ENKoncept temperature
Sa fizičke tačke gledišta, toplota je mera energije sadržane u telu zbog nepravilnog kretanja njegovih molekula ili atoma. Baš kao što teniske loptice imaju više energije sa povećanjem brzine, unutrašnja energija tela ili gasa se povećava kako se temperatura povećava. Temperatura je varijabla koja, zajedno sa drugim parametrima kao što su masa i specifična toplota, opisuje energetski sadržaj tela.
Osnovna mera temperature je Kelvin stepen. Na 0 ° K (Elvin), svaki molekul u telu miruje i nema više toplote. Prema tome, ne postoji mogućnost negativne temperature jer ne postoji stanje niže energije.
U svakodnevnoj upotrebi, uobičajena praksa je da se koristi Celzijus (ranije Celzijus). Njegova nulta tačka je na tački smrzavanja vode, koja se lako može reprodukovati u praksi. Sada 0 ° C nikako nije najniža temperatura, jer svi znaju iz iskustva. Proširenjem skale Celzijusa na najnižu temperaturu na kojoj se zaustavlja sva molekularna kretanja, dostižemo – 273.15 stepeni.
Čovek ima sposobnost da meri temperaturu kroz svoja čula u ograničenom opsegu. Međutim, on nije bio u stanju da precizno reprodukuje kvantitativna merenja. Prvi oblik kvantitativnog merenja temperature razvijen je u Firenci početkom 17. veka i oslanjao se na širenje alkohola. Skaliranje se zasniva na najvišim temperaturama ljeti i zimi. Stotinu godina kasnije, švedski astronom Celzijusa zamenio ga je tačkama topljenja i ključanja vode. Ovo daje termometru mogućnost da u bilo kom trenutku uvećava i smanji i kasnije reprodukuje očitavanja.
Električna merna temperatura
Merenje temperature je važno u mnogim aplikacijama, kao što su kontrola zgrada, prerada hrane i proizvodnja čelika i petrohemijskih proizvoda. Ove veoma različite aplikacije zahtevaju temperaturne senzore sa različitim fizičkim strukturama i obično različitim tehnologijama
U industrijskim i komercijalnim aplikacijama, merne tačke su obično daleko od indikacije ili kontrolnih tačaka. Dalja obrada merenja je obično potrebna u kontrolerima, snimačima ili računarima. Ove aplikacije nisu pogodne za direktnu indikaciju termometara, jer ih znamo iz svakodnevne upotrebe, ali treba pretvoriti temperaturu u drugi oblik uređaja, električni signal. Da bi se obezbedio ovaj daljinski električni signal, obično se koristi RTD. Termistori i termoparovi.
RTD usvaja karakteristiku metala otpora menja sa temperaturom. Oni su pozitivni temperaturni koeficijent (PTC) senzori čiji otpor raste sa temperaturom. Glavni metali koji se koriste su platina i nikl. Najčešće korišćeni senzori su 100 oma ili 1000 oma RTDS ili platinasti otporni termometri.
RTD je najprecizniji senzor za industrijske primene i takođe obezbeđuje najbolju dugoročnu stabilnost. Reprezentativna vrednost tačnosti otpora platine je + 0,5% izmerene temperature. Nakon godinu dana, može doći do promene od + 0,05 ° C kroz starenje. Platinasti otporni termometri imaju temperaturni opseg od – 200 do 800 ° C.
Promena otpora sa temperaturom
Provodljivost metala zavisi od pokretljivosti provodnih elektrona. Ako se napon primenjuje na kraju žice, elektroni se kreću na pozitivni pol. Defekti u rešetki ometaju ovo kretanje. Oni uključuju spoljne ili nedostajuće atome rešetke, atome na granicama zrna i između rešetkastih pozicija. Pošto su ove lokacije grešaka nezavisne od temperature, one proizvode konstantan otpor. Sa povećanjem temperature, atomi u metalnoj rešetki pokazuju povećane oscilacije u blizini svojih stacionarnih položaja, čime se ometa kretanje provodnih elektrona. Pošto se oscilacija povećava linearno sa temperaturom, povećanje otpora izazvano oscilacijom direktno zavisi od temperature.
Platina je široko prihvaćena u industrijskom merenju. Njegove prednosti uključuju hemijsku stabilnost, relativno lako izradu (posebno za proizvodnju žice), mogućnost dobijanja u obliku visoke čistoće i ponovljive električne osobine. Ove karakteristike čine senzor otpora platine najrasprostranjeniji senzor temperature.
Termistori su napravljeni od nekih metalnih oksida i njihov otpor opada sa povećanjem temperature. Jer karakteristika otpora opada sa povećanjem temperature, to se zove negativni temperaturni koeficijent (NTC) senzor.
Zbog prirode osnovnog procesa, broj provodnih elektrona se eksponencijalno povećava sa temperaturom; stoga, karakteristika pokazuje snažan porast. Ova očigledna nelinearnost je nedostatak NTC otpornika i ograničava njegov efektivni temperaturni opseg na oko 100 ° C. Oni mogu, naravno, biti linearizovani automatizovanim računarima. Međutim, tačnost i linearnost ne može da zadovolji zahteve velikog mernog raspona. Njihov drift na naizmeničnim temperaturama je takođe veći od RTD-a. Njihova upotreba je ograničena na praćenje i ukazivanje na aplikacije u kojima temperatura ne prelazi 200 ° C. U ovoj jednostavnoj aplikaciji, oni su zapravo superiorniji od skupljih termoparova i RTD-a, s obzirom na njihovu nisku cenu i relativno jednostavna elektronska kola potrebna.
Osnova termoelementa je veza između dva različita metala, termistora. Napon generisan termoelementom i RTD povećava sa temperaturom. U poređenju sa otpornim termometrima, oni imaju višu gornju temperaturnu granicu, sa značajnom prednošću od nekoliko hiljada stepeni Celzijusa. Njihova dugoročna stabilnost je malo loša (nekoliko stepeni nakon godinu dana), a tačnost merenja je nešto loša (prosek + 0,75% opsega merenja). Često se koriste u pećima, pećima, merenju dimnih gasova i drugim oblastima gde su temperature veće od 250 ° C.
Termoelektrični efekat
Kada su dva metala povezana zajedno, termoelektrični napon se proizvodi zbog različite energije vezivanja elektrona i metalnih jona. Napon zavisi od samog metala i temperature. Da bi ovaj toplotni napon generisao struju, dva metala moraju, naravno, biti povezani zajedno na drugom kraju da formiraju zatvoreni krug. Na ovaj način, toplotni napon se generiše na drugom raskrsnici. Termoelektrični efekat je otkrio Seebeck 1822. godine. Već 1828. godine, Bekerel je predložio upotrebu termoelementa platine paladijuma za merenje temperature.
Ako postoji ista temperatura na oba raskrsnice, nema protoka struje, jer su parcijalni pritisci generisani na dve tačke poništavaju jedni druge. Kada je temperatura na raskrsnici drugačija, napon generisan je različit i struja teče. Stoga, termoelement može meriti samo temperaturnu razliku.
Merna tačka je spoj izložen izmerenoj temperaturi. Referentni spoj je raskrsnica na poznatoj temperaturi. Pošto je poznata temperatura obično niža od izmerene temperature, referentni spoj se obično naziva hladni spoj. Da bi se izračunala stvarna temperatura merne tačke, temperatura hladnog kraja mora biti poznata.
Stariji instrumenti koriste termostatske kontrolne razvodne kutije za kontrolu temperature hladnog spoja na poznatim vrednostima kao što su 50 C. Savremeni instrumenti koriste tankoslojni RTD na hladnom kraju kako bi odredili njegovu temperaturu i izračunali temperaturu merne tačke.
Napon proizveden termoelektričnim efektom je veoma mali i iznosi samo nekoliko mikrovolta po stepenu Celzijusa. Zbog toga se termoelementi obično ne koriste u opsegu od – 30 do + 50 ° C, jer je razlika između temperature referentnog spoja i temperature referentnog spoja premala da bi proizvela signal bez smetnji.
RTD ožičenje
U termometru otpora, otpor varira u zavisnosti od temperature. Da bi se procenio izlazni signal, kroz njega prolazi konstantna struja i meri se pad napona preko njega. Za ovaj pad napona, Ohmov zakon se poštuje, v = IR.
Struja merenja treba da bude što manja kako bi se izbeglo zagrevanje senzora. Može se smatrati da struja merenja od 1mA neće uvesti nikakvu očiglednu grešku. Struja proizvodi pad napona od 0,1V u PT 100 na 0 °C. Ovaj napon signala sada mora da se prenosi preko priključnog kabla do indikacijske tačke ili tačke evaluacije sa minimalnom modifikacijom. Postoje četiri različita tipa priključnih kola:
2-žičano kolo
Za povezivanje termometra i elektronike za evaluaciju koristi se 2-jezgreni kabl. Kao i svaki drugi električni provodnik, kabl ima otpor u seriji sa termometrom otpora. Kao rezultat toga, dva otpornika se dodaju zajedno i elektronika ga tumači kao porast temperature. Za veće udaljenosti, otpor linije može da dostigne nekoliko oma i proizvede značajan ofset u izmerenoj vrednosti.
3-žični krug
Da bi se smanjio uticaj otpora linije i njegove fluktuacije sa temperaturom, obično se koristi tri žice kolo. To uključuje pokretanje dodatnih žica na jednom od kontakata RTD-a. To rezultira u dva merna kola, od kojih se jedan koristi kao referenca. 3-žični krug može nadoknaditi otpor linije u smislu njegovog broja i temperaturnih varijacija. Međutim, sva tri provodnika moraju imati iste karakteristike i da budu izloženi istoj temperaturi. Ovo se obično primenjuje u dovoljnoj meri da 3-vire kola najrasprostranjeniji metod danas. Nije potrebno balansiranje linija.
4-žični krug
Najbolji oblik veze otpora termometra je 4-žični krug. Merenje ne zavisi ni od otpora linije ni od promena izazvanih temperaturom. Nije potrebno balansiranje linija. Termometar obezbeđuje mernu struju preko priključka za napajanje. Pad napona na mernoj liniji pokupi merna linija. Ako je ulazni otpor elektronskog uređaja mnogo puta veći od otpora linije, ovaj drugi se može ignorisati. Pad napona određen na ovaj način je nezavisan od karakteristika priključne žice. Ova tehnika se obično koristi samo za naučne instrumente koji zahtevaju tačnost merenja od stoti.
KSNUMKS-vire predajnik
Korišćenjem KSNUMKS-žičnog predajnika umesto višežičanog kabla, može se izbeći problem KSNUMKS-žičnog kola kao što je gore opisano. Odašiljač pretvara signal senzora u normalizovani trenutni signal od 4-20mA, što je proporcionalno temperaturi. Napajanje predajnika takođe radi preko iste dve veze, koristeći osnovnu struju od KSNUMKS mA. KSNUMKS-žični predajnik pruža dodatnu prednost, odnosno pojačanje signala u velikoj meri smanjuje uticaj spoljnih smetnji. Postoje dva aranžmana za pozicioniranje predajnika. Pošto rastojanje između nepojačanih signala treba da bude što je moguće kraće, pojačalo se može direktno instalirati na termometar u glavi terminala. Ovo najbolje rešenje ponekad nije moguće zbog strukturnih razloga ili razmatranja da predajnik može biti teško doći u slučaju kvara. U ovom slučaju, predajnik montiran na šinama je instaliran u kontrolnom ormaru. Prednost poboljšanog pristupa je u tome što se kupuje po cenu dužeg rastojanja koje ne pojačani signal mora putovati.
Termistor ožičenje
Otpor termistora je obično nekoliko redova veličine veći nego kod bilo koje olovne žice. Zbog toga je efekat otpora olova na očitavanja temperature zanemarljiv, dok su termistori skoro uvek povezani u konfiguraciji sa 2 žice.
Termoelement ožičenje
Za razliku od RTDS-a i termistora, termoparovi imaju pozitivne i negativne noge, tako da se polaritet mora poštovati. Oni se mogu direktno povezati sa lokalnim KSNUMKS-žice predajnik i bakarna žica može da se vrati na prijemni instrument. Ako prijemni instrument može direktno da prihvati ulaz termoelementa, ista žica termoelementa ili produžna žica termoelementa mora se koristiti sve do instrumenta koji prima.
Vruće vesti