ENПонятие температуры
С физической точки зрения, тепло является мерой энергии, содержащейся в организме из-за нерегулярного движения его молекул или атомов. Точно так же, как теннисные мячи обладают большей энергией с увеличением скорости, внутренняя энергия тела или газа увеличивается с повышением температуры. Температура — это переменная, которая, наряду с другими параметрами, такими как масса и удельная теплоемкость, описывает энергоемкость организма.
Основной мерой температуры является градус Кельвина. При температуре 0 ° K (Elvin) каждая молекула в организме находится в состоянии покоя и тепла больше нет. Следовательно, отрицательная температура невозможна, потому что нет состояния с более низкой энергией.
При повседневном использовании обычной практикой является использование сантиграда (ранее по Цельсию). Его нулевая точка находится на точке замерзания воды, что можно легко воспроизвести на практике. Сейчас 0°С – это отнюдь не самая низкая температура, ведь все знают по опыту. Расширив шкалу градусов по Цельсию до самой низкой температуры, при которой прекращается все молекулярное движение, мы получаем – 273,15 градуса.
Человек имеет возможность измерять температуру с помощью органов чувств в ограниченном диапазоне. Тем не менее, он не смог точно воспроизвести количественные измерения. Первая форма количественного измерения температуры была разработана во Флоренции в начале 17 века и основывалась на экспансии алкоголя. Окалина основана на самых высоких температурах летом и зимой. Сто лет спустя шведский астроном Цельсий заменил его на точки плавления и кипения воды. Это дает термометру возможность увеличивать и уменьшать масштаб в любое время и воспроизводить показания позже.
Электрическая температура измерения
Измерение температуры важно во многих областях, таких как управление зданиями, пищевая промышленность, производство стали и нефтехимической продукции. Для этих очень разных областей применения требуются датчики температуры с разными физическими структурами и, как правило, разными технологиями
В промышленном и коммерческом применении точки измерения обычно находятся далеко от точек индикации или контроля. Дальнейшая обработка измерений обычно требуется в контроллерах, регистраторах или компьютерах. Эти приложения не подходят для прямой индикации термометров, потому что мы знаем их по повседневному использованию, но нам необходимо преобразовывать температуру в другую форму устройства - электрический сигнал. Для того, чтобы подать этот дистанционный электрический сигнал, обычно используется RTD. Термисторы и термопары.
Термометр сопротивления металла изменяется в зависимости от температуры. Это датчики с положительным температурным коэффициентом (PTC), сопротивление которых увеличивается с температурой. Основными используемыми металлами являются платина и никель. Наиболее широко используемыми датчиками являются 100 Ом или 1000 Ом RTDS или платиновые термометры сопротивления.
RTD является наиболее точным датчиком для промышленного применения, а также обеспечивает наилучшую долговременную стабильность. Репрезентативное значение точности сопротивления платины составляет + 0,5% от измеряемой температуры. Через один год может произойти изменение на +05 °C в процессе старения. Платиновые термометры сопротивления имеют температурный диапазон от – от 200 до 800 °С.
Изменение сопротивления в зависимости от температуры
Проводимость металла зависит от подвижности проводящих электронов. Если на конец провода подать напряжение, электроны перемещаются к положительному полюсу. Дефекты решетки препятствуют этому движению. К ним относятся внешние или отсутствующие атомы решетки, атомы на границах зерен и между позициями решетки. Поскольку эти места повреждения не зависят от температуры, они создают постоянное сопротивление. С повышением температуры атомы в металлической решетке проявляют усиленные колебания вблизи своего неподвижного положения, тем самым препятствуя движению проводящих электронов. Поскольку колебания линейно увеличиваются с температурой, увеличение сопротивления, вызванное колебанием, напрямую зависит от температуры.
Платина получила широкое распространение в промышленных измерениях. К его преимуществам можно отнести химическую стабильность, относительно простую конструкцию (особенно для производства проволоки), возможность получения ее в виде высокой чистоты, воспроизводимые электрические свойства. Эти характеристики делают платиновый датчик сопротивления наиболее широко взаимозаменяемым датчиком температуры.
Термисторы состоят из некоторых оксидов металлов, и их стойкость уменьшается с повышением температуры. Поскольку характеристика сопротивления уменьшается с повышением температуры, он называется датчиком отрицательного температурного коэффициента (NTC).
Из-за особенностей основного процесса количество проводящих электронов увеличивается экспоненциально с температурой; Поэтому характеристика показывает сильный рост. Эта явная нелинейность является недостатком резисторов NTC и ограничивает его эффективный температурный диапазон примерно 100 °С. Конечно, они могут быть линеаризованы автоматизированными компьютерами. Однако точность и линейность не могут удовлетворить требования большого диапазона измерений. Их дрейф при переменных температурах также больше, чем у RTD. Их использование ограничивается мониторингом и индикацией применений, где температура не превышает 200°С. В этом простом применении они фактически превосходят более дорогие термопары и термометры RTD, учитывая их низкую стоимость и относительно простые электронные схемы.
В основе термопары лежит соединение между двумя различными металлами, термистор. Напряжение, генерируемое термопарой и термометром сопротивления, увеличивается с температурой. По сравнению с термометрами сопротивления, они имеют более высокий верхний температурный предел, со значительным преимуществом в несколько тысяч градусов Цельсия. Их долговременная стабильность немного слаба (несколько градусов через год), а точность измерений немного слаба (в среднем + 0,75% от диапазона измерения). Они часто используются в печах, печах, для измерения дымовых газов и в других помещениях, где температура выше 250 ° C.
Термоэлектрический эффект
Когда два металла соединены вместе, возникает термоэлектрическое напряжение из-за разной энергии связи электронов и ионов металлов. Напряжение зависит от самого металла и температуры. Для того, чтобы это тепловое напряжение генерировало ток, два металла, конечно же, должны быть соединены друг с другом на другом конце, образуя замкнутую цепь. Таким образом, на втором переходе генерируется тепловое напряжение. Термоэлектрический эффект был открыт Зеебеком в 1822 году. Еще в 1828 году Беккерель предложил использовать для измерения температуры термопару на основе платинового палладия.
Если на обоих переходах одинаковая температура, то течения тока нет, потому что парциальные давления, создаваемые в двух точках, компенсируют друг друга. Когда температура на переходе другая, генерируемое напряжение становится другим, и ток протекает. Таким образом, термопара может измерять только разницу температур.
Точка измерения — это соединение, на которое воздействует измеряемая температура. Опорный переход — это переход с известной температурой. Поскольку известная температура обычно ниже измеренной, опорный переход обычно называют холодным спаем. Чтобы рассчитать фактическую температуру точки измерения, необходимо знать температуру холодной части.
В старых приборах используются термостатические распределительные коробки для контроля температуры холодного спая при известных значениях, таких как 50 °C. Современные приборы используют тонкопленочный RTD на холодной стороне для определения его температуры и расчета температуры точки измерения.
Напряжение, создаваемое термоэлектрическим эффектом, очень мало и составляет всего несколько микровольт на градус Цельсия. Поэтому термопары обычно не используются в диапазоне от –30 до + 50°С, потому что разница между температурой опорного перехода и температурой опорного перехода слишком мала для получения сигнала без помех.
Проводка RTD
В термометре сопротивления сопротивление изменяется в зависимости от температуры. Для оценки выходного сигнала через него проходит постоянный ток и измеряется падение напряжения на нем. Для этого падения напряжения подчиняется закон Ома, v = IR.
Измеряемый ток должен быть как можно меньше, чтобы избежать нагрева датчика. Можно считать, что измеряемый ток в 1 мА не внесет никакой очевидной погрешности. Ток приводит к падению напряжения на 0,1 В в PT 100 при 0 °C. Теперь это напряжение сигнала должно передаваться по соединительному кабелю в точку индикации или точку оценки с минимальными изменениями. Существует четыре различных типа цепей подключения:
2-проводная цепь
Для подключения термометра к электронике используется 2-жильный кабель. Как и любой другой электрический проводник, кабель имеет сопротивление последовательно с термометром сопротивления. В результате два резистора складываются вместе, и электроника интерпретирует это как повышение температуры. На больших расстояниях сопротивление линии может достигать нескольких Ом и приводить к значительному смещению измеряемого значения.
3-проводная цепь
Для того чтобы свести к минимуму влияние сопротивления линии и его колебания с температурой, обычно используется трехпроводная схема. Он включает в себя прокладку дополнительных проводов на одном из контактов РДТ. В результате образуются две измерительные цепи, одна из которых используется в качестве опорной. 3-проводная схема может компенсировать сопротивление линии с точки зрения ее количества и изменения температуры. Тем не менее, все три проводника должны иметь одинаковые характеристики и подвергаться воздействию одинаковой температуры. Обычно это применяется в достаточной степени, чтобы сделать 3-проводные схемы наиболее широко используемым методом на сегодняшний день. Балансировка линий не требуется.
4-проводная схема
Лучшей формой подключения термометра сопротивления является 4-проводная схема. Измерение не зависит ни от сопротивления линии, ни от изменений, вызванных температурой. Балансировка линий не требуется. Термометр обеспечивает измерение тока через разъем питания. Падение напряжения на измерительной линии улавливается измерительной линией. Если входное сопротивление электронного устройства во много раз больше линейного сопротивления, то последним можно пренебречь. Определяемое таким образом падение напряжения не зависит от характеристик соединительного провода. Эта методика обычно используется только для научных приборов, требующих точности измерений в одну сотую.
2-проводной передатчик
Используя 2-проводной передатчик вместо многожильного кабеля, можно избежать проблемы двухпроводной цепи, как описано выше. Передатчик преобразует сигнал датчика в нормированный токовый сигнал 4-20 мА, который пропорционален температуре. Питание передатчика также осуществляется через те же два соединения, используя основной ток 4 мА. Передатчик 2-wire дает дополнительное преимущество, то есть усиление сигнала значительно снижает влияние внешних помех. Существует два варианта расположения передатчика. Поскольку расстояние между неусиленными сигналами должно быть как можно меньше, усилитель можно установить непосредственно на термометр в его клеммной головке. Это лучшее решение иногда невозможно из-за структурных причин или соображений, что в случае неисправности передатчика может быть трудно добраться. В этом случае передатчик на рейке устанавливается в шкаф управления. Преимущество улучшенного доступа заключается в том, что он приобретается за счет большего расстояния, которое должен пройти неусиленный сигнал.
Термисторная проводка
Сопротивление термистора обычно на несколько порядков больше, чем у любого свинцового провода. Поэтому влияние сопротивления свинца на показания температуры незначительно, в то время как термисторы почти всегда подключаются в 2-проводной конфигурации.
Проводка термопары
В отличие от RTDS и термисторов, термопары имеют положительные и отрицательные ножки, поэтому необходимо соблюдать полярность. Они могут быть подключены непосредственно к местному 2-проводному передатчику, а медный провод может быть возвращен к принимающему прибору. Если принимающий прибор может принимать вход термопары напрямую, то тот же провод термопары или удлинительный провод термопары должен быть использован до самого принимающего прибора.
Горячие новости