Razlika između termopare, termistora i RTD

Koncept temperature

Fizički gledano, toplina je merenje energije sadržane u telu zbog neredovitog kretanja njegovih molekula ili atoma. Slično tome kako loptice za tenis imaju više energije sa porastom brzine, unutrašnja energija tela ili plina raste sa porastom temperature. Temperatura je promenljiva koja, uz druge parametre kao što su masa i specifična toplina, opisuje sadržaj energije tela.

Osnovna mera temperature je Kelvinska stepen. U 0 ° K (Elvin), svaka čestica u telu je u mirovanju i nema više topla. Zbog toga, nije moguće negativna temperatura jer ne postoji stanje nižeg energije.

U dnevnoj upotrebi, obična praksa je da se koristi Celzijusova skala (ranije centigrad). Njen nulti tačka je na tački zamaravanja vode, što se lako može reprodukovati na praktičan način. Sada 0 ° C ni u kojem slučaju nije najniža temperatura, jer svi znaju iz iskustva. Proširivanjem Celzijusove skale do najniže temperature na kojoj se zaustavlja sve molekulske kretanje, dostižemo – 273.15 stepeni.

Čovek ima mogućnost da meri temperaturu kroz svoje čula u ograničenom opsegu. Međutim, nije mu bio u stanju tačno reprodukovati kvantitativne mere. Prva forma kvantitativnog merenja temperature je razvijena u Firencu početkom 17. veka i zavisila je od proširenja alkohola. Skaliranje je bazirano na najvišim temperaturama u leto i zimu. Sto godina kasnije, švedski astronom Celzijus je to zamenio tačkama topanja i ključivanja vode. To daje termodmetru priliku da se približi ili udalji bilo kada i da posle reprodukuje čitanja.

Električno merenje temperature

Merenje temperature je važno u mnogim primenama, kao što su upravljanje zgradama, obrada hrane i proizvodnja ocele i naftehemijskih proizvoda. Ove vrlo različite primene zahtevaju senzore temperature sa različitim fizičkim strukturama i obično različitim tehnologijama.

U industrijskim i komercijalnim primenama, mernje tačke su obično daleko od tačaka prikazivanja ili upravljanja. Dalji obradak merenja je obično potreban u kontrolerima, registrovima ili računarima. Ove primene nisu pogodne za direktni prikaz termetara pošto ih znamo iz svakodnevnog koriscenja, već je potrebno da pretvorimo temperaturu u drugi oblik, a to je električni signal. Da bi se obezbedio ovaj udaljeni električni signal, obično se koristi RTD. Termitore i termopare.

RTD uzima u obzir karakteristiku promene otpora metala sa temperaturom. Oni su senzori sa pozitivnim koeficijentom temperature (PTC) čiji otpor raste sa temperaturom. Glavni metali koji se koriste su platin i nikel. Najšireće korišćeni senzori su od 100 omi ili 1000 omi RTDS ili platinski otporni termetari.

RTD je najtačniji senzor za industrijsku primenu i takođe pruža najbolju dugoročnu stabilnost. Reprezentativna vrednost tačnosti platinovog otpornog senzora je + 0.5% od merene temperature. Nakon jedne godine, može doći do promene od + 0.05 ° C usled starenja. Platinovim termostatom opseg temperature iznosi – 200 do 800 ° C.

Promena otpora sa temperaturom

Проводништво метала зависи од мобилности предавајућих електрона. Ако се на крај вожице приложи напон, електрони се пomerаju ка позитивном полю. Дефекти у рецидиву спречавају оваj покрет. То су спољашњи или недостајући атоми рецидива, атоми на границама зрнца и између позиција рецидива. Пошто су ове локације дефекта независне од температуре, они производе константан отпор. Са повећањем температуре, атоми у металном рецидиву приказују повећане осцилације близу својих стационих позиција, што такође спречава покрет предавајућих електрона. Пошто се осцилације повећавају линеарно са температуром, повећање отпора uzrokovano oscilacijama direktno zavisi od temperature.

Platin je široko prihvaćen u industrijskoj merenju. Njegove prednosti uključuju hemijsku stabilnost, relativno jednostavnu izradu (posebno za proizvodnju žice), mogućnost dobijanja u visokoj obliku čistoće i reprodukcibilne električne karakteristike. Ove karakteristike čine platini otporni senzor najšire primenljivim senzorom temperature.

Termitori su napravljeni od nekih kovinskih oksida i njihova otpornost smanjuje se sa porastom temperature. Zbog toga što se karakteristika otpornosti smanjuje sa porastom temperature, naziva se senzor sa negativnim temperaturnim koeficijentom (NTC).

Zbog prirode osnovnog procesa, broj vodijućih elektrona eksponencijalno raste sa temperaturom; stoga, karakteristika pokazuje jaku progresiju. Ova očigledna nelinearnost je nedostatak NTC otpornika i ograničava njegovu efektivnu temperaturnu opseg na oko 100 °C. Naravno, mogu se linearizovati pomoću automatskih računara. Međutim, tačnost i linearnost ne mogu da ispunjavaju zahteve velikog merenog raspona. Njihov odmak pri promenljivoj temperaturi je takođe veći nego kod RTD-a. Njihova upotreba je ograničena na praćenje i indikaciju primene gdje temperatura ne premašuje 200 °C. U ovom jednostavnom primenama, oni su zapravo superiorniji od skupljiх termoparova i RTD-a, uzimajući u obzir njihovu nisku cenu i relativno jednostavne elektronske šeme koje su potrebne.

Osnova termodjevice je veza između dva različita metala, termistor. Napetost koju generiše termodjever i RTD raste sa temperaturom. U poređenju sa otporničnim termodjavnicama, one imaju višu gornju granicu temperature, sa značajnom prednostom od nekoliko hiljada stepeni Celzijusa. Njihova dugoročna stabilnost je malo lošija (nekoliko stepeni nakon godine), a tačnost merenja je malo lošija (prosečno + 0,75% opsega merenja). Često se koriste u pećinama, pećima, merenju dimnih plinova i drugim oblastima gde su temperature više od 250 °C.

Termoelektrični efekat

Kada su dva metala spojena zajedno, proizilazi termoelektrična napetost zbog različitih veza energije elektrona i metalnih iona. Napetost zavisi od samog metala i temperature. Da bi ova termička napetost stvorila strujanje, dva metala moraju naravno biti spojena na drugom kraju kako bi se formirao zatvoreni krug. Na taj način, u drugoj spajnici nastaje termička napetost. Termoelektrični efekat je otkrio Seebeck 1822. Već 1828., Becquerel je predložio upotrebu platin-paladijum termopare za merenje temperature.

Ako je temperatura ista u oba spoja, ne postoji protok struje jer se delimični pritisci koji nastaju u ta dva tačka ponишtuju. Kada je temperatura u spoju različita, napetost koja se generiše je različita i struja teče. Zbog toga, termopara može da meri samo razliku u temperaturi.

Mjerna tačka je spoj izložen merenoj temperaturi. Referentni spoj je spoj na poznatoj temperaturi. Budući da je poznata temperatura obično niža od mere temperature, referentni spoj se obično naziva hladnim spojem. Da bi se izračunala stvarna temperatura mjerne tačke, mora se poznati i temperatura hladnog kraja.

Stariji instrumenti koriste termostatsku kontrolu kutija za spojeve kako bi kontrolisali temperaturu hladnog spoja na poznate vrednosti poput 50°C. Savremeni instrumenti koriste tankofilmski RTD na hladnom kraju kako bi odredili njegovu temperaturu i izračunali temperaturu mjerne tačke.

Napetost koju proizvodi termoelektrički efekat je vrlo mala i čini se samo nekoliko mikrovoltova po stepenu Celzijusa. Zbog toga se termopari obično ne koriste u opsegu od – 30 do + 50 °C, jer je razlika između temperature referentnog spoja i temperature referentnog spoja previše mala da bi proizvela neovisni signal.

Проводници за РТД

У термометру са otporom, otpor se menja sa temperaturom. Da bi se procenio izlazni signal, konstantan strujanje prolazi kroz njega i meri se napon preko njega. Za ovaj napon, vazi Ohmov zakon, v = IR.

Struja za merenje treba da bude što manja da ne bi došlo do grejanja senzora. Može se smatrati da struja od 1mA za merenje neće uvesti nikakav očigledan grešku. Struja uzrokuje pad napona od 0.1V na PT 100 pri 0 ℃. Ovaj signalni napon sada mora biti prosleđen kroz spojivu kablu do tačke indikacije ili procene sa minimalnim izmenama. Postoje četiri različita tipa spojnih krugova:

krug sa dva žica

Koristi se kabel sa dva žica za povezivanje termostata sa elektronikom za procenu. Kao i bilo koji drugi električni vodilac, kabel ima otpor u seriji sa termostatom. Kao posledica, ovi dva otpora se sabiraju i elektronika to tumači kao porast temperature. Za duže rastojanje, otpor linije može dostići nekoliko omova i proizvesti značajnu pomalu u merenoj vrednosti.

krug sa tri žice

Da bi se svede na minimum uticaj otpora linije i njegove fluktuacije uz temperaturu, obično se koristi trižični krug. Uključuje povezivanje dodatnih žica na jedan od kontakata RTD-a. To dovodi do dva merila kruga, od kojih je jedan namenjen kao referenca. Trižični krug može kompensirati otpor linije u pogledu njegovog iznosa i promena temperature. Međutim, sva tri vodionica moraju da imaju iste karakteristike i da su izložene istoj temperaturi. Ovo se obično primenjuje u dovoljnoj meri da bi trižični krug postao najšire komercijalno korišćeni metod danas. Ne zahteva ravnotežu linije.

krug sa četiri žice

Najbolji način povezivanja otpornog termodimeta je četvorovodni krug. Merenje ne zavisi ni od otpora linije, ni od promena temperature izazvanih promenama. Ne zahteva se ravnoteža linije. Termodimet pruža mereni tok preko snabdevačke veze. Spad napona na merljivoj liniji uzima se preko merljive linije. Ako je ulazna otpornost elektronskog uređaja mnogo veća od otpora linije, poslednja može biti zanemarena. Određeni spad napona je nezavisan od karakteristika povezne žice. Ova tehnika se obično koristi samo za naučne instrumente koji zahtevaju tačnost merenja od jedna stotina.

2-vodni prenosnik

Korišćenjem 2-žičnog prenosnika umesto višežičnog kabela, problem 2-žične šeme, kao što je opisano iznad, može se izbeći. Prenosnik pretvara signal senzora u normalizovani strujni signal od 4-20mA, koji je proporcionalan temperaturi. Snaga za prenosnik takođe funkcioniše kroz iste dve veze, koristeći osnovnu struju od 4 mA. 2-žični prenosnik nudi dodatnu prednost, a to je da pojačanje signala znatno smanjuje uticaj spoljnog zaklapanja. Postoje dva rasporeda za postavljanje prenosnika. Budući da rastojanje između neusavršeno pojačanih signala treba da bude što kraće, pojačivač može biti direktno montiran na termometar u njegovom terminalnom glavi. Ovo najbolje rešenje ponekad nije moguće zbog konstruktivnih razloga ili razmatranja da će prenosnik biti težak za dostizanje u slučaju greške. U ovom slučaju, prenosnik za montiranje na rail instalira se u kontrolnom škini. Prednost poboljšanog pristupa je da se kupuje ceno dužeg rastojanja koje neusavršeno pojačani signal mora da pređe.

Povezivanje termitora

Opornost termitora je obično za nekoliko redova veličine veća od opornosti bilo koje vodionice. Zbog toga, uticaj opornosti vodionice na čitanja temperature je zanemarljiv, dok su termitori skoro uvijek povezani u 2-vodičnoj konfiguraciji.

Povezivanje termopara

U suprotnost sa RTD-ovima i termitorima, termopari imaju pozitivne i negativne noge, pa se mora obratiti pažnju na polaritet. Oni mogu biti direktno povezani na lokalni 2-vodični prenosilac, a bakarne vodice mogu vratiti do primajućeg instrumenta. Ako primajući instrument može prihvatiti direktni ulaz termopara, ista vodica termopara ili vodica za produženje termopara mora se koristiti sve do primajućeg instrumenta.