuantitatif dengan tepat. Bentuk pertama pengukuran suhu kuantitatif telah dibangunkan di Florence pada awal abad ke-17 dan bergantung kepada pengelempengan alkohol. Penskalaan adalah berdasarkan suhu tertinggi pada musim panas dan musim sejuk. Seratus tahun kemudian, ahli astronomi Sweden Celsius menggantikannya dengan mata air dan titik didih air. Ini memberi termometer peluang untuk memperbesar dan memperkecil pada bila-bila masa serta mereproduksi bacaan kemudian.

Pengukuran suhu elektrik

Pengukuran suhu adalah penting dalam banyak aplikasi, seperti kawalan bangunan, pemprosesan makanan, dan pembuatan keluli serta produk petrokimia. Aplikasi yang sangat berbeza ini memerlukan sensor suhu dengan struktur fizik yang berbeza dan biasanya teknologi yang berbeza.

Dalam aplikasi industri dan perniagaan, titik pengukuran biasanya jauh dari titik penunjukan atau kawalan. Pengendalian semula pengukuran sering diperlukan dalam pengawal, pendaftar atau komputer. Aplikasi ini tidak sesuai untuk penunjukan terus termometer kerana yang kita tahu dari penggunaan harian, tetapi perlu menukar suhu kepada bentuk lain alatan, iaitu isyarat elektrik. Untuk memberikan isyarat elektrik jauh ini, RTD biasanya digunakan. Termistor dan pasangan termal.

RTD mengadaptasi ciri rintangan logam yang berubah dengan suhu. Mereka adalah sensor pekali suhu positif (PTC) yang rintangannya meningkat dengan suhu. Logam utama yang digunakan adalah platinum dan nikel. Sensor yang paling meluas digunakan adalah RTDS 100 ohm atau 1000 ohm atau termometer rintangan platinum.

RTD adalah sensor paling tepat untuk aplikasi industri dan juga memberikan kestabilan jangka panjang terbaik. Nilai perwakilan ketepatan perlawanan platinium adalah + 0.5% daripada suhu yang diukur. Selepas satu tahun, mungkin terdapat perubahan + 0.05 ° C melalui penuaan. Termometer perlawanan platinium mempunyai julat suhu – 200 hingga 800 ° C.

Perubahan rintangan dengan suhu

Kepadaan sebuah logam bergantung kepada ketergerakan elektron pengalir. Jika voltan dikenakan pada hujung wayar, elektron akan bergerak ke pola positif. Kekurangan dalam grid gangguan pergerakan ini. Ia termasuk atom luaran atau atom yang hilang dalam grid, atom pada sempadan bijih dan di antara kedudukan grid. Oleh kerana lokasi kesalahan ini adalah tidak bersandar kepada suhu, ia menghasilkan rintangan yang malar. Dengan peningkatan suhu, atom dalam grid logam menunjukkan ayunan yang meningkatkan berhampiran kedudukan statik mereka, dengan itu menghalang pergerakan elektron pengalir. Oleh kerana ayunan meningkat secara linear dengan suhu, peningkatan rintangan yang disebabkan oleh ayunan adalah tergantung langsung kepada suhu.

Platinum telah diterima secara meluas dalam pengukuran industri. Kelebihannya termasuk kestabilan kimia, pembuatan yang relatif mudah (terutamanya untuk pembuatan wayar), kemungkinan untuk mendapatkannya dalam bentuk keadaan kepekatan tinggi, dan sifat elektrik yang boleh dikesan semula. Ciri-ciri ini membuatkan sensor rintangan platinum menjadi sensor suhu paling seragam yang digunakan luas.

Termistor dibuat daripada beberapa oksida logam dan rintangannya berkurang dengan peningkatan suhu. Kerana ciri rintangan berkurang dengan peningkatan suhu, ia dipanggil sensor pekali suhu negatif (NTC).

Kerana sifat proses asas, bilangan elektron pengonductor meningkat secara eksponensial dengan suhu; oleh itu, ciri-ciri tersebut menunjukkan peningkatan yang kuat. Kepada ketaklinearan yang jelas ini adalah kelemahan rintangan NTC dan membataskan julat suhu yang berkesan kepada kira-kira 100 ° C. Mereka boleh diketengahkan oleh komputer automatik. Walau bagaimanapun, kejituan dan ketaklinearan tidak dapat memenuhi keperluan julat pengukuran yang besar. Gerakan mereka pada suhu-suhu bergantian juga lebih besar berbanding RTD. Penggunaannya terhad kepada aplikasi pemantauan dan penunjukan di mana suhu tidak melebihi 200 ° C. Dalam aplikasi mudah ini, mereka sebenarnya lebih baik berbanding termokop dan RTD yang lebih mahal, mengambil kira kos rendah mereka dan litar elektronik yang relatif mudah yang diperlukan.

Asas bagi kawasan termokop adalah sambungan antara dua logam yang berbeza, termistor. Voltan yang dihasilkan oleh termokop dan RTD meningkat dengan suhu. Berbanding dengan termometer rintangan, ia mempunyai had suhu atas yang lebih tinggi, dengan kelebihan ketara beberapa ribu darjah Celsius. Kestabilan jangka panjangnya agak kurang baik (beberapa darjah selepas setahun), dan kejituan pengukuran agak kurang baik (purata + 0.75% julat pengukuran). Ia sering digunakan dalam pemanggang, tanur, pengukuran gas saluran dan kawasan lain di mana suhu lebih tinggi daripada 250 ° C.

Efek termoelektrik

Apabila dua logam disambungkan bersama, voltan termoelektrik dihasilkan kerana perbezaan tenaga ikatan elektron dan ion logam. Voltan itu bergantung kepada logam itu sendiri dan suhu. Untuk membolehkan voltan terma menghasilkan arus, kedua-dua logam mestilah disambungkan pada hujung yang lain untuk membentuk litar tertutup. Dengan cara ini, satu voltan terma dihasilkan pada sambungan kedua. Kesannya termoelektrik ditemui oleh Seebeck pada tahun 1822. Sejak awal tahun 1828, Becquerel mencadangkan penggunaan pasangan termokop platinum palladium untuk pengukuran suhu.

Jika suhu pada kedua-dua sambungan adalah sama, tiada aliran arus kerana tekanan separa yang dihasilkan pada kedua-dua titik itu membatalkan satu sama lain. Apabila suhu pada sambungan berbeza, voltan yang dihasilkan adalah berbeza dan arus mengalir. Oleh itu, termokop hanya boleh mengukur perbezaan suhu.

Titik pengukuran adalah suatu persimpangan yang terpapar kepada suhu yang diukur. Persimpangan rujukan adalah persimpangan pada suhu yang diketahui. Kebanyakkan masa, suhu yang diketahui adalah lebih rendah daripada suhu yang diukur, jadi persimpangan rujukan biasanya dipanggil persimpangan sejuk. Untuk mengira suhu sebenar titik pengukuran, suhu hujung sejuk mesti diketahui.

Alatan lama menggunakan kotak persimpangan kawalan termostat untuk mengawal suhu persimpangan sejuk pada nilai-nilai yang diketahui seperti 50c. Alatan moden menggunakan RTD filem nipis pada hujung sejuk untuk menentukan suhunya dan mengira suhu titik pengukuran.

Tegangan yang dihasilkan oleh kesan termoelektrik adalah sangat kecil dan hanya beberapa mikrovolt setiap darjah Celsius. Oleh itu, pasangan termo jarang digunakan dalam julat – 30 hingga + 50 ° C, kerana perbezaan antara suhu persimpangan rujukan dan suhu persimpangan rujukan adalah terlalu kecil untuk menghasilkan isyarat yang tidak terganggu.

Pengekalan RTD

Dalam termometer rintangan, rintangan berbeza mengikut suhu. Untuk menilai isyarat keluaran, arus malar melalui ia dan jatuh voltan di atasnya diukur. Bagi jatuh voltan ini, hukum Ohm dipatuhi, v = IR.

Arus pengukuran harus sekecil mungkin untuk mengelakkan pemanasan sensor. Ia boleh dipertimbangkan bahawa arus pengukuran 1mA tidak akan memperkenalkan sebarang ralat yang jelas. Arus ini menghasilkan jatuh voltan 0.1V dalam PT 100 pada 0 ℃. Isyarat voltan ini mesti kini disampaikan melalui kabel penyambung kepada titik penunjukan atau titik penilaian dengan perubahan minimum. Terdapat empat jenis litar penyambungan yang berbeza:

litar dua-dawai

Kabel 2 inti digunakan untuk sambungan antara termometer dan elektronik penilaian. Seperti mana-mana konduktor elektrik lain, kabel itu mempunyai rintangan bersiri dengan termometer perlawanan. Sebagai hasilnya, dua rintangan ditambahkan bersama-sama dan elektronik menginterpretekannya sebagai kenaikan suhu. Untuk jarak yang lebih jauh, rintangan garis boleh mencapai beberapa ohm dan menghasilkan sesatan yang signifikan dalam nilai pengukuran.

litar tiga-dawai

Untuk meminimumkan pengaruh rintangan garis dan fluktuasinya dengan suhu, litar tiga dawai biasanya digunakan. Ia merangkumi pemasangan dawai tambahan pada salah satu terminal RTD. Ini menghasilkan dua litar pengukuran, salah satunya digunakan sebagai rujukan. Litar 3-dawai dapat mengimbangi rintangan garis dalam sehubungan dengan jumlahnya dan perubahan suhu. Walau bagaimanapun, semua tiga konduktor harus mempunyai ciri-ciri yang sama dan terpajan kepada suhu yang sama. Ini biasanya diterapkan dengan tahap yang mencukupi untuk menjadikan litar 3-dawai kaedah yang paling meluas digunakan hari ini. Tiada keseimbangan garis yang diperlukan.

litar empat-dawai

Bentuk sambungan terbaik bagi termometer rintangan adalah litar 4-dawai. Pengukuran tidak bergantung kepada rintangan garis mahupun kepada perubahan yang disebabkan oleh suhu. Tiada keseimbangan garis yang diperlukan. Termometer memberikan arus pengukuran melalui sambungan kuasa. Penurunan voltan pada garis pengukuran diambil oleh garis pengukuran. Jika rintangan input suatu peranti elektronik adalah banyak kali lebih besar daripada rintangan garis, yang terakhir boleh diabaikan. Penurunan voltan yang ditentukan dengan cara ini adalah bebas dari ciri-ciri dawai penyambung. Teknik ini biasanya hanya digunakan untuk alatan saintifik yang memerlukan kejituan pengukuran seratus bahagian.

penyiar 2-dawai

Dengan menggunakan penjana 2-dawai berbanding kabel pelbagai dawai, masalah litar 2-dawai seperti yang diterangkan di atas boleh dielakkan. Penjana itu menukar isyarat pengesan kepada isyarat arus yang dinormalakan iaitu 4-20mA, yang berkadar langsung dengan suhu. Bekalan kuasa kepada penjana juga beroperasi melalui dua sambungan yang sama, menggunakan arus asas 4 mA. Penjana 2-dawai menawarkan kelebihan tambahan, iaitu penguatan isyarat secara besar mengurangkan kesan gangguan luaran. Terdapat dua susunan untuk memasang penjana. Oleh kerana jarak antara isyarat tanpa penguat harus sependek mungkin, penguat boleh dipasang terus pada termometer dalam kepala terminalnya. Penyelesaian terbaik ini kadang-kadang tidak mungkin dilakukan disebabkan oleh sebab-sebab struktur atau pertimbangan bahawa penjana mungkin sukar dicapai jika terjadi kegagalan. Dalam kes ini, penjana yang dipasang pada rel dipasang dalam kabinet kawalan. Kelebihan akses yang lebih baik adalah ia dibeli dengan kos jarak yang lebih panjang yang mesti dilalui oleh isyarat tanpa penguat.

Pengekalan termodun

Perintang termodun biasanya beberapa peringkat magnitud lebih besar daripada mana-mana kabel penyambung. Oleh itu, kesan rintangan kabel pada bacaan suhu adalah dapat diabaikan, manakala termodun hampir sentiasa disambungkan dalam konfigurasi 2-kabel.

Pengekalan pasangan suhu

Berbeza dengan RTDS dan termodun, pasangan suhu mempunyai kaki positif dan negatif, jadi polariti mesti diperhatikan. Mereka boleh disambungkan secara langsung kepada pemancar 2-kabel tempatan dan kabel tembaga boleh dikembalikan kepada alat penerima. Jika alat penerima boleh menerima input pasangan suhu secara langsung, kabel pasangan suhu yang sama atau kabel penggal pasangan suhu mesti digunakan sepanjang jalan kembali ke alat penerima.