Ktorý snímač teploty je lepší, kritériá výberu senzora

Ak sa prvýkrát stretávate s problémom výberu snímača na meranie teploty, skutočným problémom pre vás môže byť výber lacného a spoľahlivého snímača.

Najskôr je potrebné zistiť nasledujúce podrobnosti: očakávaný teplotný rozsah meraní, požadovaná presnosť, či bude senzor umiestnený vo vnútri média (ak nie, bude potrebný radiačný teplomer), podmienky sú považované za normálne alebo agresívne, je dôležitá možnosť periodickej demontáže senzora, a nakoniec je to nevyhnutné stupnica je v stupňoch alebo je prijateľné prijať signál, ktorý sa potom prevedie na hodnotu teploty.

Nejedná sa o nečinné otázky, ktoré by spotrebiteľ mal možnosť zvoliť si pre seba vhodnejší snímač teploty, s ktorým bude jeho zariadenie pracovať najlepším spôsobom. Samozrejme nie je možné jednoducho a jednoznačne odpovedať na otázku, ktorý teplotný senzor je lepší, výber zostáva na spotrebiteľovi, ktorý sa najskôr oboznámil s vlastnosťami každého typu senzora.

Tu uvádzame stručný prehľad troch hlavných typov teplotných senzorov (najbežnejších): odporový teplomer, termistor alebo termočlánok. Medzitým je dôležité, aby spotrebiteľ okamžite pochopil, že presnosť získaných teplotných údajov závisí od snímača aj prevodníka signálu - primárny snímač aj prevodník prispievajú k neistote.

Niekedy pri výbere zariadení venujú pozornosť iba charakteristikám prevodníka a zabúdajú, že rôzne senzory dávajú rôzne ďalšie komponenty (v závislosti od typu zvoleného senzora), ktoré je potrebné zohľadniť pri prijímaní údajov.

Odporové teplomery - ak potrebujete vysokú presnosť

V tomto prípade je snímacím prvkom filmový alebo drôtový rezistor so známou závislosťou od teploty, umiestnený v keramickom alebo kovovom puzdre. Najobľúbenejšie sú platina (koeficient vysokej teploty), ale používa sa aj nikel a meď. Rozsahy a tolerancie, ako aj štandardné závislosti odporu na teplote pre odporové teplomery nájdete v dokumente GOST 6651-2009.

Výhodou tohto typu teplomerov je široký teplotný rozsah, vysoká stabilita, dobrá zameniteľnosť. Obzvlášť odolné voči vibráciám, teplomery s odporom platiny, už však majú pracovný rozsah.

Utesnené prvky TS sa vyrábajú ako samostatné citlivé prvky pre miniatúrne senzory, odporové teplomery a senzory sa však vyznačujú jedným relatívnym mínusom - na prevádzku vyžadujú trojvodičový alebo štvorvodičový systém, potom budú merania presné.

Glazúra tesniaceho puzdra by napriek tomu mala byť vhodná pre vybrané podmienky, aby kolísanie teploty neviedlo k zničeniu tesniacej vrstvy snímača. Štandardná tolerancia teplomerov platiny nie je vyššia ako 0,1 ° C, ale individuálna stupnica je možná na dosiahnutie presnosti 0,01 ° C.

Referenčné teplomery platiny (GOST R 51233-98) majú vyššiu presnosť, ich presnosť dosahuje 0,002 ° C, ale s nimi sa musí zaobchádzať opatrne, pretože sa nemôžu triasť. Okrem toho sú ich náklady desaťkrát vyššie ako štandardné odporové teplomery.

Teplomer odporu železa a ródia je vhodný na meranie pri kryogénnych teplotách. Abnormálna teplotná závislosť zliatiny a nízkej TCR umožňuje, aby taký teplomer pracoval pri teplotách od 0,5 K do 500 K a stabilita pri 20 K dosiahla 0,15 mK / rok.

Štrukturálne citlivý prvok odporového teplomeru sú štyri kusy špirály položené okolo trubice z oxidu hlinitého, pokryté čistým práškom oxidu hlinitého. Ohyby sú navzájom izolované a špirála samotná je v zásade odolná proti vibráciám. Tesnenie špeciálne vybranou glazúrou alebo cementom na základe rovnakej alumíny. Typický rozsah prvkov drôtu je od -196 ° C do +660 ° C.

Druhou verziou prvku (drahšia, používaná v jadrových zariadeniach) je dutá štruktúra, ktorá sa vyznačuje veľmi vysokou stabilitou parametrov. Prvok je navinutý na kovovom valci, povrch jeho valca je pokrytý vrstvou oxidu hlinitého. Samotný valec je vyrobený zo špeciálneho kovu podobného koeficientu tepelnej rozťažnosti ako platina. Náklady na teplomery s dutými prvkami sú veľmi vysoké.

Treťou možnosťou je tenkovrstvový prvok. Tenká vrstva platiny (rádovo 0,01 mikrónu) sa nanáša na keramický substrát, ktorý je na vrchu potiahnutý sklom alebo epoxidom.

Jedná sa o najlacnejší typ prvku pre odporové teplomery. Malá veľkosť a nízka hmotnosť - hlavná výhoda tenkovrstvového prvku. Takéto senzory majú vysoký odpor asi 1 kΩ, čo vylučuje problém dvojvodičového pripojenia. Stabilita tenkých prvkov je však nižšia ako pri drôte. Typický rozsah pre filmové prvky je od -50 ° C do +600 ° C.

Špirála vyrobená z platinového drôtu potiahnutého sklom je možnosťou veľmi drahého teplomera odporu drôtu, ktorý je veľmi dobre utesnený, odolný vysokej vlhkosti, ale teplotný rozsah je pomerne úzky.

Termočlánky - na meranie vysokých teplôt

Princíp fungovania termočlánku bol objavený v roku 1822 Thomasom Seebeckom, možno ho popísať takto: vo vodiči homogénneho materiálu s bezplatnými nosičmi náboja sa po zahriatí jedného z meracích kontaktov objaví emf. Alebo: v uzavretom okruhu rôznych materiálov sa v podmienkach teplotného rozdielu medzi spojmi vyskytne prúd.

Druhá formulácia poskytuje presnejšie pochopenie. princíp termočlánku, zatiaľ čo prvý z nich odráža samotnú podstatu tvorby termoelektriky a naznačuje obmedzenia presnosti spojené s termoelektrickou heterogenitou: pre celú dĺžku termoelektródy je rozhodujúcim faktorom prítomnosť teplotného gradientu, takže ponorenie do média počas kalibrácie by malo byť rovnaké ako budúce fungovanie. poloha senzora.

Termočlánky poskytujú najširší rozsah prevádzkových teplôt a čo je najdôležitejšie, majú najvyššiu prevádzkovú teplotu všetkých typov kontaktných teplotných snímačov. Spoj môže byť uzemnený alebo uvedený do tesného kontaktu s študovaným objektom. Jednoduchý, spoľahlivý, odolný - jedná sa o senzor založený na termočlánku. Rozsahy a tolerancie, termoelektrické parametre termočlánkov možno nájsť na základe čítania GOST R 8.585-2001.

Termočlánky majú tiež niekoľko jedinečných nevýhod:

• termoelektrická energia je nelineárna, čo spôsobuje ťažkosti pri vývoji prevodníkov pre ne;

• materiál elektród potrebuje dobré utesnenie z dôvodu svojej chemickej inertnosti z dôvodu ich zraniteľnosti voči agresívnemu prostrediu;

• termoelektrická heterogenita spôsobená koróziou alebo inými chemickými procesmi, v dôsledku ktorej sa zloženie mierne mení, núti meniť kalibráciu; veľká dĺžka vodičov vedie k účinku antény a spôsobuje, že termočlánok je citlivý na EM polia;

• Izolačná kvalita prevodníka sa stáva veľmi dôležitým aspektom, ak sa vyžaduje nízka zotrvačnosť z termočlánku s uzemneným uzlom.

Termočlánky ušľachtilých kovov (PP-platina-ródium-platina, PR-platina-ródium-platina-ródium) sa vyznačujú najvyššou presnosťou, najmenšou termoelektrickou heterogenitou ako termočlánky základných kovov. Tieto termočlánky sú odolné proti oxidácii, preto majú vysokú stabilitu.

Pri teplotách do 50 ° C dávajú prakticky výstup 0, takže nie je potrebné monitorovať teplotu studených uzlov. Náklady sú vysoké, citlivosť je nízka - 10 μV / K pri 1000 ° C. Nehomogenita pri 1100 ° С - v oblasti 0,25 ° С. Kontaminácia a oxidácia elektród vytvára nestabilitu (ródium sa oxiduje pri teplotách od 500 do 900 ° C), a preto sa stále objavuje elektrická nehomogenita. Dvojice čistých kovov (platina-paládium, platina-zlato) majú lepšiu stabilitu.

Termočlánky, ktoré sa v priemysle bežne používajú, sa často vyrábajú zo základných kovov. Sú lacné a odolné proti vibráciám. Obzvlášť výhodné sú elektródy utesnené káblom s minerálnou izoláciou - môžu byť inštalované na zložitých miestach. Termočlánky sú vysoko citlivé, ale termoelektrická heterogenita je nevýhodou lacných modelov - chyba môže dosiahnuť 5 ° C.

Pravidelná kalibrácia zariadenia v laboratóriu je zbytočná, je užitočnejšie skontrolovať termočlánok v mieste inštalácie. Najviac termoelektricky nehomogénne páry sú nisil / nichrosil. Hlavnou zložkou neistoty je zohľadnenie teploty uzla za studena.

Vysoké teploty rádovo 2500 ° C sa merajú termočlánkami volfrám-rénium. Je dôležité vylúčiť oxidačné faktory, pre ktoré sa uchýlia k špeciálnym utesneným krytom inertného plynu, ako aj k molybdénu a tantalu s izoláciou oxidom horečnatým a oxidom berýlia. Samozrejme najdôležitejšou oblasťou aplikácie volfrám-rénium sú termočlánky pre jadrovú energiu v podmienkach neutrónového toku.

Pre termočlánky sa samozrejme nebude vyžadovať trojvodičový alebo štvorvodičový systém, ale bude potrebné použiť kompenzačné a predlžovacie vodiče, ktoré umožnia prenos signálu do meracieho zariadenia 100 metrov s minimálnymi chybami.

Predlžovacie drôty sú vyrobené z rovnakého kovu ako termočlánok a kompenzačné (medené) drôty sa používajú pre termočlánky z ušľachtilých kovov (pre platinu). Kompenzačné drôty sa stanú zdrojom neistoty rádovo 1 - 2 ° C s veľkým teplotným rozdielom, pre kompenzačné drôty však existuje norma IEC 60584-3.

Termistory - pre malé teplotné rozsahy a špeciálne aplikácie

termistory Sú to špeciálne odporové teplomery, ale nie drôtové, ale spekané vo forme viacfázových štruktúr založených na zmiešaných oxidoch prechodných kovov. Ich hlavnou výhodou je malá veľkosť, rôzne formy, nízka zotrvačnosť, nízke náklady.

Termistory majú záporný (NTC) alebo kladný (PTC) teplotný koeficient odporu. Najbežnejšie NTC a RTS sa používajú pre veľmi úzke teplotné rozsahy (jednotky stupňov) v monitorovacích a výstražných systémoch. Najlepšia stabilita termistorov je v rozsahu od 0 do 100 ° C.

Termistory sú vo forme disku (do 18 mm), pätky (do 1 mm), filmu (hrúbka do 0,01 mm), valcové (do 40 mm). Malé termistorové senzory umožňujú vedcom merať teplotu aj vo vnútri buniek a krvných ciev.

Termistory sú najmä žiadané o meranie nízkych teplôt kvôli ich relatívnej necitlivosti na magnetické polia. Niektoré typy termistorov majú prevádzkové teploty až do - 100 ° C.

Termistory sú v podstate komplexné viacfázové štruktúry spekané pri teplote asi 1200 ° C na vzduchu z granulovaných dusičnanov a oxidov kovov. Najstabilnejšie pri teplotách pod 250 ° C sú termistory NTC vyrobené z oxidov niklu a horčíka alebo niklu, horčíka a kobaltu.

Špecifická vodivosť termistora závisí od jeho chemického zloženia, od stupňa oxidácie, od prítomnosti prísad vo forme kovov, ako je sodík alebo lítium.

Drobné perličkové termistory sa aplikujú na dva platinové terminály a potom sa potiahnu sklom.V prípade diskových termistorov sa elektródy spájkujú s platinovým povlakom disku.

Odpor termistorov je vyšší ako odpor odporových teplomerov, obvykle leží v rozmedzí od 1 do 30 kOhm, takže je tu vhodný dvojvodičový systém. Teplotná závislosť odporu je takmer exponenciálna.

Diskové termistory sú najlepšie zameniteľné pre rozsah od 0 do 70 ° C s chybou 0,05 ° C. Korálik - vyžaduje individuálnu kalibráciu prevodníka pre každý prípad. Termistory sa delia na kvapalinové termostaty, porovnávajúc ich parametre s ideálnym teplomerom s odporom platiny v krokoch 20 ° C v rozsahu od 0 do 100 ° C. Takto sa dosiahne chyba nie viac ako 5 mK.