Razlika med termoparom, termistorjem in RTD

Koncept temperature

Fizično gledano je toplota merilo energije, ki jo telo vsebuje zaradi nepravilnega gibanja njegovih molekul ali atomov. Podobno kot tenisiške lopte, ki imajo več energije z povečevanjem hitrosti, se notranja energija telesa ali plina povečuje s povečanjem temperature. Temperatura je spremenljivka, ki skupaj z drugimi parametri, kot so masa in specifična toplota, opisuje vsebino energije telesa.

Osnovna merilna enota temperature je kelvinov stopinj. Pri 0 ° K (Elvin) je vsaka molekula v telesu v mirovanju in ni več toplečine. Zato ni mogoče negativne temperature, ker ni stanja z nižjo energijo.

V dnevni uporabi se običajno uporablja celsiuska lestvica (danes znana kot stopinja Celzija). Njen ničlov točka je pri temperaturi zamrznitve vode, ki jo je v praksi enostavno razmnožiti. Danes je znano, da 0 ° C ni najnižja temperatura, saj vsi iz zakazke poznajo nižje temperature. Če celsiusko lestvico razširimo do najnižje temperature, ko se vse molekulske gibanje ustavi, dosežemo – 273,15 stopinj.

Človek ima možnost meriti temperaturo skozi svoje čutila v omejenem območju. Vendar ni mogel točno reproducirati količinske meritve. Prva oblika količinske meritve temperature je bila razvita v Firenci začetek 17. stoletja in je odvisna od širjenja alkohola. Merilska lestvica je bila osnovana na najvišjih temperaturah po letu in zimi. Sto let kasneje je švedski astronom Celsius to zamenjal z točko taljenja in vročenja vode. To da termostatu možnost približevanja in oddaljevanja随时 in pozneje reproducirati meritve.

Električna meritev temperature

Merjenje temperature je pomembno v mnogih uporabah, kot so nadzor stavb, obdelovanje hrane ter proizvodnja jekla in petrokemijskih izdelkov. Te zelo različne uporabe zahtevajo senzorje temperature s različnimi fizikalnimi strukturami in običajno tudi različnimi tehnologijami.

V industrijskih in trgovinskih uporabah so merilne točke običajno daleč od točk prikaza ali nadzora. Nadaljnje obdelovanje meritve je običajno potrebno v regulatorjih, zapisovalcih ali računalnikih. Te uporabe niso primernega za neposredni prikaz termometrov, kot jih poznajmo iz vsakdanjega življenja, ampak je potrebno pretvoriti temperaturo v drugo obliko naprave, električni signal. Za zagotovitev tega oddaljenega električnega signala se običajno uporablja DTG, termistorji in termopari.

DTG sprejme lastnost spremembe upornosti metala s temperaturo. Oni so senzorji z pozitivnim koeficientom temperature (PTC), kjer se upornost povečuje z temperaturo. Glavni kovinski materiali, ki se uporabljajo, sta plintra in nikl. Najpogosteje uporabljani senzorji so 100 ohmov ali 1000 ohmovnih DTG-jev ali plintrskih upornih termometrov.

RTD je najtočnejši senzor za industrijske uporabe in ponuja tudi najboljšo dolgoročno stabilnost. Predstavniška vrednost natančnosti platinovega upora je + 0,5 % merjene temperature. Po enem letu lahko pride do spremembe + 0,05 °C zaradi staretnega procesa. Platinovi termometri imajo temperaturni obseg od – 200 do 800 °C.

Sprememba upornosti s temperaturo

Prevodnost metala odvisi od mobilnosti prevajajočih elektronov. Če na koncu žice namenimo napetost, se elektroni premikajo proti pozitivnemu polu. Defekti v rešetki ovirajo temu gibanju. To so zunanji ali manjkajoči rešetkovni atomi, atomi na mejah zrn in med rešetkovimi položaji. Ker so te napake neodvisne od temperature, ustvarjajo konstantno upornost. Z povečevanjem temperature se atomi v metalni rešetki bolj oscilirajo okoli svojih stacionarnih položajev, kar preprečuje gibanje prevajajočih elektronov. Ker se oscilacije povečujejo linearno z temperaturo, je povezava med povečano upornostjo in oscilacijami direktno odvisna od temperature.

Platinum je v industrijski meritvi široko sprejet. Njegove prednosti vključujejo kemikalno stabilnost, relativno enostavno izdelavo (posebno za proizvodnjo žice), možnost pridobitve v visoko čistem obliki in ponovljive električne lastnosti. Te značilnosti naredijo platinumski upornostni senzor najbolj splošno zamenjavljivim temperaturnim senzorjem.

Termistri so sestavljeni iz nekaterih kovinskih oksidov in njihova upornost padec z naraščajočo temperaturo. Ker se lastnost upornosti zmanjšuje z naraščajočo temperaturo, se ga imenuje senzor z negativnim temperaturnim koeficientom (NTC).

Zaradi narave osnovnega procesa se število prevodnih elektronov eksponentno povečuje z temperaturo; zato prikazuje karakteristika močno naraščanje. Ta očitna nelinearnost je slabost NTC upornikov in omejuje njihov učinkoviti temperaturni obseg na okoli 100 °C. Seveda jih je mogoče linearno izravnati z avtomatiziranimi računalniki. Vendar pa natančnost in linearnost ne moreta izpolniti zahtev velikega merilnega obsega. Njihova drfa pri spremenljivih temperaturah je tudi večja kot pri RTD. Njihova uporaba je omejena na spremljanje in kazateljske aplikacije, kjer temperatura ne presega 200 °C. V tej preprosti aplikaciji so dejansko boljši od dražjih termopari in RTD-jev, če upoštevamo njihovo nizko ceno in relativno preproste elektronske kroge, ki jih zahtevajo.

Osnova termopare je povezava med dvema različnima kovinama, termistor. Napetost, ki jo generira termopara, in RTD se povečuje z temperaturo. V primerjavi s stroji s spreminjanjem upornosti imajo višjo zgornjo mejo temperature, pri čemer imajo za velik predel prednost več tisoč stopinj Celzija. Njihova dolgoročna stabilnost je malo slabša (nekaj stopinj po letu), in točnost merjenja je malo slabša (povprečno + 0,75% merilne območja). Pogosto jih uporabljamo v pečkah, pečnicah, merjenju dimnih plinov in drugih področjih, kjer so temperature višje od 250 °C.

Termoelektrični učinek

Ko sta dve kovinski materjal povezani skupaj, se zaradi različne vezne energije elektronov in kovinskih ionov ustvari termoelektrična napetost. Napetost odvisi od samega kovina in temperature. Da bi ta termična napetost ustvarila tok, morata biti dva kovina seveda na drugem koncu povezana, da oblikujeta zaprti krog. Na tem načinu se v drugem stikovnem točki ustvari termična napetost. Termoelektrični učinek je odkril Seebeck leta 1822. Že leta 1828 je Becquerel predlagal uporabo platinovo-paladijske termopare za merjenje temperature.

Če je temperatura enaka na obeh stikovnih točkah, ne teče tok, ker se delni tlaki, ki jih generirata obe točki, vzajemno izničijo. Ko je temperatura na stikovni točki različna, je razlika v generiranem napetosti in tok teče. Zato lahko termopara meri le razliko temperatur.

Merilna točka je spoj, ki je izpostavljen merjeni temperaturi. Sklicni spoj je spoj pri znani temperaturi. Ker je znana temperatura običajno nižja od merjene temperature, se sklicni spoj običajno imenuje hladni spoj. Da bi se izračunal resnični temperaturski stanje merilne točke, mora biti znana temperatura hladnega kraja.

Starejše priborje uporabljajo termostatsko nadzirane kazališčne kutije za nadzor temperaturskega stanja hladnega spoja pri znanih vrednostih, kot so 50 °C. Moderne priborje uporabljajo tanko plinsko RTD na hladnem koncu, da določijo njegovo temperaturo in izračunajo temperaturo merilne točke.

Napetost, ki jo proizvaja termoelektričen učinek, je zelo majhna in je le nekaj mikrovoltov na stopinjo Celzija. Zato se termopari običajno ne uporabljajo v območju od – 30 do + 50 °C, ker je razlika med temperaturo sklicnega spoja in merilne točke precej mala, da bi proizvela nepomegljivo signalo.

Vodilna žica RTD

V toplotnem termometru se uporabi sprememba upora s temperaturo. Za oceno izhodnega signala preteče skozi njega konstanten tok in merimo spad napetosti. Za ta spad napetosti velja Ohmovo zakonitost, v = IR.

Merilni tok bi moral biti čim manjši, da se izognemo segrevanju senzorja. Lahko razmislimo, da bo merilni tok 1mA nevtralno vplival na rezultate. Tok ustvari spad napetosti 0,1V pri PT 100 ob 0 ℃. Ta signálna napetost mora zdaj biti prenesena skozi povezovalno kablico do kazalca ali mesta ocene z minimalno spremembo. Obstaja štiri različne vrste povezav:

dvožična povezava

Za povezavo med termometrom in ocenjevalnimi elektroniko se uporablja kabljastica s 2 jedri. Kot vsak drugi elektrovi šočnik ima kabljastica upor v zaporedju z termometrom na osnovi upora. V zadostitvi se skupaj seštejejo oba upora in elektronika to tuj interpretira kot narastek temperature. Pri daljših razdaljah lahko doseže upor linije nekaj omov in povzroči značilen odmik v merjeni vrednosti.

trožična povezava

Da se minimizira vpliv upornosti vodičev in njenih sprememb s temperaturo, se običajno uporablja trikotnikovski krog. Vključuje namestitev dodatnih vodičev na eno od stikov RTD. To pomeni, da imamo dve merilni kroge, od katerih je ena uporabljena kot skrbniška. Trikotnikovski krog lahko kompensira upornost vodičev glede na število in temperaturne spremembe. Vse tri vodiče morajo imeti iste lastnosti in biti izpostavljeni isti temperaturi. To se običajno uporablja dovolj učinkovito, da so trikotnikovski krogi danes najbolj razširjena metoda. Ne zahteva ravnotežja vodičev.

štirikratna povezava

Najboljša oblika povezave za uporabo s toplomernim sončkom je štirikrakov circuit. Meritev ne odvisi od upornosti vodičev ali temperature sprememb, ki jih povzroči. Ne zahteva ravnotežja vodičev. Toplomer meri tok prek močne povezave. Spad napetosti na merilni vrvi je zaznan s strani merilne vrte. Če je vhodni upor elektronskega naprave mnogo večji od uporov vrte, se zadnjega da zanemariti. Spad napetosti določen na ta način je neodvisen od lastnosti povezovalnega voda. Ta tehnika se običajno uporablja le za znanstvene aparate, ki zahtevajo merilno natančnost enega stotinke.

dvokrakov posrednik

Z uporabo prenosnika s 2-vrsknim sistemom namesto večvrsknega voda je mogoče izogniti problemu 2-vrsknega kroga, kot je opisan zgoraj. Prenosnik pretvori signal senzorja v normaliziran tokovni signal 4-20mA, ki je sorazmeren z temperaturo. Skrb za napajanje prenosnika poteka tudi skozi isti dve povezavi, z osnovnim tokom 4 mA. Preprost prenosnik s 2-vrsknim sistemom ponuja še dodaten prednost: povečanje signala veliko zmanjša vpliv zunanjih motenj. Obstajata dve možnosti za postavitev prenosnika. Ker naj bi razdalja med ne-povečanimi signali bila kar se da kratica, lahko povečevalnik namestimo neposredno na termometer v njegovi terminalni glavi. Ta najboljša rešitev ni občasno mogoča zaradi gradbenih razlogov ali zato, ker se lahko priključi, da bo v primeru poškodbe prenosnik težko dosegljiv. V tem primeru je prenosnik za namestitev na rail nameščen v nadzornem obehru. Prednost izboljšanega dostopa je, da jo kupijo zaradi daljše razdalje, ki jo mora ne-povečan signal opraviti.

Vodilna oprema termistatorja

Upornost termistatorja je običajno za več redov velikosti večja od upornosti katerekoli vodilne žice. Zato je vpliv upornosti vodi na meritve temperature zanemarljiv, medtem ko so termistatorji skoraj vedno povezani v 2-vodiški konfiguraciji.

Vodilna oprema termopare

V nasprotju s RTD-ji in termistatorji imajo termopari pozitivne in negativne noge, zato je treba upoštevati polarnost. Lahko so neposredno povezane z lokalnim prenosnikom z 2 vodi in miedne žice lahko vrnejo do sprejemnega aparata. Če lahko sprejemni aparat neposredno sprejme vhod termopare, mora biti uporabljena enaka termoparna žica ali žica za podaljšek termopare vse pot do sprejemnega aparata.