EN
Koncept teploty
Z fyzikálneho hľadiska je teplo meranie energie obsahovanej v tele kvôli neregulárneho pohybu jeho moliek alebo atomov. Podobne ako tenisové loptičky majú viac energie pri rastúcej rýchlosti, vnútorná energia tela alebo plynu sa zvyšuje s narastajúcou teplotou. Teplota je premenná, ktorá spolu s ďalšími parametrami, ako je hmotnosť a špecifická teplá kapacita, popisuje energetický obsah tela.
Základnou jednotkou teploty je kelvin. V 0 °K (Kelvine), každá častica v telze je v klidnom stave a už žiadne teploto neexistuje. Preto nie je možné záporné teploty, pretože neexistuje stav s nižšou energiou.
V každodennom použití sa obvykle používa stupňov centigrad (dôsiaľ poznámy ako centigrad). Jeho nulový bod je pri mrazivej bode vody, ktorú je v praxi ľahko reprodukovať. Teraz 0 °C absolútne nie je najnižšia možná teplota, pretože každý zážitkom vie, že to tak nie je. Pri rozšírení stupne centrigradu na najnižšiu teplotu, pri ktorej sa všetok molekulárny pohyb zastaví, dosiahneme – 273,15 stupňov.
Človek má schopnosť merať teplotu cez svoje city v obmedzenom rozsahu. Avšak nebol schopný presne reprodukovať kvantitatívne merania. Prvá forma kvantitatívneho mierenia teploty bola vyvinutá v Florencii na začiatku 17. storočia a závisla na rozšírení alkoholu. Mierka je založená na najvyšších teplotách v lete a v zime. Sto rokov neskôr ju nahradil švédsky astronóm Celsius bodmi tavenia a varu vody. To dáva teplomeru možnosť približňovať a oddialiť kedykoľvek a neskôr reprodukovať čítania.
Elektrické meranie teploty
Merenie teploty je dôležité v mnohých aplikáciách, ako sú riadenie budov, spracovanie potravín a výroba ocele a petrochemických produktov. Tieto veľmi rôzne aplikácie vyžadujú teplotné senzory s rôznymi fyzikálnymi štruktúrami a obvykle aj rôznymi technológiami.
V priemyselnej a obchodnej praxi sú mierové body zvyčajne vzdialené od indikačných alebo riadiacich bodov. Ďalšie spracovanie meraní je zvyčajne potrebné v riadiacicych jednotkách, zapisovačoch alebo počítačoch. Tieto aplikácie nie sú vhodné pre priamy výstup teplomerov, ako ich známe z každodenného používania, ale je potrebné previesť temperatúru do iného tvaru pomocou zariadenia, ktoré vykonáva elektrický signál. Aby sa poskytol tento vzdialený elektrický signál, sa zvyčajne používa RTD (rezistívny teplomer). Termistory a termopary.
RTD využíva charakteristiku zmien odporu kovu spolu s temperatúrou. Sú to senzory s pozitívnym teplotným koeficientom (PTC), ktorých odpor rastie s teplotou. Hlavné kovy používané sú platinové a niklové. Najpoužívanejšie senzory sú 100 ohmové alebo 1000 ohmové RTDS alebo platinové rezistívne teplomery.
RTD je najpresnejší senzor pre priemyselné aplikácie a poskytuje tiež najlepšiu dlhodobú stabilitu. Reprezentatívna hodnota presnosti platinového odporu je + 0,5% namerané teploty. Po jednom roku môže dôjsť k zmene o + 0,05 °C v dôsledku starnutia. Platinové rezistenčné teplomery majú teplotný rozsah od 200 do 800 ° C.
Zmena odporu s teplotou
Prvádnosť kovu závisí od pohyblivosti prevádzajúcich elektrónov. Ak na koniec vodiča aplikujeme napätie, elektróny sa pohybujú k pozitívnemu polu. Dopy a v mriežke rušia tento pohyb. Patrí k nim vonkajšie alebo chýbajúce atómy mriežky, atómy na hraničných plochách a medzi miestami mriežky. Keďže tieto chyby sú nezávislé na teplote, vyvolávajú konštantný odpor. S nárastom teploty prejavujú atómy v kovovej mriežke zväčšené oscilácie okolo ich stanovisk, čím bránia pohybu prevádzajúcim elektrónom. Keďže oscilácia rastie lineárne s teplotou, zvyšovanie odporu spôsobené osciláciou priamo závisí na teplote.
Platinová sa široko prijíma v priemyselnej merane. Jej výhody zahŕňajú chemickú stabilitu, relatívne jednoduchú výrobu (obzvlášť pre výrobu drôtov), možnosť získať ju v vysoce čistej forme a reprodukovateľné elektrické vlastnosti. Tieto charakteristiky robia platinový odporový senzor najširšie využiteľným senzorom teploty.
Termistory sú vyrobené z niektorých kovových oxidov a ich odpor klesá s nárastom teploty. Pretože sa charakteristika odporu zmenšuje s nárastom teploty, nazýva sa tento senzor senzorom s negatívnym teplotným koeficientom (NTC).
V dôsledku prírody základného procesu sa počet vodiaceých elektrónov exponenciálne zvyšuje s teplotou; preto charakteristika ukazuje silný nárast. Táto očividná nelinearnosť je nevýhodou NTC rezistorov a obmedzuje ich účinný teplotný rozsah na približne 100 °C. Samozrejme, môžu byť linearizované pomocou automatizovaných počítačov. Avšak presnosť a lineárna nemôžu spĺňať požiadavky veľkého meracieho rozpätia. Ich drifth pri striedavých teplách je tiež väčší ako u RTD. Ich použitie je obmedzené na monitorovanie a indikátorské aplikácie, kde teplota nepresahuje 200 °C. V tejto jednoduchej aplikácii sú skutočne lepšie ako drahejšie termopáry a RTD, keďže ich nízka cena a relatívne jednoduché elektronické obvody vyžadujú.
Základom teplového párku je spojenie dvoch rôznych kovov, termistor. Napätie vygenerované teplovým párom a RTD sa zvyšuje s teplotou. V porovnaní s odporovými teplomerami majú vyššiu hornú teplotnú hranicu, pričom majú významnú výhodu niekoľkých tisícov stupňov Celsia. Ich dlhodobá stabilita je trochu slabšia (po roku niekoľko stupňov) a presnosť merania je tiež o niečo horšia (priemer + 0,75 % meracího rozsahu). Často sa používajú v pekárnach, peciach, meraní kúrnych plynov a iných oblastiach, kde sú teploty vyššie ako 250 °C.
Termoelektrický efekt
Keď sú dva kovy spojené spolu, vznikne termoelektrické napätie kvôli rôznej vázanovej energii elektrónov a kovových íonov. Napätie závisí na samotnom kove a teplote. Aby sa toto tepelné napätie mohlo generovať ako prúd, musia byť obe kovy samozrejme spojené aj na druhej strane, aby sa vytvoril uzavretý obvod. Týmto spôsobom sa v druhom spojení vygeneruje tepelné napätie. Termoelektrický efekt objavil Seebeck v roku 1822. Už v roku 1828 navrhol Becquerel použitie platinovo-paladiového termopáru na meranie teploty.
Ak je rovnaká teplota v oboch spojeniach, neexistuje prietok prúdu, pretože čiastkové tlaky vygenerované v týchto bodoch sa vyrovnajú. Keď je teplota v spojení rôzna, vygenerované napätie je iné a prúd tekúci. Preto môže termopár merať len rozdiel teplot.
Mierací bod je spoj vystavený meranej teplote. Referenčný spoj je spoj pri známej teplote. Keďže známa teplota je obvykle nižšia ako mieraná teplota, referenčný spoj sa bežne nazýva studený spoj. Aby bolo možné vypočítať skutočnú teplotu mieracieho bodu, musí byť známa teplota studenej strany.
Staršie zariadenia používajú termostatizované ovládacie boxy na kontrolu teploty studenej strany pri známych hodnotách, ako sú 50 °C. Moderne nástroje používajú tenkoplátové RTD na studenej strane na určenie jej teploty a výpočet teploty mieracieho bodu.
Napätie vyprodukované termoelektrickým efektom je veľmi malé a dosahuje len niekoľko mikrovoltov za stupeň celsiusský. Preto sa termopary v obvyklom rozsahu od – 30 do + 50 °C nepoužívajú, pretože rozdiel medzi teplotou referenčného spoja a referenčnej teploty je príliš malý na vyprodukovanie nezamedziteľného signálu.
Vedenie pre RTD
V teplotnom meradle sa odpor mení s teplotou. Na vyhodnotenie výstupného signálu prechádza cezňo konštantný prúd a méri sa napätie na ňom. Pre toto napätie platí Ohmov zákon, v = IR.
Merací prúd by mal byť čo najmenší, aby sa vyhovieť senzoru. Môže sa považovať za to, že merací prúd 1mA nepripustí žiadne zrejmé chyby. Prúd spôsobí napätový pokles 0,1V pri PT 100 v 0 ℃. Toto signálové napätie musí teraz byť prenesené cez spojovací kabel do bodu indikácie alebo vyhodnocovacieho bodu s minimálnymi úpravami. Existujú štyri rôzne typy spojovacích obvodov:
2-vedľový obvod
Na pripojenie teplometu k hodnotenej elektronike sa používa dvojjadrový kábel. Ako každý iný elektrický vodič, aj kábel má odpor v sérii s odporovým teplomerom. Výsledkom je, že sa dva rezistory pripoja a elektronika to interpretuje ako zvýšenie teploty. Na dlhšie vzdialenosti môže odpor vedenia dosiahnuť niekoľko ohmov a spôsobiť významné posunovanie nameraných hodnôt.
3-vedľový obvod
Aby sa minimalizoval vplyv odporu vedenia a jeho kolísanie s teplotou, zvyčajne sa používa trojvodový obvod. Zahŕňa pripojenie ďalších drôtov na jeden zo kontaktov RTD. Výsledkom je dva merateľné obvody, z ktorých sa jeden používa ako referenčný. 3-drôtový obvod môže kompenzovať odpor vedenia z hľadiska počtu a teplotných zmien. Všetky tri vodiče však musia mať rovnaké vlastnosti a musia byť vystavené rovnakej teplote. To sa zvyčajne uplatňuje v dostatočnom rozsahu, aby sa 3-drôtové obvody stali najrozšírenejšou používanou metódou v súčasnosti. Nevyžaduje sa vyvažovanie vedenia.
4-vedľový obvod
Najlepšia spojovacia forma pre odporový teplomer je čoťová (4-drôtová) sústava. Meranie nezaleží ani na odporu vodiča, ani na zmenách spôsobených teplotou. Nestratené je vyvažovanie vodičov. Teplomer poskytuje meracie prúd cez napájaciu spojku. Napätie snímané na meracom vodiči je zachytené meracím vodičom. Ak je vstupný odpor elektronickej zariadenia mnohokrát väčší ako odpor vodiča, posledný môže byť zanedbaný. Napätie určené touto metódou je nezávislé na charakteristikách pripojovacieho vodiča. Táto technika sa bežne používa len pre vedecké nástroje, ktoré vyžadujú meranec so presnosťou jednej stotiny.
2-drôtový prevodca
Použitím 2-drôtového prenosovača namiesto viacdrôtového kábla môže byť vyriešen problém 2-drôtového obvodu, ako je popísané vyššie. Prenosovač prevádza signál z čúvateľa na normalizovaný prúdový signál 4-20mA, ktorý je úmerný teplote. Záber elektrickej energie pre prenosovač funguje tiež cez tie isté dva spojenia pomocou základného prúdu 4 mA. 2-drôtový prenosovač ponúka ďalšiu výhodu, a to, že zosilnenie signálu výrazne zníži vplyv vonkajších rušiviek. Existujú dve možnosti umiestnenia prenosovača. Keďže vzdialenosť medzi nezosilnenými signálmi by mala byť čo najkratšia, môže byť zosilňovač priamo namontovaný na teplomer v jeho koncovom hlavici. Táto najlepšia riešenie nie je niekedy možná kvôli štrukturálnym dôvodom alebo zváženiam, že v prípade poruchy môže byť prenosovač ťažko dostupný. V takom prípade je montovaný prenosovač umiestnený v ovládacom paneli. Výhoda lepšieho prístupu sa objavuje za cenu dlhšej vzdialenosti, ktorú musí nezosilnený signál precestovať.
Vedenie termistora
Odpor termistora je obvykle o niekoľko rádov väčší ako odpor akéhokoľvek vodiča. Preto je vplyv odporu vodiča na meranie teploty zanedbateľný a termistory sa skoro vždy pripájajú vo 2-vodičovej konfigurácii.
Vedenie teplovodov
Na rozdiel od RTD a termistorov majú teplovody kladné a záporné nohy, takže sa musí dbať na polaritu. Môžu byť priamo pripojené k miestnemu 2-vodičovému prenosovaču a miedzové vedenie môže ísť späť do prístroja na prijatie. Ak prístroj na prijatie môže priamo prijať vstup teplovodu, musí sa použiť ten istý drôt teplovodu alebo drôt predlžovacieho teplovodu až späť do prístroja na prijatie.
Horúce novinky