Welcher Temperatursensor ist besser, Sensorauswahlkriterien

Wenn Sie zum ersten Mal auf das Problem der Auswahl eines Sensors zur Temperaturmessung stoßen, kann die Auswahl eines kostengünstigen und zuverlässigen Sensors ein tatsächliches Problem für Sie sein.

Zunächst müssen folgende Details herausgefunden werden: Der erwartete Temperaturbereich der Messungen, die erforderliche Genauigkeit, ob sich der Sensor im Medium befindet (wenn nicht, wird ein Strahlungsthermometer benötigt), die Bedingungen werden als normal oder aggressiv angenommen, die Möglichkeit einer periodischen Demontage des Sensors ist wichtig und schließlich ist dies erforderlich Die Teilung erfolgt in Grad oder es ist akzeptabel, ein Signal zu empfangen, das dann in einen Temperaturwert umgewandelt wird.

Dies sind keine müßigen Fragen, bei denen der Verbraucher die Möglichkeit erhält, selbst einen geeigneteren Temperatursensor auszuwählen, mit dem seine Geräte optimal funktionieren. Natürlich ist es unmöglich, einfach und eindeutig eine Antwort auf die Frage zu geben, welcher Temperatursensor besser ist. Die Wahl muss dem Verbraucher überlassen werden, nachdem er sich zunächst mit den Merkmalen der einzelnen Sensortypen vertraut gemacht hat.

Hier geben wir einen kurzen Überblick über die drei Haupttypen von Temperatursensoren (die häufigsten): Widerstandsthermometer, Thermistor oder Thermoelement. In der Zwischenzeit ist es für den Verbraucher wichtig, sofort zu verstehen, dass die Genauigkeit der erhaltenen Temperaturdaten sowohl vom Sensor als auch vom Signalwandler abhängt - sowohl der Primärsensor als auch der Wandler tragen zur Unsicherheit bei.

Manchmal achten sie bei der Auswahl von Geräten nur auf die Eigenschaften des Konverters und vergessen dabei, dass verschiedene Sensoren unterschiedliche zusätzliche Komponenten liefern (abhängig vom ausgewählten Sensortyp), die beim Empfang von Daten berücksichtigt werden müssen.

Widerstandsthermometer - wenn Sie eine hohe Genauigkeit benötigen

In diesem Fall ist das Sensorelement ein Film- oder Drahtwiderstand mit einer bekannten Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur, der in einem Keramik- oder Metallgehäuse angeordnet ist. Am beliebtesten sind Platin (Hochtemperaturkoeffizient), aber auch Nickel und Kupfer werden verwendet. Bereiche und Toleranzen sowie Standardabhängigkeiten des Widerstands von der Temperatur für Widerstandsthermometer finden Sie unter GOST 6651-2009.

Der Vorteil dieser Art von Thermometern ist ein breiter Temperaturbereich, hohe Stabilität und gute Austauschbarkeit. Besonders vibrationsbeständig sind Platinfilm-Widerstandsthermometer, die jedoch bereits einen Arbeitsbereich haben.

Versiegelte Elemente des TS werden als separate empfindliche Elemente für Miniatursensoren hergestellt. Sowohl Widerstandsthermometer als auch Sensoren sind jedoch durch ein relatives Minus gekennzeichnet. Für den Betrieb ist ein Drei- oder Vierdrahtsystem erforderlich. Die Messungen sind dann genau.

Dennoch sollte die Glasur des Dichtungsgehäuses für die ausgewählten Bedingungen geeignet sein, damit Temperaturschwankungen nicht zur Zerstörung der Dichtungsschicht des Sensors führen. Die Standardtoleranz von Platinthermometern beträgt nicht mehr als 0,1 ° C, aber eine individuelle Teilung ist möglich, um eine Genauigkeit von 0,01 ° C zu erreichen.

Referenz-Platin-Thermometer (GOST R 51233-98) haben eine höhere Genauigkeit, ihre Genauigkeit erreicht 0,002 ° C, sie müssen jedoch mit Vorsicht behandelt werden, da sie nicht zittern können. Darüber hinaus sind ihre Kosten zehnmal höher als bei Standard-Platin-Widerstandsthermometern.

Ein Eisen-Rhodium-Widerstandsthermometer eignet sich für Messungen bei kryogenen Temperaturen. Die abnormale Temperaturabhängigkeit der Legierung und der niedrige TCR ermöglichen es einem solchen Thermometer, bei Temperaturen von 0,5 K bis 500 K zu arbeiten, und die Stabilität bei 20 K erreicht 0,15 mK / Jahr.

Das strukturempfindliche Element des Widerstandsthermometers sind vier Spiralstücke, die um ein Aluminiumoxidrohr gelegt sind und mit reinem Aluminiumoxidpulver bedeckt sind. Die Windungen sind voneinander isoliert und die Spirale selbst ist grundsätzlich vibrationsfest. Versiegelung mit speziell ausgewählter Glasur oder Zement auf Basis des gleichen Aluminiumoxids. Ein typischer Bereich für Drahtelemente liegt zwischen -196 ° C und +660 ° C.

Die zweite Version des Elements (teurer, in Kernkraftwerken eingesetzt) ​​ist eine Hohlstruktur, die sich durch eine sehr hohe Stabilität der Parameter auszeichnet. Ein Element ist auf einen Metallzylinder gewickelt, wobei die Oberfläche des Zylinders mit einer Schicht aus Aluminiumoxid bedeckt ist. Der Zylinder selbst besteht aus einem speziellen Metall, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient Platin ähnelt. Die Kosten für Hohlelementthermometer sind sehr hoch.

Die dritte Option ist ein Dünnschichtelement. Eine dünne Schicht Platin (in der Größenordnung von 0,01 Mikrometern) wird auf das Keramiksubstrat aufgebracht, das oben mit Glas oder Epoxid beschichtet ist.

Dies ist der billigste Elementtyp für Widerstandsthermometer. Geringe Größe und geringes Gewicht - der Hauptvorteil eines Dünnschichtelements. Solche Sensoren haben einen hohen Widerstand von etwa 1 kΩ, was das Problem der Zweidrahtverbindung zunichte macht. Die Stabilität dünner Elemente ist jedoch dem Draht unterlegen. Ein typischer Bereich für Filmelemente liegt zwischen -50 ° C und +600 ° C.

Eine Spirale aus mit Glas beschichtetem Platindraht ist eine Option eines sehr teuren Drahtwiderstandsthermometers, das extrem gut abgedichtet und gegen hohe Luftfeuchtigkeit beständig ist, dessen Temperaturbereich jedoch relativ eng ist.

Thermoelemente - zur Messung hoher Temperaturen

Das Funktionsprinzip des Thermoelements wurde 1822 von Thomas Seebeck entdeckt und kann wie folgt beschrieben werden: Im Leiter eines homogenen Materials mit freien Ladungsträgern tritt bei Erwärmung eines der Messkontakte eine EMK auf. Oder so: In einem geschlossenen Kreislauf aus unterschiedlichen Materialien tritt unter Bedingungen einer Temperaturdifferenz zwischen den Übergängen ein Strom auf.

Die zweite Formulierung liefert ein genaueres Verständnis. ThermoelementprinzipWährend das erste die Essenz der Erzeugung von Thermoelektrizität widerspiegelt und die Genauigkeitsbeschränkungen anzeigt, die mit der thermoelektrischen Heterogenität verbunden sind: Für die gesamte Länge der Thermoelektrode ist der entscheidende Faktor das Vorhandensein eines Temperaturgradienten, so dass das Eintauchen in das Medium während der Kalibrierung das gleiche sein sollte wie das zukünftige Arbeiten Sensorposition.

Thermoelemente bieten den breitesten Betriebstemperaturbereich und vor allem die höchste Betriebstemperatur aller Arten von Kontakttemperatursensoren. Die Verbindung kann geerdet oder in engen Kontakt mit dem untersuchten Objekt gebracht werden. Einfach, zuverlässig, langlebig - hier geht es um einen Sensor, der auf einem Thermoelement basiert. Bereiche und Toleranzen sowie thermoelektrische Parameter von Thermoelementen finden Sie unter GOST R 8.585-2001.

Thermoelemente haben auch einige einzigartige Nachteile:

• Die thermoelektrische Leistung ist nichtlinear, was zu Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Wandlern für sie führt.

• Das Material der Elektroden muss aufgrund ihrer chemischen Inertheit und ihrer Anfälligkeit für aggressive Umgebungen gut abgedichtet werden.

• thermoelektrische Heterogenität aufgrund von Korrosion oder anderen chemischen Prozessen, aufgrund derer sich die Zusammensetzung geringfügig ändert, zwingt dazu, die Kalibrierung zu ändern; Die große Länge der Leiter führt zur Wirkung der Antenne und macht das Thermoelement anfällig für EM-Felder.

• Die Isolationsqualität des Messumformers wird zu einem sehr wichtigen Aspekt, wenn von einem Thermoelement mit geerdeter Verbindung eine geringe Trägheit erforderlich ist.

Edelmetall-Thermoelemente (PP-Platin-Rhodium-Platin, PR-Platin-Rhodium-Platin-Rhodium) zeichnen sich durch höchste Genauigkeit und geringste thermoelektrische Heterogenität aus als Thermoelemente aus unedlen Metallen. Diese Thermoelemente sind oxidationsbeständig und daher hochstabil.

Bei Temperaturen bis zu 50 ° C ergeben sie praktisch eine Leistung von 0, sodass die Temperatur von Vergleichsstellen nicht überwacht werden muss. Die Kosten sind hoch, die Empfindlichkeit ist niedrig - 10 μV / K bei 1000 ° C. Inhomogenität bei 1100 ° C - im Bereich von 0,25 ° C. Verunreinigungen und Oxidationen der Elektroden führen zu Instabilität (Rhodium oxidiert bei Temperaturen von 500 bis 900 ° C), und daher tritt immer noch eine elektrische Inhomogenität auf. Paare von reinen Metallen (Platin-Palladium, Platin-Gold) haben eine bessere Stabilität.

In der Industrie weit verbreitete Thermoelemente bestehen häufig aus unedlen Metallen. Sie sind kostengünstig und vibrationsfest. Besonders praktisch sind Elektroden, die mit einem Kabel mit Mineralisolierung abgedichtet sind - sie können an schwierigen Stellen installiert werden. Thermoelemente sind hochempfindlich, aber die thermoelektrische Heterogenität ist ein Nachteil billiger Modelle - der Fehler kann 5 ° C erreichen.

Eine regelmäßige Kalibrierung der Geräte im Labor ist sinnlos. Es ist sinnvoller, das Thermoelement am Installationsort zu überprüfen. Die thermoelektrisch inhomogensten Paare sind Nisil / Nichrosil. Die Hauptkomponente der Unsicherheit ist die Berücksichtigung der Temperatur der Vergleichsstelle.

Hohe Temperaturen in der Größenordnung von 2500 ° C werden mit Wolfram-Rhenium-Thermoelementen gemessen. Hierbei ist es wichtig, oxidative Faktoren zu eliminieren, für die auf spezielle versiegelte Abdeckungen mit Inertgas sowie auf Molybdän- und Tantalabdeckungen mit Isolierung mit Magnesiumoxid und Berylliumoxid zurückgegriffen wird. Das wichtigste Anwendungsgebiet von Wolfram-Rhenium sind natürlich Thermoelemente für die Kernenergie unter Neutronenflussbedingungen.

Für Thermoelemente ist natürlich kein Drei- oder Vierleitersystem erforderlich, es müssen jedoch Kompensations- und Verlängerungskabel verwendet werden, mit denen das Signal mit minimalen Fehlern 100 Meter an das Messgerät übertragen werden kann.

Verlängerungsdrähte bestehen aus dem gleichen Metall wie das Thermoelement, und Kompensationsdrähte (Kupferdrähte) werden für Thermoelemente aus Edelmetallen (für Platin) verwendet. Kompensationsdrähte werden zu einer Unsicherheitsquelle in der Größenordnung von 1 bis 2 ° C mit einem großen Temperaturunterschied. Es gibt jedoch einen IEC 60584-3-Standard für Kompensationsdrähte.

Thermistoren - für kleine Temperaturbereiche und spezielle Anwendungen

Thermistoren Sie sind eigenartige Widerstandsthermometer, aber keine Drahtthermometer, sondern in Form von Mehrphasenstrukturen auf der Basis gemischter Übergangsmetalloxide gesintert. Ihr Hauptvorteil ist die geringe Größe, eine Vielzahl verschiedener Formen, geringe Trägheit und geringe Kosten.

Thermistoren haben einen negativen (NTC) oder positiven (PTC) Temperaturwiderstandskoeffizienten. Die gebräuchlichsten NTC und RTS werden für sehr enge Temperaturbereiche (Gradeinheiten) in Überwachungs- und Alarmsystemen verwendet. Die beste Stabilität von Thermistoren liegt im Bereich von 0 bis 100 ° C.

Thermistoren haben die Form einer Scheibe (bis zu 18 mm), einer Perle (bis zu 1 mm), einer Folie (Dicke bis zu 0,01 mm) und einer zylindrischen Form (bis zu 40 mm). Mit kleinen Thermistorsensoren können Forscher die Temperatur auch in Zellen und Blutgefäßen messen.

Thermistoren sind hauptsächlich wegen ihrer relativen Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern für die Messung niedriger Temperaturen gefragt. Einige Arten von Thermistoren haben Betriebstemperaturen von bis zu minus 100 ° C.

Grundsätzlich sind Thermistoren komplexe Mehrphasenstrukturen, die bei einer Temperatur von etwa 1200 ° C in Luft aus körnigen Nitraten und Metalloxiden gesintert werden. Am stabilsten bei Temperaturen unter 250 ° C sind NTC-Thermistoren aus Nickel- und Magnesiumoxiden oder Nickel, Magnesium und Kobalt.

Die spezifische Leitfähigkeit eines Thermistors hängt von seiner chemischen Zusammensetzung, dem Oxidationsgrad und der Anwesenheit von Additiven in Form von Metallen wie Natrium oder Lithium ab.

Winzige Perlenthermistoren werden auf zwei Platinanschlüsse aufgebracht und dann mit Glas beschichtet.Bei Scheibenthermistoren werden die Leitungen mit der Platinbeschichtung der Scheibe verlötet.

Der Widerstand von Thermistoren ist höher als der von Widerstandsthermometern, normalerweise liegt er im Bereich von 1 bis 30 kOhm, daher ist hier ein Zweileitersystem geeignet. Die Temperaturabhängigkeit des Widerstands ist nahezu exponentiell.

Scheibenthermistoren sind am besten für einen Bereich von 0 bis 70 ° C innerhalb eines Fehlers von 0,05 ° C austauschbar. Perle - erfordert eine individuelle Kalibrierung des Wandlers für jede Instanz. Thermistoren werden in Flüssigkeitsthermostaten abgestuft und vergleichen ihre Parameter mit einem idealen Platinwiderstandsthermometer in Schritten von 20 ° C im Bereich von 0 bis 100 ° C. Somit wird ein Fehler von nicht mehr als 5 mK erreicht.