Który czujnik temperatury jest lepszy, kryteria wyboru czujnika

Jeśli po raz pierwszy napotykasz problem wyboru czujnika do pomiaru temperatury, to wybór taniego i niezawodnego czujnika może być dla Ciebie problemem.

Przede wszystkim należy dowiedzieć się następujących szczegółów: oczekiwany zakres temperatur pomiarów, wymagana dokładność, czy czujnik będzie umieszczony wewnątrz medium (jeśli nie, potrzebny będzie termometr radiacyjny), warunki są normalne lub agresywne, jest ważna możliwość okresowego demontażu czujnika, a na koniec jest to konieczne Podziałka jest w stopniach lub akceptowalny jest odbiór sygnału, który następnie zostanie przekształcony w wartość temperatury.

Nie są to bezczynne pytania, na które konsument ma możliwość wyboru bardziej odpowiedniego czujnika temperatury, z którym jego sprzęt będzie działał najlepiej. Oczywiście nie jest możliwe proste i jednoznaczne udzielenie odpowiedzi na pytanie, który czujnik temperatury jest lepszy, wybór należy do konsumenta, który najpierw zapoznał się z funkcjami każdego rodzaju czujnika.

W tym miejscu krótko omówimy trzy główne typy czujników temperatury (najczęściej): termometr oporowy, termistor lub termoparę. Tymczasem ważne jest, aby konsument natychmiast zrozumiał, że dokładność uzyskanych danych temperatury zależy zarówno od czujnika, jak i przetwornika sygnału - zarówno czujnik pierwotny, jak i przetwornik przyczyniają się do niepewności.

Czasami przy wyborze urządzeń zwracają uwagę tylko na charakterystykę konwertera, zapominając, że różne czujniki dają różne dodatkowe komponenty (w zależności od rodzaju wybranego czujnika), które należy wziąć pod uwagę przy odbieraniu danych.

Termometry rezystancyjne - jeśli potrzebujesz wysokiej dokładności

W tym przypadku elementem czujnikowym jest rezystor filmowy lub drutowy o znanej zależności rezystancji od temperatury, umieszczony w obudowie ceramicznej lub metalowej. Najpopularniejsze są platyna (współczynnik wysokiej temperatury), ale stosuje się również nikiel i miedź. Zakresy i tolerancje, a także standardowe zależności rezystancji od temperatury termometrów rezystancyjnych można znaleźć, czytając GOST 6651-2009.

Zaletą tego typu termometrów jest szeroki zakres temperatur, wysoka stabilność, dobra zamienność. Szczególnie odporne na wibracje termometry platynowe mają jednak zasięg roboczy.

Uszczelnione elementy TS są wytwarzane jako osobne wrażliwe elementy dla miniaturowych czujników, jednak zarówno termometry rezystancyjne, jak i czujniki charakteryzują się jednym względnym minusem - do działania wymagają układu trzy- lub czteroprzewodowego, wówczas pomiary będą dokładne.

A jednak szkliwo skrzynki uszczelniającej powinno być odpowiednie dla wybranych warunków, aby wahania temperatury nie prowadziły do ​​zniszczenia warstwy uszczelniającej czujnika. Standardowa tolerancja termometrów platynowych wynosi nie więcej niż 0,1 ° C, ale możliwe jest indywidualne skalowanie w celu osiągnięcia dokładności 0,01 ° C.

Referencyjne termometry platynowe (GOST R 51233-98) mają wyższą dokładność, ich dokładność osiąga 0,002 ° C, ale należy się z nimi obchodzić ostrożnie, ponieważ nie wytrzymują wstrząsów. Ponadto ich koszt jest dziesięciokrotnie wyższy niż w przypadku standardowych platynowych termometrów oporowych.

Termometr oporowy na żelazo-rod jest odpowiedni do pomiarów w temperaturach kriogenicznych. Nienormalna zależność stopu od niskiej temperatury i niski TCR pozwalają na działanie takiego termometru w temperaturach od 0,5 K do 500 K, a stabilność w temperaturze 20 K osiąga 0,15 mK / rok.

Wrażliwym strukturalnie elementem termometru oporowego są cztery kawałki spirali ułożone wokół rurki z tlenku glinu, pokryte czystym proszkiem z tlenku glinu. Zwoje są odizolowane od siebie, a sama spirala jest w zasadzie odporna na wibracje. Uszczelnianie specjalnie dobraną glazurą lub cementem na bazie tego samego tlenku glinu. Typowy zakres elementów z drutu wynosi od -196 ° C do +660 ° C.

Druga wersja elementu (droższa, stosowana w obiektach jądrowych) to pusta konstrukcja, charakteryzująca się bardzo wysoką stabilnością parametrów. Element jest nawinięty na metalowy cylinder, a powierzchnia cylindra jest pokryta warstwą tlenku glinu. Sam cylinder jest wykonany ze specjalnego metalu o współczynniku rozszerzalności cieplnej podobnym do platyny. Koszt termometrów z pustymi elementami jest bardzo wysoki.

Trzecia opcja to element cienkowarstwowy. Cienką warstwę platyny (rzędu 0,01 mikrona) nakłada się na podłoże ceramiczne, które jest pokryte szkłem lub żywicą epoksydową na wierzchu.

Jest to najtańszy typ elementu do termometrów oporowych. Mały rozmiar i niewielka waga - główna zaleta elementu cienkowarstwowego. Takie czujniki mają wysoką rezystancję około 1 kΩ, co eliminuje problem połączenia dwuprzewodowego. Jednak stabilność cienkich elementów jest gorsza od drutu. Typowy zakres elementów foliowych wynosi od -50 ° C do +600 ° C.

Spirala wykonana z drutu platynowego pokrytego szkłem jest opcją bardzo drogiego drutu termometru oporowego, który jest wyjątkowo dobrze uszczelniony, odporny na wysoką wilgotność, ale zakres temperatur jest stosunkowo wąski.

Termopary - do pomiaru wysokich temperatur

Zasada działania termopary została odkryta w 1822 r. Przez Thomasa Seebecka, można ją opisać następująco: w przewodniku jednorodnego materiału z nośnikami ładowanymi bezpłatnie, gdy jeden z styków pomiarowych zostanie rozgrzany, pojawi się emf. Albo tak: w zamkniętym obwodzie różnych materiałów, w warunkach różnicy temperatur między skrzyżowaniami, występuje prąd.

Drugi preparat zapewnia dokładniejsze zrozumienie. zasada termopary, podczas gdy ten pierwszy odzwierciedla samą istotę generowania termoelektryczności i wskazuje ograniczenia dokładności związane z heterogenicznością termoelektryczną: dla całej długości termoelektrody decydującym czynnikiem jest obecność gradientu temperatury, więc zanurzenie w medium podczas kalibracji powinno być takie samo, jak przyszłe działanie pozycja czujnika.

Termopary zapewniają najszerszy zakres temperatur roboczych i, co najważniejsze, mają najwyższą temperaturę roboczą ze wszystkich typów kontaktowych czujników temperatury. Złącze może być uziemione lub mieć bliski kontakt z badanym obiektem. Prosty, niezawodny, trwały - chodzi o czujnik oparty na termoparie. Zakresy i tolerancje, parametry termoelektryczne termopar można znaleźć, czytając GOST R 8.585-2001.

Termopary mają również kilka wyjątkowych wad:

• moc termoelektryczna jest nieliniowa, co stwarza trudności przy opracowywaniu dla nich konwerterów;

• materiał elektrod wymaga dobrego uszczelnienia ze względu na ich obojętność chemiczną, ze względu na ich podatność na agresywne środowisko;

• heterogeniczność termoelektryczna spowodowana korozją lub innymi procesami chemicznymi, w wyniku których skład zmienia się nieznacznie, wymusza zmianę kalibracji; duża długość przewodów powoduje efekt anteny i sprawia, że ​​termopara jest wrażliwa na pola elektromagnetyczne;

• Jakość izolacji przetwornika staje się bardzo ważnym aspektem, jeśli wymagana jest niska bezwładność termopary z uziemionym złączem.

Termopary z metali szlachetnych (PP-platyna-rod-platyna, PR-platyna-rod-platyna-rod) charakteryzują się najwyższą dokładnością, najmniejszą heterogenicznością termoelektryczną niż termopary metali nieszlachetnych. Te termopary są odporne na utlenianie, dlatego mają wysoką stabilność.

W temperaturach do 50 ° C praktycznie dają moc wyjściową 0, więc nie ma potrzeby monitorowania temperatury zimnych skrzyżowań. Koszt jest wysoki, czułość niska - 10 μV / K przy 1000 ° C. Niejednorodność przy 1100 ° С - w zakresie 0,25 ° С. Zanieczyszczenie i utlenienie elektrod powoduje niestabilność (rod utlenia się w temperaturach od 500 do 900 ° C), dlatego nadal pojawia się niejednorodność elektryczna. Pary czystych metali (platyna-pallad, platyna-złoto) mają lepszą stabilność.

Termopary szeroko stosowane w przemyśle są często wykonane z metali nieszlachetnych. Są niedrogie i odporne na wibracje. Szczególnie wygodne są elektrody uszczelnione kablem z izolacją mineralną - mogą być instalowane w trudnych miejscach. Termopary są bardzo czułe, ale heterogeniczność termoelektryczna jest wadą tanich modeli - błąd może osiągnąć 5 ° C.

Okresowa kalibracja sprzętu w laboratorium jest bezcelowa; bardziej przydatne jest sprawdzenie termopary w miejscu instalacji. Najbardziej niejednorodnymi termoelektrycznie parami są nisil / nichrosil. Głównym składnikiem niepewności jest uwzględnienie temperatury zimnego złącza.

Wysokie temperatury rzędu 2500 ° C są mierzone za pomocą termopar wolframowo-renu. Ważne jest tutaj wyeliminowanie czynników utleniających, dla których uciekają się one do specjalnych szczelnych osłon gazu obojętnego, a także do osłon molibdenu i tantalu z izolacją z tlenku magnezu i tlenku berylu. I oczywiście najważniejszym obszarem zastosowania wolframu-renu są termopary do energii jądrowej w warunkach strumienia neutronów.

W przypadku termopar oczywiście nie będzie wymagany układ trójprzewodowy lub czteroprzewodowy, ale konieczne będzie zastosowanie przewodów kompensacyjnych i przedłużających, które pozwolą na przesłanie sygnału do miernika z odległości 100 metrów przy minimalnych błędach.

Przedłużacze są wykonane z tego samego metalu co termopara, a druty kompensacyjne (miedziane) są stosowane do termopar z metali szlachetnych (platyny). Druty kompensacyjne staną się źródłem niepewności rzędu 1-2 ° C przy dużej różnicy temperatur, jednak istnieje norma IEC 60584-3 dla drutów kompensacyjnych.

Termistory - do małych zakresów temperatur i zastosowań specjalnych

Termistory Są to osobne termometry oporowe, ale nie drutowe, ale spiekane w postaci struktur wielofazowych, opartych na mieszanych tlenkach metali przejściowych. Ich główną zaletą jest niewielki rozmiar, różnorodność różnych form, niska bezwładność, niski koszt.

Termistory są dostępne z ujemnym (NTC) lub dodatnim (PTC) współczynnikiem rezystancji temperaturowej. Najpopularniejsze NTC i RTS są stosowane do bardzo wąskich zakresów temperatur (jednostki stopni) w systemach monitorowania i alarmowania. Najlepsza stabilność termistorów mieści się w zakresie od 0 do 100 ° C.

Termistory mają postać dysku (do 18 mm), koralika (do 1 mm), filmu (grubość do 0,01 mm), cylindrycznego (do 40 mm). Małe czujniki termistorowe pozwalają badaczom mierzyć temperaturę nawet w komórkach i naczyniach krwionośnych.

Termistory są głównie potrzebne do pomiaru niskich temperatur ze względu na ich względną niewrażliwość na pola magnetyczne. Niektóre typy termistorów mają temperaturę roboczą do minus 100 ° C.

Zasadniczo termistory są złożonymi strukturami wielofazowymi spiekanymi w temperaturze około 1200 ° C w powietrzu z granulowanych azotanów i tlenków metali. Najbardziej stabilne w temperaturach poniżej 250 ° C są termistory NTC wykonane z tlenków niklu i magnezu lub niklu, magnezu i kobaltu.

Przewodność właściwa termistora zależy od jego składu chemicznego, stopnia utlenienia, obecności dodatków w postaci metali, takich jak sód lub lit.

Termistory z drobnymi perełkami są nakładane na dwa terminale platynowe, a następnie powlekane szkłem.W przypadku termistorów dyskowych przewody są przylutowane do platynowej powłoki dysku.

Rezystancja termistorów jest wyższa niż rezystancji termometrów, zwykle mieści się w zakresie od 1 do 30 kOhm, więc odpowiedni jest tutaj system dwuprzewodowy. Zależność rezystancji od temperatury jest bliska wykładniczej.

Termistory dyskowe najlepiej nadają się do wymiany w zakresie od 0 do 70 ° C z błędem 0,05 ° C. Koralik - wymaga indywidualnej kalibracji przetwornika dla każdej instancji. Termistory są wyskalowane w termostatach cieczowych, porównując ich parametry z idealnym platynowym termometrem oporowym w krokach co 20 ° C w zakresie od 0 do 100 ° C. W ten sposób osiągany jest błąd nie większy niż 5 mK.