Temperatursensoren. Teil Zwei Thermistoren

Der erste Teil des Artikels sprach kurz darüber Geschichte verschiedener Temperaturskalen und ihre Erfinder Fahrenheit, Reaumur, Celsius und Kelvin. Jetzt lohnt es sich, sich mit Temperatursensoren, deren Funktionsprinzipien und Geräten zum Empfangen von Daten von diesen Sensoren vertraut zu machen.

Der Anteil der Temperaturmessung an technologischen Messungen

In der modernen industriellen Produktion werden viele verschiedene physikalische Größen gemessen. Von diesen beträgt der Massen- und Volumenstrom 15%, der Flüssigkeitsgehalt 5%, die Zeit nicht mehr als 4%, der Druck etwa 10% und so weiter. Die Temperaturmessung macht jedoch fast 50% der Gesamtzahl der technischen Messungen aus.

Ein so hoher Prozentsatz wird durch die Anzahl der Messpunkte erreicht. In einem mittelgroßen Kernkraftwerk kann die Temperatur also an etwa 1.500 Punkten gemessen werden, und in einem großen Chemiewerk erreicht diese Zahl zwanzigtausend oder mehr.

Eine solche Größe weist nicht nur auf eine Vielzahl von Messgeräten und damit auf eine Vielzahl von Primärwandlern und Temperatursensoren hin, sondern auch auf ständig steigende Anforderungen an Genauigkeit, Geschwindigkeit, Störfestigkeit und Zuverlässigkeit von Temperaturmessgeräten.

Die Haupttypen von Temperatursensoren sind das Funktionsprinzip

Fast alle in der modernen Produktion verwendeten Temperatursensoren verwenden das Prinzip, die gemessene Temperatur in elektrische Signale umzuwandeln. Eine solche Umwandlung basiert auf der Tatsache, dass es möglich ist, ein elektrisches Signal mit hoher Geschwindigkeit über große Entfernungen zu übertragen, während beliebige physikalische Größen in elektrische Signale umgewandelt werden können. In digitalen Code umgewandelt, können diese Signale mit hoher Genauigkeit übertragen und auch zur Verarbeitung in einen Computer eingegeben werden.

Widerstandsthermoelemente

Sie werden auch genannt Thermistoren. Ihr Funktionsprinzip basiert auf der Tatsache, dass alle Leiter und Halbleiter haben Temperaturwiderstandskoeffizient abgekürzt Tks. Dies entspricht in etwa dem allen bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten: Beim Erhitzen dehnen sich die Körper aus.

Es ist zu beachten, dass alle Metalle ein positives TCS aufweisen. Mit anderen Worten steigt der elektrische Widerstand des Leiters mit zunehmender Temperatur an. Hier können wir uns daran erinnern, dass Glühlampen beim Einschalten am häufigsten durchbrennen, während die Spule kalt und ihr Widerstand gering ist. Daher der erhöhte Strom beim Einschalten. Halbleiter haben ein negatives TCS, mit zunehmender Temperatur nimmt ihr Widerstand ab, dies wird jedoch etwas höher diskutiert.

Metallthermistoren

Es scheint möglich zu sein, einen beliebigen Leiter als Material für Thermistoren zu verwenden. Eine Reihe von Anforderungen an Thermistoren besagt jedoch, dass dies nicht der Fall ist.

Zunächst sollte das Material zur Herstellung von Temperatursensoren ein ausreichend großes TCS aufweisen, und die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur sollte in einem weiten Temperaturbereich ziemlich linear sein. Darüber hinaus muss der Metallleiter gegenüber Umwelteinflüssen inert sein und eine gute Reproduzierbarkeit der Eigenschaften gewährleisten, was den Austausch von Sensoren ermöglicht, ohne dass verschiedene Feinabstimmungen des gesamten Messgeräts vorgenommen werden müssen.

Für all diese Eigenschaften ist Platin (mit Ausnahme des hohen Preises) sowie Kupfer nahezu ideal. Solche Thermistoren werden in den Beschreibungen als Kupfer (TCM-Cu) und Platin (TSP-Pt) bezeichnet.

Thermistoren TSP können im Temperaturbereich von -260 bis 1100 ° C eingesetzt werden.Wenn die gemessene Temperatur im Bereich von 0 bis 650 ° C liegt, können die TSP-Sensoren als Referenz und Referenz verwendet werden, da die Instabilität der Kalibrierungskennlinie in diesem Bereich 0,001 ° C nicht überschreitet. Die Nachteile von TSP-Thermistoren sind die hohen Kosten und die Nichtlinearität der Umwandlungsfunktion in einem weiten Temperaturbereich. Eine genaue Temperaturmessung ist daher nur in dem in den technischen Daten angegebenen Bereich möglich.

Billigere Kupferthermistoren der Marke TSM, deren Abhängigkeit vom Widerstand von der Temperatur ziemlich linear ist, haben sich in der Praxis durchgesetzt. Als Mangel an Kupferwiderständen kann ein niedriger spezifischer Widerstand und ein unzureichender Widerstand gegen hohe Temperaturen (leichte Oxidation) in Betracht gezogen werden. Kupferthermistoren haben daher eine Messgrenze von nicht mehr als 180 ° C.

Über eine Zweidrahtleitung werden Sensoren wie TCM und TSP angeschlossen, wenn der Abstand des Sensors vom Gerät 200 m nicht überschreitet. Wenn dieser Abstand größer ist, wird eine Dreileiter-Kommunikationsleitung verwendet, in der der dritte Draht verwendet wird, um den Widerstand der Anschlussdrähte zu kompensieren. Solche Verbindungsmethoden sind in den technischen Beschreibungen der Geräte, die mit TCM- oder TSP-Sensoren ausgestattet sind, ausführlich dargestellt.

Die Nachteile der betrachteten Sensoren sind ihre niedrige Geschwindigkeit: Die thermische Trägheit (Zeitkonstante) solcher Sensoren reicht von zehn Sekunden bis zu mehreren Minuten. Es werden auch echte Trägheitsthermistoren hergestellt, deren Zeitkonstante nicht mehr als Zehntelsekunden beträgt, was aufgrund ihrer geringen Abmessungen erreicht wird. Solche Thermistoren bestehen aus geformtem Mikrodraht in einer Glasschale. Sie sind sehr stabil, versiegelt und haben eine geringe Trägheit. Darüber hinaus haben sie bei kleinen Abmessungen einen Widerstand von bis zu mehreren zehn Kiloohm.

Halbleiterthermistoren

Sie werden auch oft genannt Thermistoren. Im Vergleich zu Kupfer und Platin weisen sie eine höhere Empfindlichkeit und ein negatives TCS auf. Dies legt nahe, dass mit zunehmender Temperatur ihr Widerstand abnimmt. TCS-Thermistoren sind um eine Größenordnung höher als die ihrer Kupfer- und Platin-Gegenstücke. Bei sehr kleinen Abmessungen kann der Widerstand von Thermistoren bis zu 1 MΩ erreichen, wodurch der Einfluss des Widerstands der Verbindungsdrähte auf das Messergebnis entfällt.

Zur Messung der Temperatur werden am häufigsten Halbleiterthermistoren KMT (basierend auf Mangan- und Kobaltoxiden) sowie MMT (Mangan- und Kupferoxide) verwendet. Die Umwandlungsfunktion der Thermistoren ist im Temperaturbereich von -100 - 200 ° C recht linear, die Zuverlässigkeit der Halbleiterthermistoren ist sehr hoch, die Eigenschaften sind lange stabil.

Der einzige Nachteil ist, dass es in der Massenproduktion nicht möglich ist, die erforderlichen Eigenschaften mit ausreichender Genauigkeit zu reproduzieren. Eine Instanz unterscheidet sich erheblich von der anderen, ähnlich wie Transistoren: Sie scheint aus demselben Paket zu stammen, aber die Verstärkung ist für alle unterschiedlich. Sie werden nicht zwei der gleichen finden. Eine solche Streuung der Parameter führt dazu, dass beim Austausch eines Thermistors die Ausrüstung erneut eingestellt werden muss.

Meistens wird eine Brückenschaltung verwendet, um die Widerstandsthermowandler anzutreiben, bei denen die Brücke unter Verwendung eines Potentiometers ausgeglichen wird. Wenn sich der Widerstand des Thermistors aufgrund der Temperatur ändert, kann die Brücke nur durch Drehen des Potentiometers ausgeglichen werden.

Ein ähnliches Schema mit manueller Anpassung wird als Demonstration in Bildungslabors verwendet. Der Potentiometermotor verfügt über eine Skala, die direkt in Temperatureinheiten kalibriert ist. In realen Messkreisen erfolgt natürlich alles automatisch.

Der nächste Teil des Artikels befasst sich mit der Verwendung von Thermoelementen und mechanischen Expansionsthermometern - Temperatursensoren. Thermoelemente

Boris Aladyshkin, i.electricianexp.com

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