Který teplotní senzor je lepší, kritéria pro výběr senzoru

Pokud se poprvé setkáváte s problémem výběru senzoru pro měření teploty, může být skutečným problémem výběr levného a spolehlivého senzoru.

Nejprve je třeba zjistit následující podrobnosti: očekávaný teplotní rozsah měření, požadovaná přesnost, zda bude senzor umístěn uvnitř média (pokud ne, bude třeba radiační teploměr), podmínky jsou považovány za normální nebo agresivní, je důležitá možnost periodické demontáže senzoru důležitá, a konečně je nutné odstupňování je ve stupních nebo je přijatelné přijímat signál, který bude poté převeden na hodnotu teploty.

Nejedná se o nečinné otázky, na které si spotřebitel získá možnost zvolit si pro sebe vhodnější teplotní senzor, se kterým bude jeho zařízení pracovat nejlépe. Je samozřejmě nemožné jednoduše a jednoznačně odpovědět na otázku, který teplotní senzor je lepší, zbývá si vybrat spotřebitele, který se nejprve seznámí s vlastnostmi každého typu senzoru.

Zde uvedeme stručný přehled tří hlavních typů teplotních senzorů (nejběžnějších): odporového teploměru, termistoru nebo termočlánku. Mezitím je důležité, aby spotřebitel okamžitě pochopil, že přesnost získaných teplotních dat závisí na senzoru i na převaděči signálu - jak primární senzor, tak převaděč přispívají k nejistotě.

Někdy při výběru zařízení věnují pozornost pouze vlastnostem převodníku, přičemž zapomínají, že různé senzory dávají různé další komponenty (v závislosti na zvoleném typu senzoru), které je třeba při přijímání dat vzít v úvahu.

Odporové teploměry - pokud potřebujete vysokou přesnost

V tomto případě je snímacím prvkem filmový nebo drátový rezistor se známou závislostí odporu na teplotě, umístěný v keramickém nebo kovovém pouzdře. Nejoblíbenější jsou platina (koeficient vysoké teploty), ale také se používá nikl a měď. Rozsahy a tolerance, jakož i standardní závislosti odporu na teplotě pro odporové teploměry najdete v dokumentu GOST 6651-2009.

Výhodou tohoto typu teploměrů je široký teplotní rozsah, vysoká stabilita, dobrá zaměnitelnost. Zejména odolné vůči vibracím, teploměry s platinovým filmem, již však mají pracovní rozsah.

Utěsněné prvky TS se vyrábějí jako samostatné citlivé prvky pro miniaturní senzory, avšak odporové teploměry i senzory se vyznačují jedním relativním minus - vyžadují pro provoz třívodičový nebo čtyřvodičový systém, měření bude tedy přesné.

Přesto by měla být glazura těsnicího pouzdra vhodná pro vybrané podmínky tak, aby kolísání teploty nevedlo ke zničení těsnicí vrstvy senzoru. Standardní tolerance platinových teploměrů není vyšší než 0,1 ° C, ale individuální stupnicí je možné dosáhnout přesnosti 0,01 ° C.

Referenční teploměry platiny (GOST R 51233-98) mají vyšší přesnost, jejich přesnost dosahuje 0,002 ° C, ale musí se s nimi zacházet opatrně, protože se nemohou třást. Kromě toho jsou jejich náklady desetkrát vyšší než standardní teploměry odporové platiny.

Teploměr odporu železa a rhodia je vhodný pro měření při kryogenních teplotách. Abnormální teplotní závislost slitiny a nízkého TCR umožňuje takovému teploměru pracovat při teplotách od 0,5 K do 500 K a stabilita při 20 K dosahuje 0,15 mK / rok.

Strukturálně citlivým prvkem odporového teploměru jsou čtyři kusy spirály položené kolem trubice z oxidu hlinitého, pokryté čistým práškem oxidu hlinitého. Zatáčky jsou od sebe izolovány a spirála sama o sobě je v zásadě odolná proti vibracím. Těsnění speciálně vybranou glazurou nebo cementem na bázi stejné aluminy. Typický rozsah pro drátěné prvky je od -196 ° C do +660 ° C.

Druhou verzí prvku (dražší, používanou v jaderných zařízeních) je dutá struktura, která se vyznačuje velmi vysokou stabilitou parametrů. Prvek je navinut na kovový válec, přičemž povrch válce je pokryt vrstvou oxidu hlinitého. Samotný válec je vyroben ze speciálního kovu podobného koeficientu tepelné roztažnosti jako platina. Náklady na teploměry s dutými prvky jsou velmi vysoké.

Třetí možností je tenkovrstvý prvek. Tenká vrstva platiny (řádově 0,01 mikronů) se nanáší na keramický substrát, který je na povrchu potažen sklem nebo epoxidem.

Jedná se o nejlevnější typ prvku pro odporové teploměry. Malá velikost a nízká hmotnost - hlavní výhoda tenkovrstvého prvku. Takové senzory mají vysoký odpor asi 1 kΩ, což neguje problém dvouvodičového připojení. Stabilita tenkých prvků je však nižší než dráty. Typický rozsah pro filmové prvky je od -50 ° C do +600 ° C.

Spirála vyrobená z platinového drátu potaženého sklem je možnost velmi drahého teploměru odporu drátu, který je velmi dobře utěsněný, odolný vysoké vlhkosti, ale teplotní rozsah je relativně úzký.

Termočlánky - pro měření vysokých teplot

Princip fungování termočlánku byl objeven v roce 1822 Thomasem Seebeckem, lze jej popsat následovně: ve vodiči homogenního materiálu s bezplatnými nosiči náboje se po zahřátí jednoho z měřících kontaktů objeví emf. Nebo tak: v uzavřeném okruhu různých materiálů se za podmínek teplotního rozdílu mezi křižovatkami vyskytuje proud.

Druhá formulace poskytuje přesnější porozumění. princip termočlánku, zatímco první odráží samotnou podstatu generování termoelektriky a ukazuje omezení přesnosti spojená s termoelektrickou heterogenitou: pro celou délku termoelektrody je rozhodujícím faktorem přítomnost teplotního gradientu, takže ponoření do média během kalibrace by mělo být stejné jako budoucí pracovní pozice senzoru.

Termočlánky poskytují nejširší rozsah provozních teplot a co je nejdůležitější, mají nejvyšší provozní teplotu všech typů kontaktních teplotních senzorů. Spoj může být uzemněn nebo přiveden do těsného kontaktu se studovaným objektem. Jednoduchý, spolehlivý, odolný - jedná se o senzor založený na termočlánku. Rozsahy a tolerance, termoelektrické parametry termočlánků lze zjistit čtením GOST R 8.585-2001.

Termočlánky mají také některé jedinečné nevýhody:

• termoelektrická energie je nelineární, což pro ně vytváří obtíže při vývoji převodníků;

• materiál elektrod potřebuje dobré utěsnění kvůli své chemické inertnosti, kvůli jejich zranitelnosti vůči agresivnímu prostředí;

• termoelektrická heterogenita způsobená korozí nebo jinými chemickými procesy, díky kterým se složení mírně mění, nutí změnit kalibraci; velká délka vodičů vyvolává účinek antény a činí termočlánek zranitelným vůči EM polím;

• Kvalita izolace převodníku se stává velmi důležitým aspektem, pokud je vyžadována nízká setrvačnost z termočlánku s uzemněným spojem.

Termočlánky z ušlechtilých kovů (PP-platina-rhodium-platina, PR-platina-rhodium-platina-rhodium) se vyznačují nejvyšší přesností, nejméně termoelektrickou heterogenitou než termočlánky základních kovů. Tyto termočlánky jsou odolné vůči oxidaci, proto mají vysokou stabilitu.

Při teplotách do 50 ° C dávají prakticky výstup 0, takže není nutné sledovat teplotu studených křižovatek. Náklady jsou vysoké, citlivost je nízká - 10 μV / K při 1000 ° C. Neromogenita při 1100 ° С - v oblasti 0,25 ° С. Kontaminace a oxidace elektrod vytváří nestabilitu (rhodium je oxidováno při teplotách od 500 do 900 ° C), a proto se stále objevuje elektrická nehomogenita. Dvojice čistých kovů (platina-palladium, platina-zlato) mají lepší stabilitu.

Termočlánky, které se v průmyslu běžně používají, jsou často vyráběny z obecných kovů. Jsou levné a odolné proti vibracím. Obzvláště výhodné jsou elektrody utěsněné kabelem s minerální izolací - mohou být instalovány na obtížných místech. Termočlánky jsou vysoce citlivé, ale termoelektrická heterogenita je nevýhodou levných modelů - chyba může dosáhnout 5 ° C.

Pravidelná kalibrace zařízení v laboratoři je zbytečná, je užitečné kontrolovat termočlánek v místě instalace. Nejvíce termoelektricky nehomogenní páry jsou nisil / nichrosil. Hlavní složkou nejistoty je zohlednění teploty studeného přechodu.

Vysoké teploty řádově 2500 ° C se měří termočlánky wolfram-rhenium. Zde je důležité eliminovat oxidační faktory, pro které se uchylují ke speciálním utěsněným krytům inertního plynu, jakož i krytům molybdenu a tantalu s izolací oxidem hořečnatým a oxidem berylia. A samozřejmě nejdůležitější oblastí aplikace wolframu a rhenia jsou termočlánky pro jadernou energii v podmínkách toku neutronů.

U termočlánků samozřejmě nebude vyžadován třívodičový nebo čtyřvodičový systém, ale bude nutné použít kompenzační a prodlužovací dráty, které umožní, aby byl signál přenášen 100 metrů do měřícího zařízení s minimálními chybami.

Prodlužovací dráty jsou vyrobeny ze stejného kovu jako termočlánek a kompenzační (měděné) dráty se používají pro termočlánky vyrobené z drahých kovů (pro platinu). Kompenzační dráty se stanou zdrojem nejistoty řádově 1-2 ° C s velkým teplotním rozdílem, pro kompenzační dráty však existuje norma IEC 60584-3.

Termistory - pro malé teplotní rozsahy a speciální aplikace

Termistory Jsou to zvláštní odporové teploměry, ale ne dráty, ale slinované ve formě vícefázových struktur, založené na směsných oxidech přechodných kovů. Jejich hlavní výhodou je malá velikost, různé formy, nízká setrvačnost, nízké náklady.

Termistory mají záporný (NTC) nebo pozitivní (PTC) teplotní koeficient odporu. Nejběžnější NTC a RTS se používají pro velmi úzké teplotní rozsahy (jednotky stupňů) v monitorovacích a poplašných systémech. Nejlepší stabilita termistorů je v rozmezí 0 až 100 ° C.

Termistory jsou ve formě kotouče (do 18 mm), patky (do 1 mm), filmu (tloušťka do 0,01 mm), válcového tvaru (do 40 mm). Malé termistorové senzory umožňují vědcům měřit teplotu i uvnitř buněk a krevních cév.

Termistory jsou hlavně požadovány pro měření nízkých teplot kvůli jejich relativní necitlivosti na magnetická pole. Některé typy termistorů mají provozní teploty až do - 100 ° C.

Termistory jsou v zásadě komplexní vícefázové struktury slinované při teplotě asi 1200 ° C ve vzduchu z granulovaných dusičnanů a oxidů kovů. Nejstabilnější při teplotách pod 250 ° C jsou termistory NTC vyrobené z oxidů niklu a hořčíku nebo niklu, hořčíku a kobaltu.

Specifická vodivost termistoru závisí na jeho chemickém složení, na stupni oxidace, na přítomnosti přísad ve formě kovů, jako je sodík nebo lithium.

Drobné kuličkové termistory se aplikují na dva platinové terminály a poté se potáhnou sklem.U diskových termistorů jsou elektrody připájeny k platinovému povrchu disku.

Odpor termistoru je vyšší než odpor odporových teploměrů, obvykle leží v rozmezí od 1 do 30 kOhm, takže je zde vhodný drátový systém. Teplotní závislost odporu je téměř exponenciální.

Diskové termistory jsou nejlépe zaměnitelné pro rozsah od 0 do 70 ° C s chybou 0,05 ° C. Korálek - vyžadují individuální kalibraci převodníku pro každý případ. Termistory jsou odstupňovány v kapalinových termostatech, které porovnávají jejich parametry s ideálním platinovým odporovým teploměrem v krocích po 20 ° C v rozsahu od 0 do 100 ° C. Tím je dosaženo chyby ne více než 5 mK.