Різниця між термопарою, термістором та ДПТ

Концепція температури

З фізичної точки зору, тепло є мірою енергії, що міститься у тілі через нерегулярний рух його молекул або атомів. Так само, як м'ячики для тенісу мають більше енергії зі збільшенням швидкості, внутрішня енергія тіла або газу зростає з збільшенням температури. Температура - це змінна, яка, разом із іншими параметрами, такими як маса і удельна теплоємність, описує енергетичний зміст тіла.

Основною одиницею виміру температури є градус Кельвіна. При 0 °K (Елвін), кожна молекула у тілі знаходиться у стані спокою, і немає більше тепла. Тому неможливо існування від'ємної температури, оскільки немає стану з меншою енергією.

У повсякденному використанні зазвичай використовують центиградну шкалу (раніше відому як ступінь Цельсія). Її нульова точка знаходиться при температурі замерзання води, що легко можна відтворити на практиці. Тепер 0 °C вже давно не найнижча температура, адже всі з цього мають досвід. Розширюючи шкалу Цельсія до найнижчої температури, при якій зупиняється вся молекулярна рухливість, ми доходимо до –273,15 градусів.

Чоловік має здатність вимірювати температуру через свої чуття у обмеженому діапазоні. Проте, він не мав можливості точно відтворювати кількісні виміри. Перша форма кількісного вимірювання температури була розроблена у Флоренції на початку XVII століття і базувалася на розширенні алкоголю. Масштабування здійснювалося на основі найвищих температур літа та зими. За сто років шведський астроном Цельсій замінив його точками плавлення та кипіння води. Це дає термометру можливість масштабувати вгору та вниз в будь-який час та відтворювати показники пізніше.

Електричне вимірювання температури

Вимірювання температури є важливим у багатьох застосуваннях, таких як керування будинком, переробка їжі та виробництво сталі та петрохімічних продуктів. Ці дуже різні застосування вимагають температурних сенсорів з різними фізичними структурами та, як правило, різними технологіями.

У промислових та комерційних застосуваннях точки вимірювання зазвичай знаходяться далеко від точок індикації або керування. Далі обробка вимірювань зазвичай необхідна у контролерах, записниках або комп'ютерах. Ці застосування не підходять для безпосередньої індикації термометрів, які ми знаємо з повсякденного використання, але необхідно перетворити температуру в іншу форму пристрою - електричний сигнал. Щоб забезпечити цей віддалений електричний сигнал, зазвичай використовується ДОП (резистор зміни температури). Також використовуються термістори та термопари.

ДОП використовує характеристику зміни металевого опору з температурою. Вони є сенсорами з додатним коефіцієнтом температури (PTC), чий опір зростає з температурою. Головні метали, які використовуються, - це платина та нікель. Найширокше використовувані сенсори - це резистори 100 ом або 1000 ом ДОП або платинові резистивні термометри.

ДТП - це найточніший датчик для промислових застосувань, він також забезпечує найкращу довгострокову стабільність. Типова точність опору платини становить + 0,5% від виміряної температури. Після року може виникнути зміна + 0,05 ° C через старіння. Температурний діапазон платинових термометрів становить – 200 до 800 ° C.

Зміна опору з температурою

Провідність металу залежить від мобільності провідних електронів. Якщо до кінця проводника застосувати напругу, електрони рухаються до позитивного полюса. Дефекти сітки заваджають цьому руслу. До них належать зовнішні або відсутні атоми сітки, атоми на межах зерен та між позиціями сітки. Оскільки ці дефекти не залежать від температури, вони створюють постійний опір. З збільшенням температури атоми у металевій сітці проявляють збільшені коливання навколо своїх станційних позицій, таким чином заважаючи русло провідних електронів. Оскільки коливання зростає лінійно з температурою, збільшення опору, спричинене коливаннями, безпосередньо залежить від температури.

Платина широко використовується в промислових вимірюваннях. Її переваги включають хімічну стійкість, відносно просте виготовлення (особливо для виробництва дроту), можливість отримання її у високочистому вигляді та воспроизводні електричні властивості. Ці характеристики роблять платиновий сенсор опору найбільш поширеним міжвимірним сенсором температури.

Термістори виготовляються з деяких металевих оксидів, і їх опір зменшується з збільшенням температури. Оскільки характеристика опору зменшується при збільшенні температури, його називають сенсором з негативним температурним коефіцієнтом (NTC).

Завдяки природі базового процесу, кількість провідних електронів зростає експоненційно з температурою; тому характеристика демонструє сильне збільшення. Ця очевидна нелінійність є недоліком NTC-резисторів і обмежує їхню ефективну температурну діапазон до близько 100 °C. Їх, безумовно, можна лінеаризувати за допомогою автоматизованих комп'ютерів. Проте точність та лінійність не можуть відповідати вимогам великої вимірювальної діапазону. Їхній дрейф при чергуванні температур також більший, ніж у RTD. Їх використання обмежується задачами моніторингу та індикації, де температура не перевищує 200 °C. У цих простих застосунках вони насправді переважають більш дорогі термопари та RTD, враховуючи їх низьку вартість та відносно прості електронні схеми, які потрібні.

Основа термопари — це з'єднання між двома різними металами, терморезистор. Напруга, що генерується термопарою та РТД, збільшується з температурою. У порівнянні з резистивними термометрами, вони мають вищу верхню межу температури, з ощутимою перевагою кількох тисяч градусів Цельсія. Їхньою довгостроковою стабільністю є трохи слабша (кілька градусів після року), а точність вимірювань також трохи слабша (середнє + 0,75% від діапазону вимірювань). Вони часто використовуються у пічах, печках, вимірюванні викидів димних газів та інших сферах, де температура вища за 250 °C.

Термоелектричний ефект

Коли два металі з'єднані разом, виникає термоелектричне напруга через різну енергію зв'язку електронів та металевих іонів. Напруга залежить від самого металу та температури. Щоб ця термовoltage створила струм, два металеві контакти повинні бути з'єднані на іншому кінці для утворення замкнутого кола. Таким чином, у другій точці з'єднання виникає термовoltage. Термоелектричний ефект був відкритий Себеком у 1822 році. Вже у 1828 році Беккерель запропонував використовувати платиново-паладієвий термопар для вимірювання температури.

Якщо температура в обох точках з'єднання однакова, струм не тече, оскільки часткові тиснення, що утворюються в двох точках, нейтрализують один одного. Коли температура в точці з'єднання відрізняється, генерується різна напруга, і струм починає течи. Отже, термопар може вимірювати лише різницю температур.

Точка вимірювання є сполукою, яка піддається впливу вимірюваної температури. Справна сполука є сполукою з відомою температурою. Оскільки відома температура зазвичай нижча за вимірювану температуру, справна сполука зазвичай називається холодною сполукою. Щоб обчислити реальну температуру точки вимірювання, необхідно знати температуру холодного кінця.

Старіші прилади використовують терmostatичні блоки для контролю температури холодної сполуки на відомих значеннях, таких як 50 °C. Сучасні прилади використовують тонкі пленки RTD у холодному кінці для визначення його температури і обчислення температури точки вимірювання.

Напруга, яку створює термоелектричний ефект, дуже мала і становить лише кілька мікронапружень на градус Цельсія. Тому термопари зазвичай не використовуються у діапазоні від –30 до +50 °C, оскільки різниця між температурою справної сполуки і температурою вимірювання занадто мала, щоб створити сигнал, що не піддається збуренню.

Проводка RTD

У термометрі опору опір змінюється з температурою. Для оцінки вихідного сигналу через нього пропускається стала сила струму, а вимірюється напруга на його кінцях. Для цього перепаду напруги діє закон Ома: v = IR.

Сила струму для вимірювання повинна бути якомога меншою, щоб уникнути нагріvanня датчика. Вважається, що сила струму 1 мА не викличе жодної видатної похибки. Ця сила струму створює перепад напруги 0,1 В у PT 100 при 0 ℃. Тепер цей сигнал напруги потрібно передати через з'єднуючий кабель до точки показу або оцінки з мінімальними змінами. Існує чотири різних типи з'єднуючих схем:

двопровідна схема

Для з'єднання між термометром і електронікою оцінки використовується кабель з двома жилами. Як і будь-який інший електричний провідник, кабель має опір, що входить у ланцюг разом із термометром опору. В результаті два опори додаються разом, і електроніка тлумачить це як підвищення температури. При більших відстанях опір лінії може досягати декількох ом і викликати значний зсув вимірюваного значення.

трьохпровідна схема

Щоб мінімізувати вплив опору лінії та його зміни з температурою, зазвичай використовується трьохпроводна схема. Вона передбачає проводження додаткових проводів до одного з контактів РТД. Це створює два вимірювальних контуру, один з яких використовується як посилання. Трьохпроводна схема може компенсувати опір лінії у термінах його величини та зміни з температурою. Проте всі три проводники повинні мати такі ж характеристики та піддаватися тій самій температурі. Зазвичай це застосовується достатньо ефективно, щоб трьохпроводні схеми стали найширокше використовуваним методом сьогодні. Не потрібна балансування лінії.

чотирьохпровідна схема

Найкраща форма підключення резистивного термометра - це чотирипроводна схема. Вимірювання не залежить ні від опору лінії, ні від температурних змін, що викликають зміни. Не потрібна балансування ліній. Термометр забезпечує вимірювальний струм через силове підключення. Спад напруги на вимірювальній лінії фіксується вимірювальною лінією. Якщо вхідний опір електронного пристрою багато разів більший за опір лінії, останній можна проігнорувати. Спад напруги, визначений таким чином, не залежить від характеристик з'єднуючого проводу. Ця техніка зазвичай використовується лише для наукового обладнання, яке вимагає точності вимірювань до сотих.

2-проводний передавач

Використовуючи 2-проводний передавач замість багатопровідного кабелю, можна уникнути проблеми 2-проводового кола, як описано вище. Передавач перетворює сигнал датчика на нормалізований токовий сигнал 4-20мА, який пропорційний температурі. Постачання електропитання до передавача також відбувається через ті самі два з'єднання, використовуючи базовий струм 4 мА. 2-проводний передавач надає додаткову перевагу: підвищення сигналу значно зменшує вплив зовнішнього заваджування. Існують дві схеми розташування передавача. Оскільки відстань між непосиленими сигналами повинна бути якомога коротшою, посилювач можна безпосередньо встановити на термометр у його термінальному головному блоку. Це найкраще рішення іноді неможливе через конструкційні причини або врахування того, що при виході передавача з ладу він може бути важко досягнутим. У цьому випадку передавач, примонтований до рейки, встановлюється у контрольному шафі. Перевага покращеного доступу полягає в тому, що вона придбана за рахунок більшої відстані, яку має подолати непосилений сигнал.

Проводка термістора

Опір термістора зазвичай на кілька порядків величини більший, ніж опір будь-якої проводки. Тому вплив опору проводки на показники температури мінімальний, і термістори майже завжди підключаються у 2-проводковій конфігурації.

Проводка термоелемента

Відмінно від РТД та термісторів, термоелементи мають додатні та від'ємні галузки, тому необхідно враховувати полярність. Їх можна безпосередньо підключити до локального передавача 2-проводкового типу, а медна проводка може повернутися до приймального пристрою. Якщо приймальний пристрій може приймати безпосередній вхід термоелемента, потрібно використовувати той самий кабель термоелемента або розширення термоелемента всього шляху назад до приймального пристрою.