ENKoncept teploty
Z fyzikálneho hľadiska je teplo mierou energie obsiahnutej v tele v dôsledku nepravidelného pohybu jeho molekúl alebo atómov. Tak ako tenisové loptičky majú so zvyšujúcou sa rýchlosťou viac energie, vnútorná energia tela alebo plynu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Teplota je premenná, ktorá spolu s ďalšími parametrami, ako je hmotnosť a špecifické teplo, popisuje energetický obsah tela.
Základným meradlom teploty je Kelvinov stupeň. Pri 0 ° K (Elvin) je každá molekula v tele v pokoji a už nie je teplo. Preto neexistuje možnosť zápornej teploty, pretože neexistuje stav nižšej energie.
Pri každodennom používaní je obvyklou praxou použitie stupňov Celzia (predtým stupňa Celzia). Jeho nulový bod je v bode mrazu vody, ktorý sa dá v praxi ľahko reprodukovať. Teraz 0 ° C nie je v žiadnom prípade najnižšia teplota, pretože každý to vie zo skúsenosti. Rozšírením stupnice Celzia na najnižšiu teplotu, pri ktorej sa zastaví všetok molekulárny pohyb, dosiahneme – 273,15 stupňov.
Človek má schopnosť merať teplotu svojimi zmyslami v obmedzenom rozsahu. Nebol však schopný presne reprodukovať kvantitatívne merania. Prvá forma kvantitatívneho merania teploty bola vyvinutá vo Florencii začiatkom 17. storočia a spoliehala sa na expanziu alkoholu. Škálovanie je založené na najvyšších teplotách v lete a v zime. O sto rokov neskôr ho švédsky astronóm Celsius nahradil teplotami topenia a varu vody. To dáva teplomeru možnosť kedykoľvek priblížiť a oddialiť a neskôr reprodukovať namerané hodnoty.
Elektrická meracia teplota
Meranie teploty je dôležité v mnohých aplikáciách, ako je kontrola budov, spracovanie potravín a výroba ocele a petrochemických výrobkov. Tieto veľmi odlišné aplikácie vyžadujú snímače teploty s rôznymi fyzikálnymi štruktúrami a zvyčajne rôznymi technológiami
V priemyselných a komerčných aplikáciách sú meracie body zvyčajne ďaleko od indikačných alebo kontrolných bodov. Ďalšie spracovanie meraní sa zvyčajne vyžaduje v ovládačoch, rekordéroch alebo počítačoch. Tieto aplikácie nie sú vhodné na priamu indikáciu teplomerov, pretože ich poznáme z každodenného používania, ale potrebujú premeniť teplotu na inú formu zariadenia, elektrický signál. Na poskytnutie tohto vzdialeného elektrického signálu sa zvyčajne používa RTD. Termistory a termočlánky.
RTD prijíma charakteristiku kovového odporu meniaceho sa s teplotou. Sú to snímače s kladným teplotným koeficientom (PTC), ktorých odpor sa zvyšuje s teplotou. Hlavnými použitými kovmi sú platina a nikel. Najpoužívanejšími snímačmi sú 100 ohmové alebo 1000 ohmové RTDS alebo platinové odporové teplomery.
RTD je najpresnejší snímač pre priemyselné aplikácie a tiež poskytuje najlepšiu dlhodobú stabilitu. Reprezentatívna hodnota presnosti platinového odporu je + 0,5% nameranej teploty. Po jednom roku môže dôjsť k zmene + 0,05 ° C starnutím. Platinové odporové teplomery majú teplotný rozsah – 200 až 800 °C.
Zmena odporu s teplotou
Vodivosť kovu závisí od pohyblivosti vodivých elektrónov. Ak je na koniec drôtu privedené napätie, elektróny sa presunú na kladný pól. Chyby v mriežke zasahujú do tohto pohybu. Zahŕňajú vonkajšie alebo chýbajúce atómy mriežky, atómy na hraniciach zŕn a medzi pozíciami mriežky. Pretože tieto miesta porúch sú nezávislé od teploty, vytvárajú konštantný odpor. So zvyšujúcou sa teplotou vykazujú atómy v kovovej mriežke zvýšené oscilácie v blízkosti svojich stacionárnych polôh, čím bránia pohybu vodivých elektrónov. Keďže oscilácia rastie lineárne s teplotou, zvýšenie odporu spôsobené osciláciou závisí priamo od teploty.
Platina bola široko akceptovaná v priemyselnom meraní. Medzi jeho výhody patrí chemická stabilita, relatívne jednoduchá výroba (najmä pri výrobe drôtov), možnosť získania vo forme vysokej čistoty a reprodukovateľné elektrické vlastnosti. Vďaka týmto vlastnostiam je platinový odporový snímač najzameniteľnejším snímačom teploty.
Termistory sú vyrobené z niektorých oxidov kovov a ich odpor klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Pretože odporová charakteristika klesá so zvyšujúcou sa teplotou, nazýva sa snímač záporného teplotného koeficientu (NTC).
Vzhľadom na povahu základného procesu sa počet vodivých elektrónov exponenciálne zvyšuje s teplotou; Preto charakteristika vykazuje silný nárast. Táto zjavná nelinearita je nevýhodou NTC rezistorov a obmedzuje ich efektívny teplotný rozsah na cca 100 °C. Môžu byť samozrejme linearizované automatizovanými počítačmi. Presnosť a linearita však nemôžu spĺňať požiadavky veľkého rozsahu merania. Ich drift pri striedavých teplotách je tiež väčší ako pri RTD. Ich použitie je obmedzené na monitorovanie a indikáciu aplikácií, kde teplota nepresahuje 200 ° C. V tejto jednoduchej aplikácii sú v skutočnosti lepšie ako drahšie termočlánky a RTD, vzhľadom na ich nízku cenu a relatívne jednoduché požadované elektronické obvody.
Základom termočlánku je spojenie medzi dvoma rôznymi kovmi, termistorom. Napätie generované termočlánkom a RTD sa zvyšuje s teplotou. V porovnaní s odporovými teplomermi majú vyššiu hornú teplotnú hranicu s výraznou výhodou niekoľko tisíc stupňov Celzia. Ich dlhodobá stabilita je mierne zlá (niekoľko stupňov po roku) a presnosť merania je mierne nízka (priemer + 0,75% rozsahu merania). Často sa používajú v peciach, peciach, meraní spalín a iných oblastiach, kde sú teploty vyššie ako 250 °C.
Termoelektrický efekt
Keď sú dva kovy spojené dohromady, vytvára sa termoelektrické napätie v dôsledku rozdielnej väzbovej energie elektrónov a kovových iónov. Napätie závisí od samotného kovu a teploty. Aby toto tepelné napätie generovalo prúd, musia byť tieto dva kovy samozrejme spojené na druhom konci, aby vytvorili uzavretý obvod. Týmto spôsobom sa na druhom križovatke generuje tepelné napätie. Termoelektrický efekt objavil Seebeck v roku 1822. Už v roku 1828 Becquerel navrhol použitie termočlánku platinového paládia na meranie teploty.
Ak je na oboch križovatkách rovnaká teplota, nedochádza k žiadnemu prúdu, pretože parciálne tlaky generované v týchto dvoch bodoch sa navzájom rušia. Keď je teplota na križovatke iná, generované napätie je iné a prúd tečie. Preto termočlánok môže merať iba teplotný rozdiel.
Merací bod je križovatka vystavená nameranej teplote. Referenčná križovatka je križovatka pri známej teplote. Pretože známa teplota je zvyčajne nižšia ako nameraná teplota, referenčný spoj sa zvyčajne nazýva studený spoj. Na výpočet skutočnej teploty bodu merania musí byť známa teplota studeného konca.
Staršie prístroje používajú termostatické ovládacie rozvodné skrinky na reguláciu teploty studeného spoja na známe hodnoty, ako je 50 ° C. Moderné prístroje používajú tenkovrstvový RTD na studenom konci na určenie jeho teploty a výpočet teploty meracieho bodu.
Napätie produkované termoelektrickým javom je veľmi malé a je len niekoľko mikrovoltov na stupeň Celzia. Preto sa termočlánky bežne nepoužívajú v rozsahu – 30 až + 50 °C, pretože rozdiel medzi teplotou referenčného spoja a teplotou referenčného spoja je príliš malý na to, aby vytvoril nerušivý signál.
Zapojenie RTD
V odporovom teplomere sa odpor mení s teplotou. Na vyhodnotenie výstupného signálu ním prechádza konštantný prúd a meria sa pokles napätia na ňom. Pre tento pokles napätia sa dodržiava Ohmov zákon, v = IR.
Merací prúd by mal byť čo najmenší, aby sa zabránilo zahrievaniu snímača. Možno sa domnievať, že merací prúd 1 mA nespôsobí žiadnu zjavnú chybu. Prúd vytvára pokles napätia o 0,1 V v PT 100 pri 0 °C. Tento signál objtage sa teraz musí prenášať cez prepojovací kábel do indikačného bodu alebo vyhodnocovacieho bodu s minimálnymi úpravami. Existujú štyri rôzne typy pripojovacích obvodov:
2-vodičový obvod
Na spojenie medzi teplomerom a vyhodnocovacou elektronikou sa používa 2-žilový kábel. Ako každý iný elektrický vodič, aj kábel má odpor v sérii s odporovým teplomerom. Výsledkom je, že dva rezistory sa spočítajú a elektronika to interpretuje ako nárast teploty. Pri väčších vzdialenostiach môže odpor vedenia dosiahnuť niekoľko ohmov a spôsobiť výrazný posun nameranej hodnoty.
3-vodičový obvod
Aby sa minimalizoval vplyv odporu vedenia a jeho kolísanie s teplotou, zvyčajne sa používa trojvodičový obvod. Zahŕňa vedenie ďalších vodičov na jednom z kontaktov RTD. Výsledkom sú dva meracie obvody, z ktorých jeden sa používa ako referencia. 3-vodičový obvod môže kompenzovať odpor vedenia z hľadiska jeho počtu a teplotných zmien. Všetky tri vodiče však musia mať rovnaké vlastnosti a byť vystavené rovnakej teplote. To sa zvyčajne používa v dostatočnej miere na to, aby sa 3-vodičové obvody stali najpoužívanejšou metódou súčasnosti. Nie je potrebné vyvažovanie vedenia.
4-vodičový obvod
Najlepšou formou pripojenia odporového teplomera je 4-vodičový obvod. Meranie nezávisí ani od odporu vedenia, ani od zmien vyvolaných teplotou. Nie je potrebné vyvažovanie vedenia. Teplomer poskytuje merací prúd cez elektrickú prípojku. Pokles napätia na meracom vedení zachytáva meracie vedenie. Ak je vstupný odpor elektronického zariadenia mnohonásobne väčší ako odpor vedenia, je možné ho ignorovať. Takto stanovený pokles napätia je nezávislý od charakteristík spojovacieho vodiča. Táto technika sa zvyčajne používa iba pre vedecké prístroje, ktoré vyžadujú presnosť merania jedna stotina.
2-vodičový vysielač
Použitím 2-vodičového vysielača namiesto viacžilového kábla sa dá vyhnúť problému s 2-vodičovým obvodom, ako je popísané vyššie. Vysielač prevádza signál snímača na normalizovaný prúdový signál 4-20 mA, ktorý je úmerný teplote. Napájanie vysielača funguje aj prostredníctvom rovnakých dvoch pripojení pomocou základného prúdu 4 mA. 2-vodičový vysielač poskytuje ďalšiu výhodu, to znamená, že zosilnenie signálu výrazne znižuje vplyv vonkajšieho rušenia. Existujú dve usporiadania umiestnenia vysielača. Pretože vzdialenosť medzi nezosilnenými signálmi by mala byť čo najkratšia, zosilňovač je možné nainštalovať priamo na teplomer v jeho koncovej hlavici. Toto najlepšie riešenie niekedy nie je možné z konštrukčných dôvodov alebo úvah, že vysielač môže byť v prípade poruchy ťažko dostupný. V tomto prípade je vysielač namontovaný na koľajnici nainštalovaný v rozvádzači. Výhodou vylepšeného prístupu je, že sa kupuje za cenu dlhšej vzdialenosti, ktorú musí nezosilnený signál prejsť.
Zapojenie termistora
Odpor termistora je zvyčajne o niekoľko rádov väčší ako odpor akéhokoľvek oloveného drôtu. Preto je vplyv odporu vodiča na hodnoty teploty zanedbateľný, zatiaľ čo termistory sú takmer vždy pripojené v 2-vodičovej konfigurácii.
Zapojenie termočlánku
Na rozdiel od RTDS a termistorov majú termočlánky kladné a záporné nohy, preto je potrebné dodržiavať polaritu. Môžu byť pripojené priamo k miestnemu 2-vodičovému vysielaču a medený drôt je možné vrátiť do prijímacieho prístroja. Ak prijímací prístroj môže prijímať vstup termočlánku priamo, rovnaký termočlánkový drôt alebo predlžovací vodič termočlánku sa musí použiť až späť k prijímaciemu prístroju.
Horúce správy