ความแตกต่างระหว่างเทอร์โมคัปเปิลเทอร์มิสเตอร์และ RTD

               

แนวคิดของอุณหภูมิ

จากมุมมองทางกายภาพความร้อนเป็นการวัดพลังงานที่มีอยู่ในร่างกายเนื่องจากการเคลื่อนที่ที่ผิดปกติของโมเลกุลหรืออะตอม เช่นเดียวกับลูกเทนนิสที่มีพลังงานมากขึ้นด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นพลังงานภายในของร่างกายหรือก๊าซจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อุณหภูมิเป็นตัวแปรที่พร้อมกับพารามิเตอร์อื่น ๆ เช่นมวลและความร้อนจําเพาะอธิบายปริมาณพลังงานของร่างกาย

การวัดอุณหภูมิพื้นฐานคือองศาเคลวิน ที่ 0 ° K (Elvin) ทุกโมเลกุลในร่างกายจะหยุดนิ่งและไม่มีความร้อนอีกต่อไป ดังนั้นจึงไม่มีความเป็นไปได้ที่จะเกิดอุณหภูมิติดลบเนื่องจากไม่มีสถานะพลังงานต่ํากว่า

ในการใช้งานประจําวัน การปฏิบัติตามปกติคือการใช้เซนติเกรด (เดิมคือเซนติเกรด) จุดศูนย์อยู่ที่จุดเยือกแข็งของน้ําซึ่งสามารถทําซ้ําได้ง่ายในทางปฏิบัติ ตอนนี้ 0 ° C ไม่ใช่อุณหภูมิต่ําสุดเพราะทุกคนรู้จากประสบการณ์ ด้วยการขยายมาตราส่วนเซนติเกรดไปยังอุณหภูมิต่ําสุดที่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลทั้งหมดหยุดลง เราจะไปถึง – 273.15 องศา

มนุษย์มีความสามารถในการวัดอุณหภูมิผ่านประสาทสัมผัสของเขาในช่วงที่จํากัด อย่างไรก็ตามเขาไม่สามารถทําซ้ําการวัดเชิงปริมาณได้อย่างแม่นยํา รูปแบบแรกของการวัดอุณหภูมิเชิงปริมาณได้รับการพัฒนาในฟลอเรนซ์ในช่วงต้นศตวรรษที่ 17 และอาศัยการขยายตัวของแอลกอฮอล์ การปรับขนาดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสูงสุดในฤดูร้อนและฤดูหนาว หนึ่งร้อยปีต่อมา Celsius นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดนแทนที่ด้วยจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของน้ํา สิ่งนี้ทําให้เทอร์โมมิเตอร์มีโอกาสซูมเข้าและออกได้ตลอดเวลาและสร้างการอ่านในภายหลัง

อุณหภูมิการวัดทางไฟฟ้า

การวัดอุณหภูมิมีความสําคัญในการใช้งานหลายอย่าง เช่น การควบคุมอาคาร การแปรรูปอาหาร และการผลิตผลิตภัณฑ์เหล็กและปิโตรเคมี การใช้งานที่แตกต่างกันมากเหล่านี้ต้องการเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่มีโครงสร้างทางกายภาพต่างกันและมักจะมีเทคโนโลยีที่แตกต่างกัน

ในการใช้งานในอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ จุดวัดมักจะอยู่ห่างจากจุดบ่งชี้หรือจุดควบคุม โดยปกติแล้วจําเป็นต้องมีการประมวลผลการวัดเพิ่มเติมในคอนโทรลเลอร์เครื่องบันทึกหรือคอมพิวเตอร์ แอปพลิเคชั่นเหล่านี้ไม่เหมาะสําหรับการบ่งชี้เทอร์โมมิเตอร์โดยตรงเนื่องจากเรารู้จักจากการใช้งานในชีวิตประจําวัน แต่จําเป็นต้องแปลงอุณหภูมิเป็นอุปกรณ์รูปแบบอื่นนั่นคือสัญญาณไฟฟ้า ในการให้สัญญาณไฟฟ้าระยะไกลนี้ มักจะใช้ RTD เทอร์มิสเตอร์และเทอร์โมคัปเปิล

RTD ใช้ลักษณะของความต้านทานโลหะที่เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ เป็นเซ็นเซอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC) ที่มีความต้านทานเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ โลหะหลักที่ใช้คือแพลตตินั่มและนิกเกิล เซ็นเซอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือ RTDS 100 โอห์มหรือ 1000 โอห์มหรือเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานแพลตตินั่ม

RTD เป็นเซ็นเซอร์ที่แม่นยําที่สุดสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม และยังให้ความเสถียรในระยะยาวที่ดีที่สุด ค่าตัวแทนของความแม่นยําในการต้านทานแพลตตินั่มคือ + 0.5% ของอุณหภูมิที่วัดได้ หลังจากผ่านไปหนึ่งปีอาจมีการเปลี่ยนแปลง + 0.05 ° C ตามอายุ เทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานแพลตตินั่มมีช่วงอุณหภูมิ – 200 ถึง 800 ° C 

การเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามอุณหภูมิ

การนําไฟฟ้าของโลหะขึ้นอยู่กับความคล่องตัวของอิเล็กตรอนที่นําไฟฟ้า หากใช้แรงดันไฟฟ้าที่ปลายลวดอิเล็กตรอนจะเคลื่อนไปยังขั้วบวก ข้อบกพร่องในตาข่ายรบกวนการเคลื่อนไหวนี้ พวกเขารวมถึงอะตอมตาข่ายภายนอกหรือที่ขาดหายไปอะตอมที่ขอบเขตเกรนและระหว่างตําแหน่งตาข่าย เนื่องจากตําแหน่งความผิดพลาดเหล่านี้ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ จึงทําให้เกิดความต้านทานคงที่ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอะตอมในตาข่ายโลหะจะแสดงการสั่นที่เพิ่มขึ้นใกล้กับตําแหน่งนิ่งจึงขัดขวางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนําไฟฟ้า เนื่องจากการสั่นเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามอุณหภูมิความต้านทานที่เพิ่มขึ้นที่เกิดจากการสั่นจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยตรง

แพลตตินั่มได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในการวัดทางอุตสาหกรรม ข้อดีของมัน ได้แก่ ความเสถียรทางเคมีการผลิตที่ค่อนข้างง่าย (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับการผลิตลวด) ความเป็นไปได้ที่จะได้รับในรูปแบบที่มีความบริสุทธิ์สูงและคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ทําซ้ําได้ ลักษณะเหล่านี้ทําให้เซ็นเซอร์ความต้านทานแพลตตินั่มเป็นเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่เปลี่ยนได้มากที่สุด

เทอร์มิสเตอร์ทําจากโลหะออกไซด์บางชนิดและความต้านทานจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากลักษณะความต้านทานลดลงตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจึงเรียกว่าเซ็นเซอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ (NTC)

เนื่องจากลักษณะของกระบวนการพื้นฐานจํานวนอิเล็กตรอนนําไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณตามอุณหภูมิ ดังนั้นลักษณะจึงแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นอย่างมาก ความไม่เชิงเส้นที่ชัดเจนนี้เป็นข้อเสียของตัวต้านทาน NTC และจํากัดช่วงอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพไว้ที่ประมาณ 100 ° C แน่นอนว่าพวกเขาสามารถปรับให้เป็นเส้นตรงได้ด้วยคอมพิวเตอร์อัตโนมัติ อย่างไรก็ตามความแม่นยําและความเป็นเส้นตรงไม่สามารถตอบสนองความต้องการของช่วงการวัดขนาดใหญ่ได้ การลอยตัวของพวกมันที่อุณหภูมิสลับกันนั้นใหญ่กว่า RTD เช่นกัน การใช้งาน จํากัด เฉพาะการตรวจสอบและระบุการใช้งานที่อุณหภูมิไม่เกิน 200 ° C ในการใช้งานที่เรียบง่ายนี้พวกเขาเหนือกว่าเทอร์โมคัปเปิลและ RTD ที่มีราคาแพงกว่าโดยพิจารณาจากต้นทุนต่ําและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ค่อนข้างง่ายที่จําเป็น

พื้นฐานของเทอร์โมคัปเปิลคือการเชื่อมต่อระหว่างโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันเทอร์มิสเตอร์ แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากเทอร์โมคัปเปิลและ RTD จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ เมื่อเทียบกับเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานมีขีด จํากัด อุณหภูมิบนที่สูงกว่าโดยมีข้อได้เปรียบที่สําคัญหลายพันองศาเซลเซียส ความเสถียรในระยะยาวจะแย่เล็กน้อย (หลายองศาหลังจากผ่านไปหนึ่งปี) และความแม่นยําในการวัดจะแย่เล็กน้อย (เฉลี่ย + 0.75% ของช่วงการวัด) มักใช้ในเตาอบเตาเผาการวัดก๊าซไอเสียและพื้นที่อื่น ๆ ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 250 ° C

เอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริก

เมื่อโลหะสองชนิดเชื่อมต่อเข้าด้วยกันแรงดันไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจะถูกสร้างขึ้นเนื่องจากพลังงานจับที่แตกต่างกันของอิเล็กตรอนและไอออนของโลหะ แรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับตัวโลหะและอุณหภูมิ เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าความร้อนนี้สร้างกระแสแน่นอนว่าโลหะทั้งสองจะต้องเชื่อมต่อเข้าด้วยกันที่ปลายอีกด้านหนึ่งเพื่อสร้างวงจรปิด ด้วยวิธีนี้แรงดันไฟฟ้าความร้อนจะถูกสร้างขึ้นที่ทางแยกที่สอง เอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริกถูกค้นพบโดย Seebeck ในปี พ.ศ. 1822 ในช่วงต้นปี พ.ศ. 1828 Becquerel แนะนําให้ใช้เทอร์โมคัปเปิลแพลเลเดียมแพลเลเดียมสําหรับการวัดอุณหภูมิ

หากมีอุณหภูมิเท่ากันที่ทางแยกทั้งสอง จะไม่มีการไหลของกระแสไฟฟ้า เนื่องจากความดันบางส่วนที่สร้างขึ้นที่จุดทั้งสองจะยกเลิกซึ่งกันและกัน เมื่ออุณหภูมิที่ทางแยกต่างกันแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจะแตกต่างกันและกระแสจะไหล ดังนั้นเทอร์โมคัปเปิลจึงสามารถวัดความแตกต่างของอุณหภูมิได้เท่านั้น

จุดวัดคือทางแยกที่สัมผัสกับอุณหภูมิที่วัดได้ ทางแยกอ้างอิงคือทางแยกที่อุณหภูมิที่ทราบ เนื่องจากอุณหภูมิที่ทราบมักจะต่ํากว่าอุณหภูมิที่วัดได้จึงควรเรียกว่าทางแยกเย็น ในการคํานวณอุณหภูมิจริงของจุดวัดต้องทราบอุณหภูมิปลายเย็น

เครื่องมือรุ่นเก่าใช้กล่องรวมสัญญาณควบคุมอุณหภูมิเพื่อควบคุมอุณหภูมิทางแยกเย็นที่ค่าที่ทราบ เช่น 50c เครื่องมือสมัยใหม่ใช้ RTD แบบฟิล์มบางที่ปลายเย็นเพื่อกําหนดอุณหภูมิและคํานวณอุณหภูมิของจุดวัด

แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากเอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริกมีขนาดเล็กมากและมีเพียงไม่กี่ไมโครโวลต์ต่อองศาเซนติเกรด ดังนั้นโดยปกติจะไม่ใช้เทอร์โมคัปเปิลในช่วง – 30 ถึง + 50 ° C เนื่องจากความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิทางแยกอ้างอิงและอุณหภูมิทางแยกอ้างอิงนั้นน้อยเกินไปที่จะสร้างสัญญาณที่ไม่รบกวน

สายไฟ RTD

ในเทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิความต้านทานความต้านทานจะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ ในการประเมินสัญญาณเอาต์พุตกระแสคงที่จะไหลผ่านและวัดแรงดันไฟฟ้าตก สําหรับปริมาตรนี้ tag อีดรอปกฎของโอห์มจะถูกปฏิบัติตาม v = IR

กระแสไฟที่วัดควรมีขนาดเล็กที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนของเซ็นเซอร์ ถือได้ว่ากระแสการวัด 1mA จะไม่ทําให้เกิดข้อผิดพลาดที่ชัดเจน กระแสทําให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตก 0.1V ใน PT 100 ที่ 0 °C ตอนนี้ต้องส่งสัญญาณ voltage ผ่านสายเชื่อมต่อไปยังจุดบ่งชี้หรือจุดประเมินโดยมีการปรับเปลี่ยนเพียงเล็กน้อย วงจรเชื่อมต่อมีสี่ประเภทที่แตกต่างกัน:

วงจร 2 สาย

สายเคเบิล 2 คอร์ใช้สําหรับเชื่อมต่อระหว่างเทอร์โมมิเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สําหรับการประเมินผล เช่นเดียวกับตัวนําไฟฟ้าอื่น ๆ สายเคเบิลมีความต้านทานแบบอนุกรมกับเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทาน ด้วยเหตุนี้ตัวต้านทานสองตัวจึงถูกรวมเข้าด้วยกันและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะตีความว่าเป็นอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น สําหรับระยะทางที่ไกลขึ้นความต้านทานของสายสามารถเข้าถึงหลายโอห์มและสร้างการชดเชยอย่างมีนัยสําคัญในค่าที่วัดได้ 

วงจร 3 สาย

เพื่อลดอิทธิพลของความต้านทานของสายและความผันผวนตามอุณหภูมิมักจะใช้วงจรสามสาย รวมถึงการเดินสายไฟเพิ่มเติมบนหน้าสัมผัสตัวใดตัวหนึ่งของ RTD ส่งผลให้มีวงจรการวัดสองวงจร ซึ่งหนึ่งในนั้นใช้เป็นข้อมูลอ้างอิง วงจร 3 สายสามารถชดเชยความต้านทานของสายในแง่ของจํานวนและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ อย่างไรก็ตามตัวนําทั้งสามจะต้องมีลักษณะเหมือนกันและต้องสัมผัสกับอุณหภูมิเดียวกัน โดยปกติแล้วจะใช้ในระดับที่เพียงพอที่จะทําให้วงจร 3 สายเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในปัจจุบัน ไม่จําเป็นต้องปรับสมดุลสาย 

วงจร 4 สาย

รูปแบบการเชื่อมต่อที่ดีที่สุดของเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานคือวงจร 4 สาย การวัดไม่ได้ขึ้นอยู่กับความต้านทานของสายหรือการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากอุณหภูมิ ไม่จําเป็นต้องปรับสมดุลสาย เทอร์โมมิเตอร์ให้กระแสไฟที่วัดผ่านการเชื่อมต่อสายไฟ ปริมาตร tage ลดลงบนสายวัดจะถูกหยิบขึ้นมาโดยสายวัด หากความต้านทานอินพุตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มากกว่าความต้านทานสายหลายเท่าก็สามารถละเว้นได้ แรงดันไฟฟ้าตกที่กําหนดด้วยวิธีนี้ไม่ขึ้นกับลักษณะของสายเชื่อมต่อ เทคนิคนี้มักใช้สําหรับเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ต้องการความแม่นยําในการวัดหนึ่งในร้อยเท่านั้น

เครื่องส่งสัญญาณ 2 สาย

ด้วยการใช้เครื่องส่งสัญญาณ 2 สายแทนสายเคเบิลหลายสายสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาของวงจร 2 สายตามที่อธิบายไว้ข้างต้นได้ เครื่องส่งสัญญาณจะแปลงสัญญาณเซ็นเซอร์เป็นสัญญาณกระแสปกติที่ 4-20mA ซึ่งเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิ แหล่งจ่ายไฟไปยังเครื่องส่งสัญญาณยังทํางานผ่านการเชื่อมต่อสองจุดเดียวกันโดยใช้กระแสพื้นฐาน 4 mA เครื่องส่งสัญญาณแบบ 2 สายให้ข้อได้เปรียบเพิ่มเติม นั่นคือ สัญญาณ amplification ช่วยลดผลกระทบของการรบกวนจากภายนอกได้อย่างมาก มีสองแบบสําหรับการวางตําแหน่งเครื่องส่งสัญญาณ เนื่องจากระยะห่างระหว่างสัญญาณที่ไม่ขยายควรสั้นที่สุดแอมพลิฟายเออร์สามารถติดตั้งได้โดยตรงบนเทอร์โมมิเตอร์ในหัวขั้วต่อ วิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดนี้บางครั้งไม่สามารถทําได้เนื่องจากเหตุผลด้านโครงสร้างหรือข้อควรพิจารณาที่เครื่องส่งสัญญาณอาจเข้าถึงได้ยากในกรณีที่เกิดความล้มเหลว ในกรณีนี้ เครื่องส่งสัญญาณที่ติดตั้งบนรางจะถูกติดตั้งในตู้ควบคุม ข้อดีของการเข้าถึงที่ดีขึ้นคือซื้อด้วยระยะทางที่ไกลกว่าที่สัญญาณที่ไม่ขยายจะต้องเดินทาง

การเดินสายเทอร์มิสเตอร์

ความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์มักจะมากกว่าลวดตะกั่วหลายลําดับ ดังนั้นผลกระทบของความต้านทานตะกั่วต่อการอ่านค่าอุณหภูมิจึงเล็กน้อยในขณะที่เทอร์มิสเตอร์มักจะเชื่อมต่อในรูปแบบ 2 สาย

การเดินสายไฟเทอร์โมคัปเปิล

ซึ่งแตกต่างจาก RTDS และเทอร์มิสเตอร์เทอร์โมคัปเปิลมีขาบวกและลบดังนั้นจึงต้องสังเกตขั้ว สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับเครื่องส่งสัญญาณ 2 สายในพื้นที่ และสามารถส่งสายทองแดงกลับไปที่เครื่องมือรับได้ หากเครื่องมือรับสามารถรับอินพุตเทอร์โมคัปเปิลได้โดยตรง จะต้องใช้ลวดเทอร์โมคัปเปิลหรือสายต่อเทอร์โมคัปเปิลเดียวกันจนถึงเครื่องมือรับ