Diferența dintre termocouple, termistor și RTD

Conceptul de temperatură

Din punct de vedere fizic, căldura este o măsură a energiei conținute într-un corp datorită mișcării iregulate a moleculelor sau atomilor săi. La fel cum mingile de tenis au o energie mai mare cu creșterea vitezei, energia internă a unui corp sau a unui gaz crește pe măsură ce temperatura se ridică. Temperatura este o variabilă care, împreună cu alte parametri precum masa și capacitatea termică specifică, descrie conținutul energetic al corpului.

Măsura de bază a temperaturii este grad Kelvin. La 0 ° K (Elvin), fiecare molecule din corp este în stare de repaus și nu există mai multă căldură. Prin urmare, nu există posibilitatea unei temperaturi negative, deoarece nu există un stadiu cu o energie mai mică.

În uzul zilnic, practica obișnuită este să se folosească centigrad (anterior cunoscut ca centigrad). Punctul său zero este la punctul de congelare al apei, care poate fi reprodus ușor în practică. Acum, 0 °C nu reprezintă cu nimic temperatura cea mai joasă, deoarece toată lumea cunoaște din experiență acest lucru. Prin extinderea scării centigrad până la cea mai mică temperatură la care toate mișcările moleculare se opresc, ajungem la – 273,15 de grade.

Omnul are capacitatea de a măsura temperatura prin sensuri într-un interval limitat. Cu toate acestea, nu a reușit să efectueze măsurători cantitative precise. Prima formă de măsurare cantitativă a temperaturii a fost dezvoltată la Florența la începutul secolului 17 și se baza pe extinderea alcoolului. Scalarea era bazată pe cele mai ridicate temperaturi din vară și iarnă. La o sută de ani mai târziu, astronomul suedez Celsius a înlocuit aceasta cu punctele de topire și fierbere ai apei. Acest lucru oferă termometrului posibilitatea de a mări sau micșora la orice moment și de a reproduce ulterior indicatiile.

Măsurarea temperaturii electrică

Măsurarea temperaturii este importantă în multe aplicații, cum ar fi controlul clădirilor, prelucrarea alimentelor și producerea de oțel și produse petrochimice. Aceste aplicații foarte diferite necesită senzori de temperatură cu structuri fizice diferite și, de obicei, tehnologii diferite.

În aplicațiile industriale și comerciale, punctele de măsurare sunt de obicei departe de punctele de indicație sau control. Prelucrarea ulterioară a măsurătorilor este de obicei necesară în controloare, registrautoare sau computere. Aceste aplicații nu sunt potrivite pentru indicația directă a termometrelor așa cum le cunoaștem din folosirea de zi cu zi, ci necesită transformarea temperaturii într-o altă formă de dispozitiv, semnal electric. Pentru a furniza acest semnal electric la distanță, se utilizează de obicei RTD. Termitoarele și cuplurile termice.

RTD adoptă caracteristica schimbării rezistenței metalului în funcție de temperatură. Acestea sunt senzori cu coeficient pozitiv de temperatură (PTC), ale căror rezistențe cresc cu temperatura. Metalele principale utilizate sunt platină și nicleu. Senzorii cel mai utilizați sunt de 100 ohmi sau 1000 ohmi RTD sau termometre de rezistență la platină.

RTD este cel mai precis senzor pentru aplicații industriale și oferă, de asemenea, cea mai bună stabilitate pe termen lung. Valoarea reprezentativă a acurateții rezistenței la platină este + 0,5% din temperatura măsurată. După un an, poate să se înregistreze o schimbare de + 0,05 °C prin îmbătrânire. Termometrele de rezistență la platină au o gamă de temperatură de – 200 la 800 °C.

Schimbarea rezistenței cu temperatura

Conductivitatea unui metal depinde de mobilitatea electronilor conductor. Dacă se aplică o tensiune la capătul firului, electronii se mișcă spre polul pozitiv. Defectele din rețea perturbă această mișcare. Acestea includ atomi externi sau lipsă de atomi în rețea, atomi la limitele de granulă și între pozițiile rețelei. Deoarece aceste locații cu defecțiuni sunt independente de temperatură, ele produc o rezistență constantă. Cu creșterea temperaturii, atomii din rețeaua metallică manifestă oscilații mai mari în apropierea pozițiilor lor stationare, astfel împiedicând mișcarea electronilor conductor. Deoarece oscilația crește liniar cu temperatura, creșterea rezistenței cauzată de oscilații depinde direct de temperatura.

Platinul a fost larg acceptat în măsurarea industrială. Avantajele sale includ stabilitatea chimică, fabricarea relativ simplă (în special pentru producerea firului), posibilitatea de a fi obținut sub formă de mare puretate și proprietăți electrice reproductibile. Aceste caracteristici fac ca senzorul de rezistență cu platin să fie cel mai interschimbabil senzor de temperatură.

Termistorii sunt fabricați din unele oxide metale și rezistența lor scade cu creșterea temperaturii. Deoarece caracteristica de rezistență scade cu creșterea temperaturii, este denumit senzor cu coeficient de temperatură negativ (NTC).

Datorită naturii procesului de bază, numărul de electroni conductor crește exponențial cu temperatura; prin urmare, caracteristica arată o creștere puternică. Această evidentă neliniaritate este un dezavantaj al rezistorilor NTC și limitează gama lor eficientă de temperaturi la aproximativ 100 °C. Ei pot, desigur, fi liniarizați cu ajutorul calculatorelor automate. Cu toate acestea, precizia și liniaritatea nu pot să îndeplinească cerințele unui span de măsurare mare. Derivația lor la temperaturi alternate este de asemenea mai mare decât cea a RTD-urilor. Utilizarea lor este limitată la aplicații de monitorizare și indicare, unde temperatura nu depășește 200 °C. În această aplicație simplă, ei sunt de fapt superioare termocuplurilor și RTD-urilor mai scumpe, având în vedere că au un cost redus și necesită circuite electronice relativ simple.

Baza termoperechei este legătura dintre două metale diferite, termistor. Tensiunea generată de termopereche și RTD crește cu temperatura. Comparativ cu termometrele de rezistență, acestea au o limită superioară mai mare a temperaturii, cu un avantaj semnificativ de câteva mii de grade Celsius. Stabilitatea lor pe termen lung este puțin mai slabă (câteva grade după un an), iar precizia măsurătorii este puțin mai scăzută (medie + 0,75% din intervalul de măsurare). Ele sunt folosite adesea în cuptoare, furnave, măsurarea gazelor de epurare și alte domenii unde temperaturile depășesc 250 °C.

Efekt termoelectric

Când două metale sunt conectate împreună, se generează o tensiune termoelectrică datorită diferitei energii de legare a electronilor și a ionilor metalici. Tensiunea depinde de metal în sine și de temperatură. Pentru ca această tensiune termică să genereze curent, cele două metale trebuie desigur să fie conectate la celălalt cap pentru a forma un circuit închis. În acest fel, se generează o tensiune termică la al doilea punct de contact. Efectul termoelectric a fost descoperit de Seebeck în 1822. Încă din 1828, Becquerel a sugerat utilizarea cuplului termic platinum-paladiu pentru măsurarea temperaturii.

Dacă temperatura este aceeași la ambele puncte de contact, nu există curgere de curent, deoarece presiunile parțiale generate la cele două puncte se anulează reciproc. Când temperatura la punctul de contact este diferită, tensiunea generată este diferită și curge curentul. Prin urmare, cuplul termic poate măsura doar diferența de temperatură.

Punctul de măsurare este o uniune expusă la temperatura măsurată. Uniunea de referință este o uniune la o temperatură cunoscută. Deoarece temperatura cunoscută este, de regulă, mai mică decât temperatura măsurată, uniunea de referință este de obicei numită uniune rece. Pentru a calcula temperatura reală a punctului de măsurare, trebuie să se cunoască temperatura capetei reci.

Instrumentele mai vechi folosesc cutii termostate pentru controlul temperaturii uniunii reci la valori cunoscute, cum ar fi 50°C. Instrumentele moderne folosesc rezistori RTD sub forma de filme subțiri la capatul rece pentru a determina temperatura acestuia și a calcula temperatura punctului de măsurare.

Tensiunea produsă de efectul termoelectric este foarte mică și este de doar câteva microvolți pe grad Celsius. Prin urmare, perechile termice nu sunt folosite normal în intervalul de – 30 la + 50 °C, deoarece diferența dintre temperatura uniunii de referință și cea a uniunii reci este prea mică pentru a produce un semnal neinterferențial.

Conectarea cu fir RTD

Într-un termometru de rezistență, rezistența variază în funcție de temperatură. Pentru a evalua semnalul de ieșire, o curentă constantă trece prin el și se măsoară scăderea de tensiune pe această cale. Pentru această scădere de tensiune, este respectată legea lui Ohm, v = IR.

Curentul de măsurare ar trebui să fie cât mai mic posibil pentru a evita încălzirea senzorului. Se poate considera că curentul de măsurare de 1mA nu va introduce nicio eroare vizibilă. Curentul produce o scădere de tensiune de 0,1V la PT 100 la 0 ℃. Această tensiune de semnal trebuie transmisă acum prin cablu de conectare până la punctul de indicație sau evaluare cu modificări minime. Există patru tipuri diferite de circuite de conexiune:

circuit cu două conductoare

Un cablu cu 2 nuclee este folosit pentru conexiunea între termometru și electronica de evaluare. Precum orice alt conductor electric, cablul are o rezistență în serie cu termometrul de rezistență. Ca urmare, cele două rezistențe se adună și electronica le interpretează ca pe un răscaldare a temperaturii. Pentru distanțe mai lungi, rezistența liniei poate ajunge la câteva ohmi și să producă o deflecție semnificativă a valorii măsurate.

circuit cu 3 fire

Pentru a minimiza influența rezistenței de linie și variațiile acesteia cu temperatura, se folosește de obicei un circuit cu trei fire. Acesta include conducerea a câțiva firuri suplimentare pe unul dintre contactele RTD. Acest lucru duce la două circuite de măsurare, una dintre ele fiind folosită ca referință. Circuitul cu 3 fire poate compensa rezistența liniei atât în ceea ce privește valoarea acesteia, cât și variațiile cu temperatura. Cu toate acestea, toate cele trei conductoare trebuie să aibă aceleași caracteristici și să fie expuse aceleiași temperaturi. Acest lucru este aplicat de regulă într-o măsură suficientă pentru a face din circuitele cu 3 fire metoda cel mai răspândită astăzi. Nu este necesară echilibrarea liniei.

circuit cu 4 fire

Cea mai bună formă de conexiune a termometrului de rezistență este circuitul cu patru fire. Măsurarea nu depinde nici de rezistența liniei, nici de modificările induse de temperatură. Nu este necesară echilibrarea liniei. Termometrul furnizează curentul de măsurare prin conexiunea electrică. Scăderea de tensiune pe linia de măsurare este capturată de linia de măsurare. Dacă rezistența de intrare a unui dispozitiv electronic este mult mai mare decât rezistența liniei, această ultimă poate fi ignorată. Scăderea de tensiune determinată în acest fel este independentă de caracteristicile firului de conectare. Această tehnică este de obicei folosită doar pentru instrumente științifice care necesită o precizie de măsurare de una sutime.

transmitor cu două fire

Prin utilizarea unui transmiutor cu 2 fire, în loc de un cablu multi-fir, se poate evita problema unui circuit cu 2 fire, așa cum este descris mai sus. Transmiutorul convertește semnalul senzorului într-un semnal de curent normalizat de 4-20mA, care este proportional cu temperatura. Alimentarea transmiutorului funcționează, de asemenea, prin aceleași două conexiuni, folosind un curent de bază de 4 mA. Transmiutorul cu 2 fire oferă o avantaj suplimentar, și anume, amplificarea semnalului reduce considerabil impactul interferențelor externe. Există două aranjamente pentru poziționarea transmiutorului. Deoarece distanța pe care trebuie să călătorească semnalele neamplificate ar trebui să fie cât mai scurtă posibil, amplificatorul poate fi montat direct pe termometru, în capul terminal. Această soluție cea mai bună nu este uneori posibilă din cauze structurale sau din considerente legate de dificultatea accesării transmiutorului în cazul unei defectări. În acest caz, transmiutorul montat pe rail este instalat în armatura de control. Avantajul accesului îmbunătățit este cumpărat cu prețul unei distanțe mai mari pe care semnalul neamplificat trebuie să o parcurgă.

Conexiunea termistorului

Rezistența unui termistor este de obicei cu câteva ordine de mărime mai mare decât cea a oricărei conductoare de legare. Prin urmare, efectul rezistenței conductorilor asupra măsurătorilor de temperatură este neglijabil, în timp ce termistorele sunt aproape întotdeauna conectate într-o configurație cu două conductoare.

Conexiunea cuplului termic

În contrast cu RTDS și termistorele, cuplurile termice au picioare pozitive și negative, astfel că polaritatea trebuie respectată. Ele pot fi conectate direct la transmiutorul local cu două conductoare și cablul de cupru poate fi returnat spre instrumentul receptor. Dacă instrumentul receptor poate accepta intrarea cuplului termic direct, același cablu de cuplu termic sau cablu de extensie al cuplului termic trebuie folosit tot drumul înapoi până la instrumentul receptor.