Skillnaden mellan termoelement, termistor och RTD

               

Begreppet temperatur

Ur fysisk synvinkel är värme ett mått på den energi som finns i kroppen på grund av den oregelbundna rörelsen av dess molekyler eller atomer. Precis som tennisbollar har mer energi med ökande hastighet, ökar den inre energin i kroppen eller gasen när temperaturen ökar. Temperatur är en variabel som, tillsammans med andra parametrar som massa och specifik värme, beskriver kroppens energiinnehåll.

Det grundläggande måttet på temperatur är Kelvin-grad. Vid 0 ° K (Elvin) är varje molekyl i kroppen i vila och det finns ingen mer värme. Därför finns det ingen möjlighet till negativ temperatur eftersom det inte finns något tillstånd av lägre energi.

Vid daglig användning är det vanligt att använda Celsius (tidigare Celsius). Dess nollpunkt är vid vattnets fryspunkt, som lätt kan reproduceras i praktiken. Nu är 0 ° C inte på något sätt den lägsta temperaturen, eftersom alla vet av erfarenhet. Genom att utvidga Celsiusskalan till den lägsta temperaturen där all molekylär rörelse stannar når vi – 273,15 grader.

Människan har förmågan att mäta temperatur genom sina sinnen inom ett begränsat område. Han kunde dock inte återge kvantitativa mätningar på ett korrekt sätt. Den första formen av kvantitativ temperaturmätning utvecklades i Florens i början av 1600-talet och förlitade sig på alkoholens expansion. Skalningen baseras på de högsta temperaturerna på sommaren och vintern. Hundra år senare ersatte den svenske astronomen Celsius det med vattnets smält- och kokpunkter. Detta ger termometern möjlighet att zooma in och ut när som helst och återge avläsningarna senare.

Elektrisk mätning av temperatur

Temperaturmätning är viktigt i många tillämpningar, t.ex. byggnadskontroll, livsmedelsbearbetning och tillverkning av stål och petrokemiska produkter. Dessa mycket olika tillämpningar kräver temperatursensorer med olika fysiska strukturer och vanligtvis olika tekniker

I industriella och kommersiella tillämpningar är mätpunkter vanligtvis långt borta från indikations- eller kontrollpunkter. Ytterligare bearbetning av mätningar krävs vanligtvis i styrenheter, inspelare eller datorer. Dessa applikationer är inte lämpliga för direkt indikering av termometrar eftersom vi känner till dem från daglig användning, men behöver omvandla temperaturen till en annan form av enhet, den elektriska signalen. För att tillhandahålla denna elektriska fjärrsignal används vanligtvis RTD. Termistorer och termoelement.

RTD antar egenskapen att metallmotstånd förändras med temperaturen. De är sensorer med positiv temperaturkoefficient (PTC) vars resistans ökar med temperaturen. De viktigaste metallerna som används är platina och nickel. De mest använda sensorerna är 100 ohm eller 1000 ohm RTDS- eller platinaresistanstermometrar.

RTD är den mest exakta sensorn för industriella applikationer och ger också den bästa långsiktiga stabiliteten. Det representativa värdet för platinaresistansnoggrannhet är + 0,5 % av den uppmätta temperaturen. Efter ett år kan det finnas + 0,05 ° C förändring genom åldrande. Platinaresistanstermometrar har ett temperaturområde på – 200 till 800 ° C. 

Förändring av motstånd med temperatur

Ledningsförmågan hos en metall beror på rörligheten hos de ledande elektronerna. Om en spänning appliceras på änden av tråden rör sig elektronerna till den positiva polen. Defekter i gittret stör denna rörelse. De inkluderar yttre eller saknade gitteratomer, atomer vid korngränser och mellan gitterpositioner. Eftersom dessa förkastningsplatser är temperaturoberoende producerar de ett konstant motstånd. Med ökningen av temperaturen uppvisar atomerna i metallgittret ökade svängningar nära sina stationära positioner, vilket hindrar de ledande elektronernas rörelse. Eftersom svängningen ökar linjärt med temperaturen, beror resistansökningen som orsakas av svängningen direkt på temperaturen.

Platina har blivit allmänt accepterat inom industriella mätningar. Dess fördelar inkluderar kemisk stabilitet, relativt enkel tillverkning (särskilt för trådtillverkning), möjligheten att erhålla den i form med hög renhet och reproducerbara elektriska egenskaper. Dessa egenskaper gör platinaresistanssensorn till den mest utbytbara temperatursensorn.

Termistorer är gjorda av vissa metalloxider och deras motstånd minskar med ökande temperatur. Eftersom resistanskarakteristiken minskar med temperaturökningen kallas den negativ temperaturkoefficient (NTC) sensor.

På grund av den grundläggande processens karaktär ökar antalet ledande elektroner exponentiellt med temperaturen; Därför visar egenskapen en stark ökning. Denna uppenbara olinjäritet är en nackdel med NTC-motstånd och begränsar dess effektiva temperaturområde till cirka 100 ° C. De kan naturligtvis linjäriseras av automatiserade datorer. Noggrannheten och linjäriteten kan dock inte uppfylla kraven för stort mätområde. Deras drift vid växlande temperaturer är också större än vid RTD. Deras användning är begränsad till övervakning och indikering av applikationer där temperaturen inte överstiger 200 ° C. I denna enkla applikation är de faktiskt överlägsna de dyrare termoelementen och RTD:erna, med tanke på deras låga kostnad och de relativt enkla elektroniska kretsar som krävs.

Grunden för termoelement är anslutningen mellan två olika metaller, termistor. Spänningen som genereras av termoelement och RTD ökar med temperaturen. Jämfört med resistanstermometrar har de en högre övre temperaturgräns, med en betydande fördel på flera tusen grader Celsius. Deras långsiktiga stabilitet är något dålig (flera grader efter ett år) och mätnoggrannheten är något dålig (genomsnitt + 0,75 % av mätområdet). De används ofta i ugnar, ugnar, rökgasmätning och andra områden där temperaturen är högre än 250 ° C.

Termoelektrisk effekt

När två metaller är sammankopplade produceras termoelektrisk spänning på grund av den olika bindningsenergin hos elektroner och metalljoner. Spänningen beror på själva metallen och temperaturen. För att denna termiska spänning ska generera ström måste de två metallerna naturligtvis kopplas samman i den andra änden för att bilda en sluten krets. På så sätt genereras en termisk spänning vid den andra korsningen. Den termoelektriska effekten upptäcktes av Seebeck 1822. Så tidigt som 1828 föreslog Becquerel användningen av plapalladiumtermoelement för temperaturmätning.

Om det är samma temperatur vid båda korsningarna finns det inget strömflöde eftersom partialtrycken som genereras vid de två punkterna tar ut varandra. När temperaturen vid korsningen är annorlunda är spänningen som genereras annorlunda och strömmen flyter. Därför kan termoelement endast mäta temperaturskillnader.

Mätpunkten är en övergång som utsätts för den uppmätta temperaturen. Referensövergången är en övergång vid en känd temperatur. Eftersom den kända temperaturen vanligtvis är lägre än den uppmätta temperaturen, brukar referensövergången kallas för en kall övergång. För att beräkna den faktiska temperaturen för mätpunkten måste den kalla ändtemperaturen vara känd.

Äldre instrument använder kopplingsdosor för termostatstyrning för att styra den kalla övergångstemperaturen vid kända värden som 50c. Moderna instrument använder tunnfilms-RTD i den kalla änden för att bestämma dess temperatur och beräkna temperaturen på mätpunkten.

Spänningen som produceras av den termoelektriska effekten är mycket liten och är bara några mikrovolt per grad Celsius. Därför används termoelement normalt inte i intervallet – 30 till + 50 ° C, eftersom skillnaden mellan referensövergångstemperaturen och referensövergångstemperaturen är för liten för att producera en störningsfri signal.

RTD-ledningar

I en resistanstermometer varierar resistansen med temperaturen. För att utvärdera utsignalen passerar en konstant ström genom den och spänningsfallet över den mäts. För detta spänningsfall följs Ohms lag, v = IR.

Mätströmmen bör vara så liten som möjligt för att undvika sensoruppvärmning. Det kan anses att mätströmmen för 1mA inte kommer att införa något uppenbart fel. Strömmen ger ett spänningsfall på 0,1 V i PT 100 vid 0 °C. Denna signalspänning måste nu överföras genom anslutningskabeln till indikeringspunkten eller utvärderingspunkten med minimal ändring. Det finns fyra olika typer av anslutningskretsar:

2-tråds krets

En 2-ledarkabel används för anslutningen mellan termometern och utvärderingselektroniken. Precis som alla andra elektriska ledare har kabeln ett motstånd i serie med en resistanstermometer. Som ett resultat adderas de två motstånden och elektroniken tolkar det som en temperaturökning. För längre sträckor kan ledningsresistansen nå flera ohm och ge en betydande förskjutning av det uppmätta värdet. 

3-tråds krets

För att minimera påverkan av linjeresistans och dess fluktuationer med temperaturen används vanligtvis en tretrådskrets. Det inkluderar att dra ytterligare kablar på en av kontakterna på RTD:n. Detta resulterar i två mätkretsar, varav den ena används som referens. 3-trådskretsen kan kompensera linjeresistansen när det gäller dess antal och temperaturvariation. Alla tre ledarna måste dock ha samma egenskaper och utsättas för samma temperatur. Detta tillämpas vanligtvis i tillräcklig utsträckning för att göra 3-trådskretsar till den mest använda metoden idag. Ingen linjebalansering krävs. 

4-tråds krets

Den bästa anslutningsformen av motståndstermometer är 4-trådskrets. Mätningen beror varken på ledningsresistans eller på temperaturinducerade förändringar. Ingen linjebalansering krävs. Termometern ger mätström via en strömanslutning. Spänningsfallet på mätledningen fångas upp av mätlinjen. Om ingångsresistansen för en elektronisk enhet är många gånger större än linjeresistansen kan den senare ignoreras. Spänningsfallet som bestäms på detta sätt är oberoende av anslutningskabelns egenskaper. Denna teknik används vanligtvis endast för vetenskapliga instrument som kräver en mätnoggrannhet på en hundradel.

2-tråds sändare

Genom att använda en 2-tråds sändare istället för en flertrådskabel kan problemet med en 2-trådskrets som beskrivs ovan undvikas. Transmittern omvandlar sensorsignalen till en normaliserad strömsignal på 4-20mA, som är proportionell mot temperaturen. Strömförsörjningen till sändaren fungerar också genom samma två anslutningar, med en grundström på 4 mA. 2-trådssändaren ger en ytterligare fördel, det vill säga signalförstärkning minskar kraftigt effekten av yttre störningar. Det finns två arrangemang för att placera sändaren. Eftersom avståndet mellan icke amplifierade signaler bör vara så kort som möjligt, amplifier kan installeras direkt på termometern i dess kopplingshuvud. Denna bästa lösning är ibland inte möjlig på grund av strukturella skäl eller överväganden om att sändaren kan vara svår att nå i händelse av ett fel. I detta fall installeras den skenmonterade sändaren i kopplingsskåpet. Fördelen med förbättrad tillgänglighet är att den köps på bekostnad av en längre sträcka som den icke förstärkta signalen måste färdas.

Kabeldragning för termistor

Resistansen hos en termistor är vanligtvis flera storleksordningar större än den hos någon ledningstråd. Därför är effekten av ledningsresistans på temperaturavläsningar försumbar, medan termistorer nästan alltid är anslutna i en 2-trådskonfiguration.

Kabeldragning för termoelement

Till skillnad från RTDS och termistorer har termoelement positiva och negativa ben, så polariteten måste observeras. De kan anslutas direkt till den lokala 2-trådssändaren och koppartråden kan returneras till det mottagande instrumentet. Om det mottagande instrumentet kan ta emot termoelementingång direkt, måste samma termoelementtråd eller termoelementförlängningskabel användas hela vägen tillbaka till det mottagande instrumentet.