Forskjellen mellom termopar, termistor og RTD

Temperaturkonseptet

Fra et fysisk perspektiv er varme et mål for energien som er inneholdt i legemet grunnet det uregelmessige bevegelsen til dets molekyler eller atomer. Likesom tennisballer har mer energi med økende fart, øker den interne energien til legemet eller gassen når temperaturen stiger. Temperatur er en variabel som, sammen med andre parametre som masse og spesifikk varme, beskriver energiinnholdet i legemet.

Den grunnleggende måleenheten for temperatur er Kelvin-grad. Ved 0 ° K (Kelvin), er hver eneste molekyl i legemet i ro og det finnes ingen mer varme. Derfor finnes det ingen mulighet for negative temperaturer fordi det finnes ingen tilstand med lavere energi.

I daglig bruk er vanlig praksis å bruke celsiusgrader (tidligere centigrade). Dets nullpunkt ligger ved vannets frysepunkt, som kan enkelt reproduceres i praksis. Nå er 0 °C helt sikkert ikke den laveste temperaturen, for alle kjenner det fra erfaring. Ved å utvide celsiusskalaen til den laveste temperaturen hvor all molekylær bevegelse stopper, når vi –273,15 grader.

Mennesket har evnen til å måle temperatur gjennom sine sanser innenfor en begrenset rekkevidde. Likevel var han uablet å nøyaktig reproduksjon kvantitative målinger. Den første formen for kvantitativ temperaturmåling ble utviklet i Florens tidlig på 1600-tallet og baserte seg på utvidelsen av alkohol. Skalingen bygger på de høyeste temperaturer i sommer og vinter. Et hundre år senere erstattet den svenske astronomen Celsius dette med vannets smelte- og kokepunkt. Dette gir termometret muligheten til å zoome inn og ut når som helst og reproduksjon av lesningene senere.

Måling av temperatur i elektriske systemer

Temperaturmåling er viktig i mange anvendelser, som byggstyring, matprosessering og produksjon av stål og petrokemiske produkter. Disse meget ulike anvendelsene krever temperatursensorer med forskjellig fysisk struktur og vanligvis forskjellig teknologi.

I industrielle og kommersielle anvendelser er målepunktene vanligvis langt unna indikasjons- eller kontrollpunktene. Videre behandling av målinger er vanligvis nødvendig i kontroller, registrerer eller datamaskiner. Disse anvendelsene er ikke egnet for direkte indikasjon av termermometer som vi kjenner dem fra hverdagsbruk, men trenger å konvertere temperaturen til en annen form for enhet, det elektriske signalet. For å kunne gi dette fjernkontrollerte elektriske signalet, brukes RTD vanligvis. Termistorer og termopar.

RTD bruker egenskapen til metaller å endre motstand med temperatur. De er positive temperatursensorkoeffisienter (PTC) hvis motstand øker med temperatur. De viktigste metallene som brukes er platin og nikkel. De mest brukte sensorne er 100 ohm eller 1000 ohm RTD-er eller platinmotstandstermometer.

RTD er den mest nøyaktige sensoren for industriell bruk og gjev òg den beste langtidsstabiliteten. Representative verdiar av platin motstandsgjøymd er + 0,5% av målestemperaturen. Etter eit år kan det vera + 0,05 °C endring gjennom aldring. Platin motståtttermometrar har eit temperaturområde på 200 til 800 °C.

Endring av motstand med temperatur

Elektrisitetsledningen til et metall avhenger av mobiliteten til de lederende elektronene. Hvis en spenning anvendes på slutten av ledningen, vil elektronene bevege seg mot den positive polen. Feil i gitteret forstyrker denne bevegelsen. De inkluderer eksterne eller manglende gitteratomer, atomer ved korn grenser og mellom gitterposisjoner. Ettersom disse feilene er temperaturuavhengige, produserer de en konstant motstand. Med økningen av temperatur viser atomene i metallgitteret økte svingninger nær deres statiske posisjoner, noe som hindrer bevegelsen til de lederende elektronene. Ettersom svingningen øker lineært med temperatur, avhenger den motstandsøkningen forårsaket av svingningene direkte av temperaturen.

Platinum har blitt vidt akseptert i industriell måling. Dets fordeler inkluderer kjemisk stabilitet, relativt enkel fremstilling (spesielt for trådprodusjon), muligheten til å få det i høy renhetsform og gjentakelige elektriske egenskaper. Disse karakteristikene gjør at platinfølsomt motstandssensor er den mest bredt byttbare temperatursensoren.

Thermistorene består av noen metalleoxider og deres motstand synker med økende temperatur. Fordi motstandskennekteren synker med økningen i temperatur, kalles det for negativ temperaturkoeffisient (NTC) sensor.

Grunnet natura av den grunnleggende prosessen, øker antall ledende elektroner eksponensielt med temperatur; derfor viser karakteristikk en sterkt økning. Denne tydelige ikke-lineariteten er et ulempe ved NTC-resistanser og begrenser deres effektive temperaturområde til omtrent 100 °C. De kan selvfølgelig lineariseres av automatiske datamaskiner. Likevel kan nøyaktigheten og lineariteten ikke oppfylle kravene for store måleintervaller. Deres drift ved varierende temperaturer er også større enn hos RTD-er. Bruken av dem er begrenset til overvåking og indikeringssituasjoner hvor temperaturen ikke overskrider 200 °C. I denne enkle applikasjonen er de faktisk superior til de dyrere termopar og RTDs, når man tar hensyn til deres lave kostnad og de relativt enkle elektroniske kretser som kreves.

Grunnlaget for termopar er forbindelsen mellom to forskjellige metaller, termistor. Spenningsforskjellen som genereres av termoparet og RTD øker med temperatur. I sammenligning med motstandstemperatursensorer har de en høyere øvre temperaturgrense, med et betydelig fordelsforhold på flere tusen grader Celsius. Deres langtidstabilitet er litt dårlig (noen grader etter et år), og måleprecisjonen er litt dårlig (gjennomsnittlig + 0,75% av måleområdet). De brukes ofte i ovner, smelterier, røypengås-måling og andre områder der temperaturen er høyere enn 250 °C.

Termoelektrisk effekt

Når to metaller er koblet sammen, produseres termoelektrisk spenning grunnet den forskjellige bindingsenergien til elektroner og metallioner. Spenningsnivået avhenger av metallene seg selv og temperaturen. For at denne termiske spenningen skal generere strøm, må de to metallene selvsagt være koblet sammen på den andre enden for å danne en lukket krets. På denne måten genereres en termisk spenning ved den andre koblingspunktet. Termoelektrisk effekt ble oppdaget av Seebeck i 1822. Allerede i 1828 foreslo Becquerel bruk av platin-palladium-termopar for temperaturmåling.

Hvis temperaturen er den samme ved begge koblinger, vil det ikke gå noen strøm fordi de deltrykk som genereres ved de to punktene uthever hverandre. Når temperaturen ved koblingen er forskjellig, blir den genererte spenningen forskjellig og strømmen går. Derfor kan termopar bare måle temperaturforskjell.

Målepunktet er en krysspunkt som er utsatt for den målte temperaturen. Referansekrysspunktet er et krysspunkt på en kjent temperatur. Ettersom den kjente temperaturen vanligvis er lavere enn den målte temperaturen, kalles referansekrysspunktet vanligvis for et kaldt krysspunkt. For å regne ut den faktiske temperaturen ved målepunktet, må temperaturen ved det kalde enden være kjent.

Eldre instrumenter bruker termostatert kontroll av krysspunktsbokser for å holde temperaturen på det kalde krysspunktet på kjente verdier som 50c. Moderne instrumenter bruker tynefilmbaserte RTD ved den kalde enden for å bestemme dens temperatur og beregne temperaturen ved målepunktet.

Spenningsforskjellen produsert av termoelektrisk effekt er veldig liten og er bare noen mikrovolt per grad Celsius. Derfor brukes termopar sjeldent i området fra – 30 til + 50 ° C, fordi forskjellen mellom referansekrysspunktets temperatur og den kalde krysspunktets temperatur er for liten til å produsere en støyfri signal.

RTD-oppkobling

I en motstandsvarmometer varierer motstanden med temperatur. For å vurdere utgangssignalet går en konstant strøm gjennom det, og spenningsfall over det måles. For dette spenningsfallet gjelder Ohms lov, v = IR.

Målestrømmen bør være så liten som mulig for å unngå at sensoren oppvarmes. Det kan betraktes at en målestrøm på 1mA ikke vil innføre noen tydelige feil. Strømmen produserer et spenningsfall på 0,1V i PT 100 ved 0 ℃. Dette signaalspenningsmå nå overføres gjennom koblingskabelen til indikasjonspunktet eller evalueringpunktet med minimal endring. Det finnes fire forskjellige typer koblingskretser:

2-trådkrets

Ein to-kjerne-kabel vert brukt til tilkobling mellom termometeret og evalueringselektronikk. Som alle andre elektriske leiarar har kabelen ei motstand i serie med eit motstandstermometer. Som eit resultat blir dei to motstandarane sett saman og elektronikk tolkar det som ein temperaturøkning. For lengre avstandar kan linjemotstanden nå fleire ohm og produsere ein signifikant forskyting i måla.

3-trådkrets

For å minimere innverknaden av linjemotstanden og svinginga hennar med temperatur, brukar ein vanlegvis ein tretrådskrets. Det inneber at ein legg til ekstra kablar på ein av kontaktane til FTU. Dette fører til to måleskurk, ein av dei vert brukt som referanse. Tredrådskretsar kan kompensere for motstanden i linjen med tanke på mengda og temperaturvariasjonane. Alle tre leiarane må likevel ha same karakteristika og bli utsette for same temperatur. Dette blir vanlegvis brukt i tilstrekkelig grad til å gjera 3-trådskretsar den mest brukte metoden i dag. Ingen linjebalansering er nødvendig.

4-trådkrets

Den beste forbindelsesformen for motstandstemperaturmåler er 4-trådssirkelen. Måling avhenger hverken av ledningsmotstand eller temperaturinduserte endringer. Ingen linjebalansering kreves. Termometret gir målestrøm gjennom en strømforsyning. Spenningsfall på målingslinjen tas opp av målingslinjen. Hvis inngangsmotstanden til et elektronisk apparat er mange ganger større enn linjemotstanden, kan den andre ignoreres. Det spenningsfall som bestemmes på denne måten er uavhengig av egenskapene til forbinderaden. Denne teknikken brukes vanligvis bare for vitenskapelige instrumenter som krever en målepresisjon på en hundredel.

2-tråds transmitter

Ved å bruke en 2-tråd transmitter i stedet for et flertydigs kabel, kan problemet med en 2-trådskrets som beskrevet ovenfor unngås. Transmitteren konverterer sensorytelsetningen til en normalisert strømsignal på 4-20mA, som er proporsjonal med temperaturen. Strømforsyningen til transmitteren fungerer også gjennom de samme to koblingene, ved bruk av en basisstrøm på 4 mA. Den 2-tråds transmitteren gir et ekstra fordelsområde, nemlig at signalforstyrking reduserer mye av innvirkningen fra eksterne forstyrrelser. Det finnes to ordninger for plasseringen av transmitteren. Ettersom avstanden mellom ikke-forstyrkte signaler bør være så kort som mulig, kan forsterkeren installeres direkte på termometerelementet i dens terminalhode. Den beste løsningen er noen ganger ikke mulig grunnet konstruksjonelle årsaker eller overveielser om at transmitteren kan være vanskelig å nå i tilfelle av feil. I slike tilfeller installeres den railmonterte transmitteren i styringsboksen. Fordelen med bedre tilgang kjøpes på bekostning av en lengre avstand som det ikke-forstyrkte signalet må reise.

Forespørselskabelse for termistor

Motstanden til en termistor er vanligvis flere størrelsesordener større enn motstanden til noen ledningsdråper. Derfor er effekten av ledningsmotstand på temperaturlæsninger neglisjerbar, mens termistore nesten alltid kobles i en 2-trådskonfigurasjon.

Forespørselskabelse for termopar

I motsetning til RTD-er og termistore har termoparer positive og negative ben, så polaritet må observeres. De kan kobles direkte til den lokale 2-tråds-overføreren, og koppertråden kan føres tilbake til mottaksinstrumentet. Hvis mottaksinstrumentet kan akseptere direkte termoparinngang, må det samme termopartrådet eller termoparekstruderingsledningen brukes hele veien tilbake til mottaksinstrumentet.