EN
Het concept van temperatuur
Vanuit fysiek oogpunt is warmte een maat voor de energie die in het lichaam zit door het onregelmatige bewegen van zijn moleculen of atomen. Net zoals tennisballen meer energie hebben naarmate hun snelheid toeneemt, neemt de interne energie van het lichaam of gas toe naarmate de temperatuur stijgt. Temperatuur is een variabele die samen met andere parameters zoals massa en specifieke warmte de energie-inhoud van het lichaam beschrijft.
De basismaat voor temperatuur is Kelvin. Bij 0 ° K (Kelvin) is elke molecuul in het lichaam in rust en is er geen warmte meer aanwezig. Daarom is er geen mogelijkheid voor een negatieve temperatuur omdat er geen toestand bestaat met minder energie.
In het dagelijks gebruik is de gebruikelijke praktijk om centigrade te gebruiken (vroeger centigrade). Het nulpunt ligt bij het vriespunt van water, wat in de praktijk gemakkelijk kan worden gereproduceerd. Nu is 0 °C absoluut niet de laagste temperatuur, omdat iedereen dat uit ervaring weet. Door de centigradeschaal uit te breiden tot de laagste temperatuur waarop alle moleculaire beweging stopt, bereiken we – 273,15 graden.
De mens heeft de mogelijkheid om temperatuur door zijn zintuigen in een beperkte mate te meten. Hij was echter niet in staat om nauwkeurige kwantitatieve metingen te reproduceren. De eerste vorm van kwantitatief temperatuurmeten werd begin 17e eeuw in Florence ontwikkeld en baseerde zich op de expansie van alcohol. De schaling berustte op de hoogste temperaturen in de zomer en winter. Een honderd jaar later ververving de Zweedse astronoom Celsius dit systeem door het smeltpunt en kookpunt van water te gebruiken. Dit geeft de thermometer de mogelijkheid om in- en uit te zoomen op elk gewenst moment en de waarden later te reproduceren.
Elektrische temperatuurmeting
Temperatuurmeting is belangrijk in veel toepassingen, zoals gebouwbeheer, voedselverwerking en de productie van staal en petrochemische producten. Deze zeer verschillende toepassingen vereisen temperatuursensoren met verschillende fysieke structuren en meestal verschillende technologieën.
In industriële en commerciële toepassingen zijn meetpunten vaak ver verwijderd van aanduidings- of controlepunten. Verder bewerken van metingen is meestal nodig in controllers, recorders of computers. Deze toepassingen zijn niet geschikt voor directe aanduiding van thermometers zoals we die kennen uit het dagelijkse gebruik, maar vereisen de conversie van de temperatuur naar een andere vorm van apparaat, het elektrisch signaal. Om dit externe elektrische signaal te leveren, wordt vaak een RTD gebruikt. Thermistors en thermocouples.
RTD gebruikt de eigenschap van metaalweerstand die verandert met de temperatuur. Het zijn positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) sensoren waarvan de weerstand toeneemt met de temperatuur. De belangrijkste metalen die worden gebruikt zijn platina en nikkel. De meest gebruikte sensoren zijn 100 ohm of 1000 ohm RTDs of platina weerstandstemperatuursensoren.
RTD is de meest nauwkeurige sensor voor industriële toepassingen en biedt ook de beste langtermijnstabiliteit. De representatieve waarde van de nauwkeurigheid van platinaresistatie is + 0,5% van de gemeten temperatuur. Na een jaar kan er door oudering een verandering van + 0,05 °C optreden. Platinaresistentiemeters hebben een temperatuurbereik van – 200 tot 800 °C.
Verandering van weerstand met temperatuur
De geleiding van een metaal hangt af van de mobiliteit van de geleidende elektronen. Als er een spanning wordt toegepast aan het einde van de draad, verplaatsen de elektronen zich naar de positieve pool. Gebreken in het kristalrooster storen deze beweging. Deze omvatten externe of ontbrekende roosteratomen, atomen aan korrelgrenzen en tussen roosterposities. Aangezien deze foutlocaties onafhankelijk zijn van de temperatuur, veroorzaken ze een constante weerstand. Bij stijging van de temperatuur tonen de atomen in het metalen rooster een toegenomen trilling nabij hun stationaire posities, waardoor de beweging van de geleidende elektronen wordt gehinderd. Aangezien de trilling lineair toeneemt met de temperatuur, hangt de door de trilling veroorzaakte weerstandstoeename rechtstreeks af van de temperatuur.
Platinum wordt breedweg geaccepteerd in de industriële meting. De voordelen hiervan zijn chemische stabiliteit, relatief eenvoudige vervaardiging (vooral voor draadproductie), de mogelijkheid om het in een hoge zuivere vorm te verkrijgen en reproduceerbare elektrische eigenschappen. Deze kenmerken maken van de platinum weerstandssensor de meest wisselbare temperatuursensor.
Thermistors worden gemaakt van bepaalde metaaloxiden en hun weerstand neemt af met toenemende temperatuur. Omdat de weerstand kenmerk afneemt met stijgende temperatuur, wordt het een sensor met negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) genoemd.
Vanwege de aard van het basale proces neemt het aantal geleidende elektronen exponentieel toe met de temperatuur; daardoor toont de kenmerkcurve een sterke stijging. Deze duidelijke niet-lineariteit is een nadeel van NTC-weerstanden en beperkt hun effectieve temperatuurbereik tot ongeveer 100 °C. Ze kunnen natuurlijk worden gelinieariseerd door geautomatiseerde computers. Toch kunnen nauwkeurigheid en lineariteit de eisen van een grote meetspanne niet voldoen. Hun drift bij wisselende temperaturen is ook groter dan die van RTD's. Hun gebruik wordt beperkt tot toezicht- en indicatie-toepassingen waarbij de temperatuur niet boven 200 °C komt. In deze eenvoudige toepassing zijn ze eigenlijk superieur aan de duurdere thermocouples en RTD's, rekening houdend met hun lage kosten en de relatief eenvoudige elektronische schakelingen die vereist zijn.
De basis van een thermocouple is de verbinding tussen twee verschillende metalen, thermistor. De spanning die wordt gegenereerd door het thermocouple en RTD neemt toe met de temperatuur. In vergelijking met weerstandstemperatuurmeters hebben ze een hogere bovengrens voor temperaturen, met als belangrijk voordeel verschillende duizenden graden Celsius. Hun langtermijnstabiliteit is iets minder goed (enkele graden na een jaar), en de meetnauwkeurigheid is iets lager (gemiddeld + 0,75% van het meetbereik). Ze worden vaak gebruikt in ovens, smeltovens, rookgasmeting en andere gebieden waar temperaturen hoger zijn dan 250 °C.
Thermoelektrisch effect
Wanneer twee metalen met elkaar verbonden zijn, wordt een thermoelektrische spanning geproduceerd door het verschil in bindingsenergie van elektronen en metaal-ionen. De spanning hangt af van het metaal zelf en de temperatuur. Om deze thermische spanning te laten resulteren in stroom moet de twee metalen natuurlijk aan de andere kant met elkaar verbonden zijn om een gesloten circuit te vormen. Op deze manier wordt er een thermische spanning gegenereerd bij de tweede aansluiting. Het thermoelektrisch effect werd in 1822 ontdekt door Seebeck. Reeds in 1828 suggereerde Becquerel het gebruik van een platina-palladium thermocouple voor temperatuurmeting.
Als de temperatuur bij beide aansluitingen hetzelfde is, is er geen stroomvloed omdat de gedeeltelijke drukken die bij de twee punten worden gegenereerd elkaar uitvegen. Wanneer de temperatuur bij de aansluiting verschillend is, is de gegenereerde spanning verschillend en stroomt de stroom. Daarom kan een thermocouple alleen temperatuursverschillen meten.
Het meetpunt is een aansluiting die wordt blootgesteld aan de gemeten temperatuur. De referentieaansluiting is een aansluiting bij een bekende temperatuur. Aangezien de bekende temperatuur doorgaans lager is dan de gemeten temperatuur, wordt de referentieaansluiting meestal een koude aansluiting genoemd. Om de werkelijke temperatuur van het meetpunt te berekenen, moet de temperatuur van de koude kant bekend zijn.
Oudere instrumenten gebruiken thermostatische controlekastjes om de temperatuur van de koude aansluiting op bekende waarden zoals 50c vast te houden. Moderne instrumenten gebruiken dunfilm-RTD's aan de koude kant om de temperatuur daarvan te bepalen en de temperatuur van het meetpunt te berekenen.
De spanning die door het thermoelektrisch effect wordt voortgebracht, is zeer klein en bedraagt slechts een paar microvolt per graden Celsius. Daarom worden thermocouples niet vaak gebruikt in het bereik van -30 tot +50 °C, omdat het verschil tussen de temperatuur van de referentieaansluiting en de koude aansluiting te klein is om een niet-stoor signaal te produceren.
RTD-wiring
In een weerstandstemperatuurmeter varieert de weerstand met de temperatuur. Om het uitgangssignaal te evalueren, stroomt er een constante stroom doorheen en wordt het spanningstevallen erover gemeten. Voor dit spanningstevallen geldt Ohm's wet, v = IR.
De meetstroom moet zo klein mogelijk zijn om verwarmings van de sensor te voorkomen. Men kan aannemen dat een meetstroom van 1mA geen duidelijke fouten introduceert. De stroom veroorzaakt een spanningstevallen van 0,1V in PT 100 bij 0 ℃. Dit signaalspanning moet nu via het aansluitkabel naar het aanduidingspunt of evaluatiepunt worden overgebracht met minimale wijziging. Er zijn vier verschillende types van aansluitschakelingen:
2-draad schakeling
Een 2-kernkabel wordt gebruikt voor de verbinding tussen de thermometer en de evaluatie-elektronica. Net als bij elke andere elektrische geleider heeft de kabel een weerstand in serie met een weerstandstemperatuurmeter. Hierdoor worden de twee weerstanden bij elkaar opgeteld en interpreteert de elektronica dit als een temperatuurstijging. Bij grotere afstanden kan de lijnweerstand verschillende ohms bereiken en een significante verschuiving in de meetwaarde veroorzaken.
3-draad schakeling
Om de invloed van lijnweerstand en zijn fluctuatie met temperatuur te minimaliseren, wordt doorgaans een driedraadscircuit gebruikt. Dit omvat het aanleggen van extra draden op een van de contacten van de RTD. Hierdoor ontstaan twee meetcircuiten, waarvan er een wordt gebruikt als referentie. Het 3-draadscircuit kan de lijnweerstand compenseren in termen van zowel het aantal als de temperatuurvariatie. Weliswaar moeten alle drie de geleiders dezelfde kenmerken hebben en worden blootgesteld aan dezelfde temperatuur. Dit wordt meestal voldoende toegepast om 3-draadscircuits de meest gebruikte methode vandaag de dag te maken. Er is geen lijnbalans vereist.
4-draad schakeling
De beste aansluitvorm van een weerstandstemperatuurmeter is het 4-draadcircuitsysteem. De meting hangt noch af van de lijnstroom, noch van temperatuurgeïnduceerde veranderingen. Geen lijnbalanceren is vereist. De thermometer levert het meetstroom via een voedingsverbinding. De spanningsovergang op de meetlijn wordt opgepikt door de meetlijn. Als de ingangweerstand van een elektronisch apparaat veel groter is dan de lijnweerstand, kan laatstgenoemde genegeerd worden. De zo bepaalde spanningsovergang is onafhankelijk van de kenmerken van het aansluitsnoer. Deze techniek wordt meestal alleen gebruikt voor wetenschappelijke instrumenten die een meetnauwkeurigheid van een honderdste vereisen.
2-draadtransmitter
Door een 2-draad transmitter te gebruiken in plaats van een meerdere-draden-kabel, kan het probleem van een 2-draadschakeling zoals hierboven beschreven worden voorkomen. De transmitter converteert het sensesignaal naar een genormaliseerd stroomsignaal van 4-20mA, dat proportioneel is aan de temperatuur. De voeding van de transmitter werkt ook via dezelfde twee verbindingen, met een basische stroom van 4 mA. De 2-draad transmitter biedt een extra voordeel, namelijk dat signaalversterking de invloed van externe storingen aanzienlijk vermindert. Er zijn twee indelingen voor de plaatsing van de transmitter. Aangezien de afstand tussen niet-versterkte signalen zo kort mogelijk moet zijn, kan de versterker rechtstreeks op de thermometer in haar terminalkop worden gemonteerd. Deze beste oplossing is soms niet mogelijk door structurele redenen of overwegingen dat de transmitter moeilijk bereikbaar is bij een storing. In dit geval wordt de railmontage-transmitter in het controlekastje geïnstalleerd. Het voordeel van verbeterde toegankelijkheid wordt gekocht ten koste van een langere afstand die het niet-versterkte signaal moet afleggen.
Thermistor aansluiting
De weerstand van een thermistor is meestal enkele ordes van grootte groter dan die van enig aansluitkabel. Daarom is het effect van de kabelweerstand op temperatuurmetingen verwaarloosbaar, terwijl thermistors bijna altijd in een 2-draad configuratie worden aangesloten.
Thermocouplenaansluiting
In tegenstelling tot RTDs en thermistors hebben thermocouples positieve en negatieve benen, dus polariteit moet worden gerespecteerd. Ze kunnen rechtstreeks worden aangesloten op de lokale 2-draad transmitter en kan het koperdraad terug naar het ontvangstinstrument worden gebracht. Als het ontvangstinstrument thermocouple-ingang direct kan accepteren, moet dezelfde thermocouple draad of thermocouple-extensiedraad worden gebruikt helemaal terug naar het ontvangstinstrument.
Nieuws