Atšķirība starp termopāri, termistoru un RTD

               

Temperatūras jēdziens

No fiziskā viedokļa siltums ir ķermeņa enerģijas mērs tā molekulu vai atomu neregulāras kustības dēļ. Tāpat kā tenisa bumbiņām ir vairāk enerģijas, palielinoties ātrumam, ķermeņa vai gāzes iekšējā enerģija palielinās, paaugstinoties temperatūrai. Temperatūra ir mainīgais lielums, kas kopā ar citiem parametriem, piemēram, masu un īpatnējo siltumu, raksturo ķermeņa enerģijas saturu.

Galvenais temperatūras mērs ir Kelvina grāds. 0 ° K (Elvin) katra ķermeņa molekula ir miera stāvoklī un vairs nav siltuma. Tāpēc nav iespējama negatīva temperatūra, jo nav zemākas enerģijas stāvokļa.

Ikdienas lietošanā parastā prakse ir izmantot centigrade (agrāk Celsija). Tās nulles punkts ir ūdens sasalšanas punktā, ko var viegli reproducēt praksē. Tagad 0 ° C nekādā ziņā nav zemākā temperatūra, jo visi zina no pieredzes. Pagarinot celsija skalu līdz zemākajai temperatūrai, kurā apstājas visa molekulārā kustība, mēs sasniedzam – 273,15 grādus.

Cilvēkam ir iespēja izmērīt temperatūru caur savām maņām ierobežotā diapazonā. Tomēr viņš nespēja precīzi reproducēt kvantitatīvos mērījumus. Pirmais kvantitatīvās temperatūras mērīšanas veids tika izstrādāts Florencē 17. gadsimta sākumā un paļāvās uz alkohola paplašināšanos. Mērogošana ir balstīta uz augstākajām temperatūrām vasarā un ziemā. Simts gadus vēlāk zviedru astronoms Celsija to aizstāja ar ūdens kušanas un viršanas punktiem. Tas dod termometram iespēju jebkurā laikā tuvināt un tālināt un vēlāk reproducēt rādījumus.

Elektriskās mērīšanas temperatūra

Temperatūras mērīšana ir svarīga daudzos lietojumos, piemēram, ēku kontrolē, pārtikas pārstrādē un tērauda un naftas ķīmijas produktu ražošanā. Šiem ļoti atšķirīgajiem lietojumiem ir nepieciešami temperatūras sensori ar dažādām fiziskām struktūrām un parasti dažādām tehnoloģijām

Rūpnieciskos un komerciālos lietojumos mērījumu punkti parasti atrodas tālu no indikācijas vai kontroles punktiem. Turpmāka mērījumu apstrāde parasti ir nepieciešama kontrolieros, ierakstītājos vai datoros. Šīs lietojumprogrammas nav piemērotas tiešai termometru norādīšanai, jo mēs tos pazīstam no ikdienas lietošanas, bet temperatūra ir jāpārvērš citā ierīces formā - elektriskajā signālā. Lai nodrošinātu šo attālo elektrisko signālu, parasti tiek izmantots RTD. Termistori un termopāri.

RTD pieņem raksturīgo metāla pretestību, kas mainās līdz ar temperatūru. Tie ir pozitīvi temperatūras koeficienta (PTC) sensori, kuru pretestība palielinās līdz ar temperatūru. Galvenie izmantotie metāli ir platīns un niķelis. Visplašāk izmantotie sensori ir 100 omu vai 1000 omu RTDS vai platīna pretestības termometri.

RTD ir visprecīzākais sensors rūpnieciskiem lietojumiem, kā arī nodrošina vislabāko ilgtermiņa stabilitāti. Platīna pretestības precizitātes reprezentatīvā vērtība ir + 0,5% no izmērītās temperatūras. Pēc viena gada novecošanās laikā var mainīties + 0,05 ° C. Platīna pretestības termometru temperatūras diapazons ir no – 200 līdz 800 ° C. 

Pretestības maiņa ar temperatūru

Metāla vadītspēja ir atkarīga no vadošo elektronu mobilitātes. Ja stieples galā tiek pielikts spriegums, elektroni pārvietojas uz pozitīvo polu. Režģa defekti traucē šo kustību. Tie ietver ārējos vai trūkstošos režģa atomus, atomus graudu robežās un starp režģa pozīcijām. Tā kā šīs bojājumu vietas ir neatkarīgas no temperatūras, tās rada pastāvīgu pretestību. Paaugstinoties temperatūrai, metāla režģa atomiem ir palielinātas svārstības to stacionāro pozīciju tuvumā, tādējādi kavējot vadošo elektronu kustību. Tā kā svārstības palielinās lineāri ar temperatūru, svārstību izraisītais pretestības pieaugums ir tieši atkarīgs no temperatūras.

Platīns ir plaši pieņemts rūpnieciskajos mērījumos. Tās priekšrocības ir ķīmiskā stabilitāte, salīdzinoši viegla izgatavošana (īpaši stiepļu ražošanai), iespēja to iegūt augstas tīrības formā un reproducējamas elektriskās īpašības. Šīs īpašības padara platīna pretestības sensoru par visplašāk maināmo temperatūras sensoru.

Termistori ir izgatavoti no dažiem metāla oksīdiem, un to pretestība samazinās, palielinoties temperatūrai. Tā kā pretestības raksturlielums samazinās, palielinoties temperatūrai, to sauc par negatīvās temperatūras koeficienta (NTC) sensoru.

Pamatprocesa rakstura dēļ vadošo elektronu skaits palielinās eksponenciāli līdz ar temperatūru; Tāpēc raksturojums liecina par spēcīgu pieaugumu. Šī acīmredzamā nelinearitāte ir NTC rezistoru trūkums un ierobežo tā efektīvo temperatūras diapazonu līdz aptuveni 100 ° C. Tos, protams, var linearizēt ar automatizētiem datoriem. Tomēr precizitāte un linearitāte nevar atbilst liela mērījumu posma prasībām. To dreifs mainīgā temperatūrā ir arī lielāks nekā RTD. To izmantošana aprobežojas ar uzraudzību un tādu lietojumu norādīšanu, kuros temperatūra nepārsniedz 200 ° C. Šajā vienkāršajā lietojumprogrammā tie faktiski ir pārāki par dārgākiem termopāriem un RTD, ņemot vērā to zemās izmaksas un salīdzinoši vienkāršās nepieciešamās elektroniskās shēmas.

Termopāra pamatā ir savienojums starp diviem dažādiem metāliem, termistoru. Termopāra un RTD radītais spriegums palielinās līdz ar temperatūru. Salīdzinot ar pretestības termometriem, tiem ir augstāka augšējā temperatūras robeža, ar ievērojamu priekšrocību - vairākiem tūkstošiem grādu pēc Celsija. To ilgtermiņa stabilitāte ir nedaudz slikta (vairāki grādi pēc gada), un mērījumu precizitāte ir nedaudz slikta (vidēji + 0, 75% no mērījumu diapazona). Tos bieži izmanto krāsnīs, krāsnīs, dūmgāzu mērījumos un citās vietās, kur temperatūra ir augstāka par 250 ° C.

Termoelektriskais efekts

Kad divi metāli ir savienoti kopā, termoelektriskais spriegums tiek radīts, pateicoties elektronu un metāla jonu atšķirīgajai saistošajai enerģijai. Spriegums ir atkarīgs no paša metāla un temperatūras. Lai šis termiskais spriegums radītu strāvu, abiem metāliem, protams, jābūt savienotiem kopā otrā galā, lai izveidotu slēgtu ķēdi. Tādā veidā otrajā krustojumā tiek ģenerēts siltuma spriegums. Termoelektrisko efektu Seebeck atklāja 1822. gadā. Jau 1828. gadā Bekerels ierosināja temperatūras mērīšanai izmantot platīna pallādija termopāri.

Ja abos krustojumos ir vienāda temperatūra, strāvas plūsmas nav, jo abos punktos radītais parciālais spiediens atceļ viens otru. Ja temperatūra krustojumā ir atšķirīga, radītais spriegums ir atšķirīgs un strāva plūst. Tāpēc termopāris var izmērīt tikai temperatūras starpību.

Mērīšanas punkts ir krustojums, kas pakļauts izmērītajai temperatūrai. Atskaites krustojums ir krustojums zināmā temperatūrā. Tā kā zināmā temperatūra parasti ir zemāka par izmērīto temperatūru, atskaites krustojumu parasti sauc par aukstu krustojumu. Lai aprēķinātu mērīšanas punkta faktisko temperatūru, jāzina aukstā gala temperatūra.

Vecāki instrumenti izmanto termostatiskās vadības sadales kārbas, lai kontrolētu aukstā savienojuma temperatūru ar zināmām vērtībām, piemēram, 50c. Mūsdienu instrumenti izmanto plānas plēves RTD aukstajā galā, lai noteiktu tā temperatūru un aprēķinātu mērīšanas punkta temperatūru.

Termoelektriskā efekta radītais spriegums ir ļoti mazs un ir tikai daži mikrovolti uz grādu pēc Celsija. Tāpēc termopārus parasti neizmanto diapazonā no – 30 līdz + 50 ° C, jo starpība starp atskaites savienojuma temperatūru un atskaites savienojuma temperatūru ir pārāk maza, lai radītu signālu bez traucējumiem.

RTD elektroinstalācija

Pretestības termometrā pretestība mainās atkarībā no temperatūras. Lai novērtētu izejas signālu, caur to iziet nemainīga strāva un mēra sprieguma kritumu pāri tam. Šim sprieguma kritumam tiek ievērots Ohmas likums, v = IR.

Mērīšanas strāvai jābūt pēc iespējas mazākai, lai izvairītos no sensora sildīšanas. Var uzskatīt, ka mērīšanas strāva 1mA neradīs acīmredzamu kļūdu. Strāva rada 0,1 V sprieguma kritumu PT 100 pie 0 °C. Šis signāla spriegums tagad jāpārraida caur savienojošo kabeli uz indikācijas punktu vai novērtēšanas punktu ar minimālām izmaiņām. Ir četri dažādi savienojuma ķēžu veidi:

2 vadu ķēde

Savienojumam starp termometru un novērtēšanas elektroniku tiek izmantots 2 dzīslu kabelis. Tāpat kā jebkuram citam elektriskajam vadītājam, kabelim ir pretestība virknē ar pretestības termometru. Tā rezultātā abi rezistori tiek saskaitīti kopā, un elektronika to interpretē kā temperatūras paaugstināšanos. Lielākiem attālumiem līnijas pretestība var sasniegt vairākus omus un radīt ievērojamu izmērītās vērtības nobīdi. 

3 vadu ķēde

Lai samazinātu līnijas pretestības ietekmi un tās svārstības ar temperatūru, parasti tiek izmantota trīs vadu ķēde. Tas ietver papildu vadu darbināšanu vienā no RTD kontaktiem. Tā rezultātā rodas divas mērījumu shēmas, no kurām viena tiek izmantota kā atsauce. 3 vadu ķēde var kompensēt līnijas pretestību tās skaita un temperatūras izmaiņu ziņā. Tomēr visiem trim vadītājiem ir jābūt vienādām īpašībām un tiem jābūt pakļautiem vienādai temperatūrai. Tas parasti tiek piemērots pietiekamā mērā, lai 3 vadu ķēdes padarītu par mūsdienās visplašāk izmantoto metodi. Līniju balansēšana nav nepieciešama. 

4 vadu ķēde

Labākais pretestības termometra savienojuma veids ir 4 vadu ķēde. Mērīšana nav atkarīga ne no līnijas pretestības, ne no temperatūras izraisītām izmaiņām. Līniju balansēšana nav nepieciešama. Termometrs nodrošina mērīšanas strāvu caur strāvas savienojumu. Sprieguma kritumu uz mērīšanas līnijas uztver mērīšanas līnija. Ja elektroniskās ierīces ieejas pretestība ir daudzkārt lielāka par līnijas pretestību, pēdējo var ignorēt. Šādā veidā noteiktais sprieguma kritums nav atkarīgs no savienojošā vada īpašībām. Šo metodi parasti izmanto tikai zinātniskiem instrumentiem, kuriem nepieciešama mērījumu precizitāte simtdaļa.

2 vadu raidītājs

Izmantojot 2 vadu raidītāju vairāku vadu kabeļa vietā, var izvairīties no iepriekš aprakstītās 2 vadu ķēdes problēmas. Raidītājs sensora signālu pārveido normalizētā strāvas signālā 4-20mA, kas ir proporcionāls temperatūrai. Raidītāja barošanas avots darbojas arī caur tiem pašiem diviem savienojumiem, izmantojot pamata strāvu 4 mA. 2 vadu raidītājs nodrošina papildu priekšrocību, tas ir, signāla pastiprināšana ievērojami samazina ārējo traucējumu ietekmi. Raidītāja pozicionēšanai ir divi izkārtojumi. Tā kā attālumam starp nepastiprinātiem signāliem jābūt pēc iespējas īsākam, pastiprinātāju var tieši uzstādīt uz termometra tā spailes galvā. Šis labākais risinājums dažreiz nav iespējams strukturālu iemeslu vai apsvērumu dēļ, ka raidītājs var būt grūti sasniedzams atteices gadījumā. Šajā gadījumā sliedes uzstādītais raidītājs ir uzstādīts vadības skapī. Uzlabotas piekļuves priekšrocība ir tā, ka tā tiek iegādāta par lielāku attālumu, kas jābrauc bez pastiprināta signāla.

Termistora elektroinstalācija

Termistora pretestība parasti ir vairākas kārtas lielāka nekā jebkurai svina stieplei. Tāpēc svina pretestības ietekme uz temperatūras rādījumiem ir niecīga, savukārt termistori gandrīz vienmēr ir savienoti 2 vadu konfigurācijā.

Termopāra elektroinstalācija

Atšķirībā no RTDS un termistoriem, termopāriem ir pozitīvas un negatīvas kājas, tāpēc jāievēro polaritāte. Tos var savienot tieši ar vietējo 2 vadu raidītāju, un vara vadu var atgriezt uztverošajā instrumentā. Ja saņēmējs instruments var tieši pieņemt termopāra ievadi, tad tā pati termopāra stieple vai termopāra pagarinātājs jāizmanto līdz pat saņēmējam instrumentam.