A diferenza entre termopar, termistor e RTD

O concepto de temperatura

Dun punto de vista físico, o calor é unha medida da enerxía contida no corpo debido ao movemento irregular das súas moléculas ou átomos. Así como as bolas de tenis teñen máis enerxía cun aumento da velocidade, a enerxía interna do corpo ou gas aumenta cunha maior temperatura. A temperatura é unha variable que, xunto con outros parámetros como a masa e o calor específico, describe o contido enerxético do corpo.

A medida básica de temperatura é o grao Kelvin. A 0 ° K (Kelvin), cada molécula do corpo está en repouso e non hai máis calor. Polo tanto, non hai posibilidade de temperatura negativa porque non existe un estado de menor enerxía.

No uso diario, a práctica común é empregar centígrados (anteriormente tamén coñecido como centígrado). O seu punto cero está no punto de conxelación da auga, o cal pode reproducirse facilmente na práctica. Agora ben, 0 °C non é de ningunha forma a temperatura máis baixa, xa que todos o sabemos pola experiencia. Estendendo a escala centígrada ata a temperatura máis baixa na que todo movemento molecular para, chegamos a –273,15 graos.

O ser humano ten a capacidade de medir a temperatura a través dos seus sentidos nunha amplitude limitada. Non obstante, non foi capaz de reproducir medidas cuantitativas con precisión. A primeira forma de medición cuantitativa da temperatura desenvolveuse en Florencia a principios do século XVII e baseouse na expansión do alcohol. A escalado baseouse nas temperaturas máis altas do verán e do inverno. Cénteo anos despois, o astrónomo sueco Celsius substituíuoa cos puntos de conxelación e ebullición da auga. Isto dá ao termómetro a posibilidade de ampliar ou reducir en calquera momento e reproducir as lecturas máis tarde.

Medida eléctrica de temperatura

A medición da temperatura é importante en moitas aplicacións, como o control de edificios, o procesado de alimentos e a fabricación de acero e produtos petroquímicos. Estas aplicacións moi diferentes requiren sensores de temperatura con estruturas físicas diferentes e normalmente tecnoloxías diferentes.

Nas aplicacións industriais e comerciais, os puntos de medida están normalmente lonxe dos puntos de indicación ou control. Normalmente é necesario un procesamento adicional das medidas nos controladores, rexistradores ou ordenadores. Estas aplicacións non son adecuadas para a indicación directa dos termómetros tal como os coñecemos do uso diario, pero é necesario converter a temperatura nunha outra forma de dispositivo, a sinal eléctrica. Para proporcionar esta sinal eléctrica a distancia, normalmente úsase un RTD. Tamén se poden empregar termistores e termopares.

RTD adopta a característica da resistencia metálica que cambia coa temperatura. Son sensores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) cuya resistencia aumenta coa temperatura. Os principais metais utilizados son o platino e o níquel. Os sensores máis utilizados son de 100 ohmios ou 1000 ohmios RTDS ou termómetros de resistencia de platino.

O RTD é o sensor máis preciso para aplicacións industriais e tamén proporciona a mellor estabilidade a longo prazo. O valor representativo da precisión da resistencia do platino é + 0,5% da temperatura medida. Despois dun ano, pode haber un cambio de + 0,05 ° C debido ao envellecemento. Os termómetros de resistencia de platino teñen un rango de temperatura de 200 a 800 ° C.

Cambio de resistencia coa temperatura

A conductibilidade dun metal depende da mobilidade dos electróns condutores. Se se aplica unha voltagem ao extremo do fío, os electróns móvense cara ao polo positivo. Os defectos na rede interferen con este movemento. Inclúense átomos externos ou ausentes na rede, átomos nas fronteiras de grano e entre as posicións da rede. Como estas localizacións de fallo son independentes da temperatura, producen unha resistencia constante. Co aumento da temperatura, os átomos na rede metálica mostran oscilacións aumentadas preto das súas posicións estacionarias, dificultando así o movemento dos electróns condutores. Como a oscilación aumenta linearmente coa temperatura, o aumento de resistencia causado polas oscilacións depende directamente da temperatura.

O platino foi amplamente aceptado na medida industrial. As súas vantaxes inclúen estabilidade química, fabricación relativamente fácil (especialmente para a fabricación de fíos), a posibilidade de obterse en forma de alta pureza e propiedades eléctricas reproducibles. Estas características fan que o sensor de resistencia de platino sexa o sensor de temperatura máis intercambiable.

Os termistores están feitos de algúns óxidos metálicos e a súa resistencia diminúe co aumento da temperatura. Debido a que a característica de resistencia disminúe co aumento da temperatura, chámase sensor de coeficiente de temperatura negativo (NTC).

Debido á natureza do proceso básico, o número de electrons condutores aumenta exponencialmente coa temperatura; polo tanto, a característica mostra unha subida forte. Esta obvia non linearidade é unha desvantaxe dos resistores NTC e limita o seu rango de temperatura eficaz a uns 100 °C. Poden, por suposto, ser linealizados por ordenadores automáticos. Non obstante, a precisión e a linealidade non poden cumprir os requisitos dun gran intervalo de medida. A súa deriva nas temperaturas alternativas tamén é maior que a dos RTD. O seu uso está limitado a aplicacións de monitorización e indicación onde a temperatura non supera os 200 °C. Nestas aplicacións simples, realmente son superiores aos máis caros termopares e RTDs, considerando o seu baixo custo e os circuitos electrónicos relativamente simples que requiren.

A base da termopar é a conexión entre dous metais diferentes, termistor. A tensión xerada pola termopar e o RTD aumenta coa temperatura. En comparación cos termómetros de resistencia, teñen un límite superior de temperatura máis alto, con unha vantaxe significativa de varias miles de graos Celsius. A súa estabilidade a longo prazo é ligeramente peor (uns poucos graos despois dun ano), e a precisión na medición tamén é algo menor (media + 0,75% do rango de medición). Empreganse frecuentemente en fornos, hornos, medición de gases de escape e outras áreas onde as temperaturas son superiores a 250 °C.

Efecto termoeléctrico

Cando dúas metais están conectadas xuntas, producese unha tensión termoeléctrica debido á diferente enerxía de ligadura dos electróns e os ions metálicos. A tensión depende do metal en si mesmo e da temperatura. Para que esta tensión térmica xere corrente, as dúas metais deben estar, por suposto, conectadas na outra extremidade para formar un circuito pechado. Desta forma, xera-se unha tensión térmica no segundo punto de conexión. O efecto termoeléctrico foi descubierto por Seebeck en 1822. Xa en 1828, Becquerel propuxo o uso dun termopar de platino-paladio para a medición da temperatura.

Se hai a mesma temperatura nos dous puntos de conexión, non hai fluxo de corrente porque as presións parciais xeradas nos dous puntos cancelanse entre si. Cando a temperatura no punto de conexión é diferente, a tensión xerada tamén é diferente e a corrente flúe. Polo tanto, o termopar só pode medir a diferenza de temperatura.

O punto de medida é unha conxunción exposta á temperatura medida. A conxunción de referencia é unha conxunción nunha temperatura coñecida. Como a temperatura coñecida normalmente é máis baixa que a temperatura medida, a conxunción de referencia chámase normalmente conxunción fría. Para calcular a temperatura real do punto de medida, debe coñecerse a temperatura da extremidade fría.

Os instrumentos antigos usan caixas de control termostático para manter a temperatura da conxunción fría nun valor coñecido como 50c. Os instrumentos modernos usan RTD de filme fino na extremidade fría para determinar a súa temperatura e calcular a temperatura do punto de medida.

A tensión producida polo efecto termoeléctrico é moi pequena e só son uns poucos microvolts por grao centígrado. Polo tanto, os termopares non se usan normalmente no intervalo de – 30 a + 50 ° C, xa que a diferenza entre a temperatura da conxunción de referencia e a temperatura da conxunción de referencia é moi pequena para producir un sinal non interferente.

Cableado RTD

Nun termómetro de resistencia, a resistencia varía coa temperatura. Para avaliar a sinal de saída, pasa unha corrente constante por ela e mésase a caída de voltagen nela. Para esta caída de voltagen, obedece a lei de Ohm, v = IR.

A corrente de medición debe ser tan pequena como sexa posible para evitar o aquecemento do sensor. Pode considerarse que a corrente de medición de 1mA non introducirá ningún erro obvio. A corrente produce unha caída de voltagen de 0,1V nun PT 100 a 0 ℃. Este voltagen de sinal debe transmitirse agora polos cables de conexión ao punto de indicación ou avaliación con pouca modificación. Existirán catro tipos diferentes de circuitos de conexión:

circuito de 2 fíos

Para a conexión entre o termómetro e a electrónica de avaliación úsase un cable de dous núcleos. Como calquera outro condutor eléctrico, o cable ten unha resistencia en serie cun termómetro de resistencia. Como resultado, os dous resistores son engadidos e a electrónica interpreta isto como un aumento de temperatura. Para distancias máis longas, a resistencia da liña pode chegar a varios ohms e producir un desprazamento significativo no valor medido.

circuito de 3 fíos

Para minimizar a influencia da resistencia da liña e a súa fluctuación coa temperatura, normalmente se usa un circuíto de tres fíos. Inclúe a conexión de cables adicionais a un dos contactos do DTI. Isto dá lugar a dous circuítos de medición, un dos cales é usado como referencia. O circuíto de 3 fíos pode compensar a resistencia da liña en termos do seu número e variación de temperatura. Non obstante, todos os tres condutores deben ter as mesmas características e estar expostos á mesma temperatura. Isto adoita aplicarse en medida suficiente para facer que os circuítos de 3 fíos sexan o método máis utilizado hoxe en día. Non se require equilibrio de liña.

circuito de 4 fíos

A mellor forma de conexión do termómetro de resistencia é o circuito de 4 fíos. A medición non depende nin da resistencia da liña nin das cambios inducidos pola temperatura. Non é necesario ningún balanceamento de liña. O termómetro fornece corrente de medición a través dunha conexión de alimentación. A caída de voltaxe na liña de medición é recollida pola liña de medición. Se a resistencia de entrada dun dispositivo electrónico é moitas veces maior que a resistencia da liña, esta última pode ser ignorada. A caída de voltaxe determinada desta maneira é independente das características do cable de conexión. Esta técnica só se usa normalmente para instrumentos científicos que requiren unha precisión de medida de centésimos.

transmisor de 2 fíos

Empregando un transmisor de 2 fíos en lugar dun cable de múltiples fíos, pode evitarse o problema dun circuito de 2 fíos como o descrito anteriormente. O transmisor converte a sinal do sensor nunha sinal de corrente normalizada de 4-20mA, que é proporcional á temperatura. A alimentación eléctrica do transmisor tamén funciona a través das mesmas dúas conexións, empregando unha corrente básica de 4 mA. O transmisor de 2 fíos ofrece unha vantaxe adicional: a amplificación da sinal reduce enormemente o impacto das interferencias externas. Hai dous dispostos para posicionar o transmisor. Como a distancia entre as señales non amplificadas debe ser tan curta como sexa posible, o amplificador pode instalarse directamente no termómetro na súa cabeceira terminal. Esta solución óptima non sempre é posible debido a razóns estruturais ou á consideración de que o transmisor pode ser difícil de alcanzar no caso dun fallo. Neste caso, instálase un transmisor fixado a ralis no armario de control. A vantaxe dun acceso mellorado supón que se compra ao prezo dunha maior distancia que a sinal non amplificada debe recorrer.

Cableado do termistor

A resistencia dun termistor é normalmente varias ordes de magnitude maior que a dun cable de conexión. Polo tanto, o efecto da resistencia do cable nas lecturas de temperatura é negligentemente pequeno, mentres que os termistores conectanse casi sempre nunha configuración de 2 cables.

Cableado do termopar

Ao contrario que os RTDS e os termistores, os termopares teñen pernas positivas e negativas, polo que debe observarse a polaridade. Poden conectarse directamente ao transmisor local de 2 cables e o cable de cobre pode devolverse ao instrumento receptor. Se o instrumento receptor pode aceptar entrada de termopar directamente, debe usarse o mesmo cable de termopar ou cable de extensión de termopar todo o camiño ata o instrumento receptor.