Różnica między termoparą, termistorem i rezystancją rezystancyjną

               

Pojęcie temperatury

Z fizycznego punktu widzenia ciepło jest miarą energii zawartej w ciele w wyniku nieregularnego ruchu jego cząsteczek lub atomów. Tak jak piłki tenisowe mają więcej energii wraz ze wzrostem prędkości, tak wewnętrzna energia ciała lub gazu wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Temperatura jest zmienną, która wraz z innymi parametrami, takimi jak masa i ciepło właściwe, opisuje zawartość energetyczną organizmu.

Podstawową miarą temperatury jest stopień Kelvina. W temperaturze 0 ° K (Elvin) każda cząsteczka w ciele jest w spoczynku i nie ma już ciepła. W związku z tym nie ma możliwości wystąpienia ujemnej temperatury, ponieważ nie ma stanu o niższej energii.

W codziennym użytkowaniu powszechną praktyką jest używanie stopni Celsjusza (dawniej Celsjusza). Jego punkt zerowy znajduje się w punkcie zamarzania wody, który w praktyce można łatwo odtworzyć. Teraz 0 ° C wcale nie jest najniższą temperaturą, bo każdy wie z doświadczenia. Rozszerzając skalę Celsjusza do najniższej temperatury, przy której zatrzymuje się wszelki ruch molekularny, osiągamy – 273,15 stopnia.

Człowiek ma zdolność mierzenia temperatury za pomocą zmysłów w ograniczonym zakresie. Nie był jednak w stanie dokładnie odtworzyć pomiarów ilościowych. Pierwsza forma ilościowego pomiaru temperatury została opracowana we Florencji na początku XVII wieku i opierała się na ekspansji alkoholu. Skalowanie opiera się na najwyższych temperaturach latem i zimą. Sto lat później szwedzki astronom Celsjusz zastąpił ją temperaturami topnienia i wrzenia wody. Daje to termometrowi możliwość powiększania i pomniejszania w dowolnym momencie oraz późniejszego odtworzenia odczytów.

Temperatura pomiaru elektrycznego

Pomiar temperatury jest ważny w wielu zastosowaniach, takich jak sterowanie budynkami, przetwórstwo spożywcze oraz produkcja stali i produktów petrochemicznych. Te bardzo różne zastosowania wymagają czujników temperatury o różnej strukturze fizycznej i zwykle różnych technologiach

W zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych punkty pomiarowe są zwykle oddalone od punktów wskazywania lub kontroli. Dalsze przetwarzanie pomiarów jest zwykle wymagane w sterownikach, rejestratorach lub komputerach. Aplikacje te nie nadają się do bezpośredniego wskazywania termometrów, ponieważ znamy je z codziennego użytku, ale muszą przekształcić temperaturę w inną formę urządzenia, sygnał elektryczny. Aby dostarczyć ten zdalny sygnał elektryczny, zwykle stosuje się RTD. Termistory i termopary.

RTD przyjmuje charakterystykę oporu metalu zmieniającego się wraz z temperaturą. Są to czujniki o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC), których rezystancja wzrasta wraz z temperaturą. Głównymi stosowanymi metalami są platyna i nikiel. Najczęściej stosowanymi czujnikami są termometry rezystancyjne 100 omów lub 1000 omów RTDS lub platynowe.

Rezystancja rezystancyjna (RTD) jest najdokładniejszym czujnikiem do zastosowań przemysłowych, a także zapewnia najlepszą długoterminową stabilność. Reprezentatywna wartość dokładności rezystancji platyny wynosi + 0,5% mierzonej temperatury. Po roku może nastąpić zmiana o + 0,05 ° C w wyniku starzenia. Platynowe termometry rezystancyjne mają zakres temperatur od – 200 do 800 ° C. 

Zmiana rezystancji wraz z temperaturą

Przewodność metalu zależy od ruchliwości przewodzących elektronów. Jeśli do końca drutu zostanie przyłożone napięcie, elektrony przenoszą się do bieguna dodatniego. Wady sieci zakłócają ten ruch. Obejmują one zewnętrzne lub brakujące atomy sieci, atomy na granicach ziaren i między pozycjami sieci. Ponieważ te lokalizacje uskoków są niezależne od temperatury, wytwarzają stałą rezystancję. Wraz ze wzrostem temperatury atomy w metalowej sieci wykazują zwiększone oscylacje w pobliżu swoich pozycji stacjonarnych, utrudniając w ten sposób ruch elektronów przewodzących. Ponieważ oscylacja wzrasta liniowo wraz z temperaturą, wzrost rezystancji spowodowany oscylacją zależy bezpośrednio od temperatury.

Platyna jest powszechnie akceptowana w pomiarach przemysłowych. Do jego zalet należy stabilność chemiczna, stosunkowo łatwa produkcja (zwłaszcza w przypadku produkcji drutu), możliwość otrzymywania go w postaci o wysokiej czystości oraz powtarzalne właściwości elektryczne. Te cechy sprawiają, że platynowy czujnik rezystancyjny jest najczęściej wymiennym czujnikiem temperatury.

Termistory są zbudowane z niektórych tlenków metali, a ich rezystancja zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Ponieważ charakterystyka rezystancji zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, nazywa się go czujnikiem ujemnego współczynnika temperaturowego (NTC).

Ze względu na charakter procesu podstawowego, liczba elektronów przewodzących wzrasta wykładniczo wraz z temperaturą; W związku z tym charakterystyka wykazuje silny wzrost. Ta oczywista nieliniowość jest wadą rezystorów NTC i ogranicza ich efektywny zakres temperatur do około 100 ° C. Mogą one być oczywiście linearyzowane przez zautomatyzowane komputery. Jednak dokładność i liniowość nie mogą spełnić wymagań dużej rozpiętości pomiarowej. Ich dryft przy zmiennych temperaturach jest również większy niż w przypadku RTD. Ich zastosowanie ogranicza się do monitorowania i wskazywania aplikacji, w których temperatura nie przekracza 200°C. W tym prostym zastosowaniu są one w rzeczywistości lepsze od droższych termopar i RTD, biorąc pod uwagę ich niski koszt i stosunkowo proste wymagane obwody elektroniczne.

Podstawą termopary jest połączenie między dwoma różnymi metalami, termistorem. Napięcie generowane przez termoparę i RTD wzrasta wraz z temperaturą. W porównaniu z termometrami rezystancyjnymi mają wyższą górną granicę temperatury, ze znaczną przewagą rzędu kilku tysięcy stopni Celsjusza. Ich długoterminowa stabilność jest nieco słaba (kilka stopni po roku), a dokładność pomiaru jest nieco słaba (średnia + 0,75% zakresu pomiarowego). Są często stosowane w piecach, piecach, pomiarach spalin i innych obszarach, w których temperatury są wyższe niż 250 ° C.

Efekt termoelektryczny

Kiedy dwa metale są ze sobą połączone, napięcie termoelektryczne jest wytwarzane ze względu na różną energię wiązania elektronów i jonów metali. Napięcie zależy od samego metalu i temperatury. Aby to napięcie termiczne wytworzyło prąd, oba metale muszą oczywiście być połączone ze sobą na drugim końcu, tworząc obwód zamknięty. W ten sposób na drugim złączu generowane jest napięcie termiczne. Efekt termoelektryczny został odkryty przez Seebecka w 1822 roku. Już w 1828 roku Becquerel zasugerował użycie termopary platynowo-palladowej do pomiaru temperatury.

Jeśli na obu skrzyżowaniach jest ta sama temperatura, nie ma przepływu prądu, ponieważ ciśnienia cząstkowe generowane w dwóch punktach znoszą się nawzajem. Gdy temperatura na złączu jest różna, generowane napięcie jest inne i płynie prąd. Dlatego termopara może mierzyć tylko różnicę temperatur.

Punktem pomiarowym jest złącze wystawione na działanie mierzonej temperatury. Złącze odniesienia to złącze o znanej temperaturze. Ponieważ znana temperatura jest zwykle niższa niż zmierzona temperatura, złącze odniesienia jest zwykle nazywane zimnym złączem. Aby obliczyć rzeczywistą temperaturę punktu pomiarowego, musi być znana temperatura zimnego końca.

Starsze przyrządy wykorzystują termostatyczne skrzynki przyłączeniowe do kontrolowania temperatury zimnego złącza przy znanych wartościach, takich jak 50 ° C. Nowoczesne przyrządy wykorzystują cienkowarstwowy czujnik RTD na zimnym końcu do określenia jego temperatury i obliczenia temperatury punktu pomiarowego.

Napięcie wytwarzane przez efekt termoelektryczny jest bardzo małe i wynosi zaledwie kilka mikrowoltów na stopień Celsjusza. Dlatego termopary nie są zwykle stosowane w zakresie od -30 do + 50 ° C, ponieważ różnica między temperaturą złącza odniesienia a temperaturą złącza odniesienia jest zbyt mała, aby wytworzyć sygnał bez zakłóceń.

Okablowanie RTD

W termometrze rezystancyjnym rezystancja zmienia się wraz z temperaturą. Aby ocenić sygnał wyjściowy, przepływa przez niego stały prąd i mierzony jest spadek napięcia na nim. Dla tego spadku napięcia przestrzegane jest prawo Ohma, v = IR.

Prąd pomiaru powinien być jak najmniejszy, aby uniknąć nagrzewania się czujnika. Można uznać, że prąd pomiarowy 1mA nie wprowadzi żadnego oczywistego błędu. Prąd powoduje spadek napięcia o 0,1 V w PT 100 przy 0 °C. To napięcie sygnału musi być teraz przesyłane połączeniowym do punktu wskazania lub punktu oceny przy minimalnej modyfikacji. Istnieją cztery różne typy obwodów połączeniowych:

Obwód 2-przewodowy

Do połączenia termometru z elektroniką analizującą służy 2-żyłowy. Jak każdy inny przewodnik elektryczny, ma rezystancję połączoną szeregowo z termometrem rezystancyjnym. W rezultacie oba rezystory są sumowane ze sobą, a elektronika interpretuje to jako wzrost temperatury. W przypadku większych odległości rezystancja linii może osiągnąć kilka omów i powodować znaczne przesunięcie mierzonej wartości. 

Obwód 3-przewodowy

W celu zminimalizowania wpływu rezystancji linii i jej wahań wraz z temperaturą zwykle stosuje się obwód trójprzewodowy. Obejmuje to poprowadzenie dodatkowych przewodów na jednym ze styków czujnika RTD. W ten sposób powstają dwa obwody pomiarowe, z których jeden służy jako odniesienie. Obwód 3-przewodowy może kompensować rezystancję linii pod względem jej liczby i zmian temperatury. Jednak wszystkie trzy przewodniki muszą mieć te same właściwości i być wystawione na działanie tej samej temperatury. Jest to zwykle stosowane w wystarczającym stopniu, aby obwody 3-przewodowe były obecnie najczęściej stosowaną metodą. Nie jest wymagane równoważenie linii. 

Obwód 4-przewodowy

Najlepszą formą podłączenia termometru rezystancyjnego jest obwód 4-przewodowy. Pomiar nie zależy ani od rezystancji linii, ani od zmian wywołanych temperaturą. Nie jest wymagane równoważenie linii. Termometr dostarcza prąd pomiarowy przez przyłącze zasilania. Spadek napięcia na linii pomiarowej jest odbierany przez linię pomiarową. Jeśli rezystancja wejściowa urządzenia elektronicznego jest wielokrotnie większa niż rezystancja linii, ta ostatnia może zostać zignorowana. Wyznaczony w ten sposób spadek napięcia jest niezależny od charakterystyki przewodu łączącego. Technika ta jest zwykle stosowana tylko w przypadku instrumentów naukowych, które wymagają dokładności pomiaru jednej setnej.

Nadajnik 2-przewodowy

Używając nadajnika 2-przewodowego zamiast wielożyłowego, można uniknąć problemu obwodu 2-przewodowego, jak opisano powyżej. Przetwornik przetwarza sygnał czujnika na znormalizowany sygnał prądowy o natężeniu 4-20mA, który jest proporcjonalny do temperatury. Zasilanie nadajnika również działa poprzez te same dwa połączenia, wykorzystując prąd podstawowy 4 mA. Nadajnik 2-przewodowy ma dodatkową zaletę, czyli wzmocnienie sygnału znacznie zmniejsza wpływ zakłóceń zewnętrznych. Istnieją dwa sposoby pozycjonowania nadajnika. Ponieważ odległość między niewzmocnionymi sygnałami powinna być jak najmniejsza, wzmacniacz można zainstalować bezpośrednio na termometrze w głowicy zaciskowej. To najlepsze rozwiązanie czasami nie jest możliwe ze względów konstrukcyjnych lub względów, że nadajnik może być trudno dostępny w przypadku awarii. W tym przypadku przetwornik montowany na szynie jest instalowany w szafie sterowniczej. Zaletą lepszego dostępu jest to, że jest on kupowany kosztem większej odległości, jaką musi pokonać niewzmocniony sygnał.

Okablowanie termistora

Rezystancja termistora jest zwykle o kilka rzędów wielkości większa niż rezystancja dowolnego przewodu ołowianego. Dlatego wpływ rezystancji przewodu na odczyty temperatury jest znikomy, podczas gdy termistory są prawie zawsze połączone w konfiguracji 2-przewodowej.

Okablowanie termopary

W przeciwieństwie do RTDS i termistorów, termopary mają nogi dodatnie i ujemne, dlatego należy przestrzegać polaryzacji. Można je podłączyć bezpośrednio do lokalnego nadajnika 2-przewodowego, a drut miedziany można zawrócić do przyrządu odbiorczego. Jeśli przyrząd odbiorczy może bezpośrednio przyjąć wejście termopary, ten sam przewód termopary lub przedłużacz termopary musi być użyty aż do przyrządu odbiorczego.