Koji je senzor temperature bolji, kriteriji odabira senzora

Ako se prvi put susrećete s problemom odabira senzora za mjerenje temperature, tada bi odabir jeftinog i pouzdanog senzora mogao biti stvarni problem za vas.

Prije svega, potrebno je saznati sljedeće detalje: očekivani temperaturni raspon mjerenja, potrebna točnost, hoće li se senzor nalaziti unutar medija (ako ne, trebat će zračni termometar), uvjeti se pretpostavljaju normalni ili agresivni, je li važna mogućnost periodičnog demontaže senzora, i na kraju, je li potrebno stupnjevanje je u stupnjevima ili je prihvatljivo primiti signal, koji će se zatim pretvoriti u temperaturnu vrijednost.

Ovo nisu neaktivna pitanja, na koja potrošač dobija priliku da odabere sebi prikladniji temperaturni senzor s kojim će njegova oprema raditi na najbolji način. Naravno, nemoguće je jednostavno i nedvosmisleno dati odgovor na pitanje koji je temperaturni senzor bolji, izbor ostaje na potrošaču, prvo upoznavši se sa karakteristikama svake vrste senzora.

Ovdje ćemo dati kratki pregled tri glavne vrste temperaturnih senzora (najčešće): otporni termometar, termistor ili termoelement. U međuvremenu, važno je da potrošač odmah shvati da točnost dobivenih podataka o temperaturi ovisi i o senzoru i o pretvaraču signala - i primarni senzor i pretvarač doprinose neizvjesnosti.

Ponekad pri odabiru uređaja obraćaju pažnju samo na karakteristike pretvarača, zaboravljajući da će različiti senzori dati različite dodatne komponente (ovisno o odabranoj vrsti senzora), što će trebati uzeti u obzir prilikom prijema podataka.

Termometri za otpornost - ako vam je potrebna visoka točnost

U ovom slučaju, senzorski je element film ili žica otpornik, s poznatom ovisnosti otpora od temperature, smješten u keramičkom ili metalnom kućištu. Najpopularnije su platina (visoki temperaturni koeficijent), ali također se koriste nikl i bakar. Raspon i dopuštena odstupanja, kao i standardne ovisnosti otpora o temperaturi za otporne termometre mogu se pronaći čitanjem GOST-a 6651-2009.

Prednost ove vrste termometra je širok raspon temperature, visoka stabilnost, dobra međusobna izmjena. Međutim, posebno otporni na vibracije, termometri za otpornost na platinast film već imaju raspon rada.

Zatvoreni elementi TS proizvode se kao zasebni osjetljivi elementi za minijaturne senzore, međutim, i termometri otpornosti i senzori karakterizirani su jednim relativnim minusom - za rad im je potreban trožilni ili četverožični sustav, tada će mjerenja biti točna.

Pa ipak, glazura brtvenog kućišta trebala bi biti prikladna za odabrane uvjete kako temperaturne fluktuacije ne bi dovele do uništenja brtvenog sloja senzora. Standardna tolerancija termometra od platine nije veća od 0,1 ° C, ali moguće je pojedinačno postupno postizanje točnosti od 0,01 ° C.

Referentni termometri od platine (GOST R 51233-98) imaju veću točnost, točnost doseže 0,002 ° C, ali s njima se mora postupati oprezno, jer ne mogu izdržati tresenje. Osim toga, njihov je trošak deset puta veći od standardnih termometra za otpornost na platinu.

Termometar za otpornost željeza i rodija prikladan je za mjerenja pod kriogenim temperaturama. Nenormalna temperaturna ovisnost legure i nizak TCR omogućuju takvom termometru da radi na temperaturama od 0,5 K do 500 K, a stabilnost na 20 K doseže 0,15 mK / godišnje.

Strukturno osjetljivi element termometra za otpornost je četiri komada spirale postavljenih oko cijevi od aluminijskog oksida, prekrivenih čistim prahom aluminij-oksida. Zavoji su međusobno izolirani, a sama spirala, u principu, otporna je na vibracije. Brtvljenje posebno odabranom glazurom ili cementom na bazi iste glinice. Tipičan raspon za žičane elemente je od -196 ° C do +660 ° C.

Druga inačica elementa (skuplja, koristi se u nuklearnim postrojenjima) šuplja je struktura, koju karakterizira vrlo visoka stabilnost parametara. Element je namotan na metalni cilindar, čija je površina cilindra prekrivena slojem aluminij-oksida. Sam cilindar izrađen je od posebnog metala sličnog koeficijenta toplinske ekspanzije platini. Cijena termometra šupljih elemenata je vrlo visoka.

Treća opcija je tanki filmski element. Tanki sloj platine (reda 0,01 mikrona) nanosi se na keramičku podlogu koja je na vrhu obložena staklom ili epoksidom.

Ovo je najjeftinija vrsta elementa za otporne termometre. Mala veličina i mala težina - glavna je prednost tankoslojnog elementa. Takvi senzori imaju veliki otpor od oko 1 kΩ, što negira problem dvožične veze. Međutim, stabilnost tankih elemenata inferiorna je od žice. Tipičan raspon za elemente filma je od -50 ° C do +600 ° C.

Spirala izrađena od platinaste žice obložene staklom opcija je vrlo skupog termometra za otpornost na žice, koji je izuzetno dobro brtvljen, otporan na visoku vlažnost, ali raspon temperature je relativno uzak.

Termoparovi - za mjerenje visokih temperatura

Princip rada termoelementa otkrio je 1822. Thomas Seebeck, može se opisati na sljedeći način: u vodiču homogenog materijala s nosačima slobodnog naboja, kada se jedan od mjernih kontakata zagrijava, pojavit će se emf. Ili tako: u zatvorenom krugu od različitih materijala, u uvjetima temperaturne razlike između spojeva, dolazi do struje.

Druga formulacija daje točnije razumijevanje. princip termoelementa, dok prvi odražava samu tvorbu termoelektričnosti i ukazuje na ograničenja točnosti povezane s termoelektričnom heterogenošću: za cijelu duljinu termoelektroda odlučujući faktor je prisutnost temperaturnog gradijenta, pa bi uronjenje u medij tijekom kalibracije trebalo biti isto što i budući rad položaj senzora.

Termoparovi pružaju najširi raspon radne temperature i, što je najvažnije, imaju najvišu radnu temperaturu od svih vrsta osjetnika kontaktne temperature. Spoj se može uzemljiti ili dovesti u bliski kontakt s proučavanim objektom. Jednostavno, pouzdano, izdržljivo - ovdje se radi o senzoru koji se temelji na termoelementu. Područja i odstupanja, termoelektrični parametri termoelemenata mogu se pronaći čitanjem GOST-a R 8.585-2001.

Termoparovi također imaju neke jedinstvene nedostatke:

• termoelektrična snaga je nelinearna, što stvara poteškoće u razvoju pretvarača za njih;

• materijal elektroda treba dobro brtviti zbog svoje kemijske inertnosti, zbog ranjivosti na agresivno okruženje;

• termoelektrična heterogenost zbog korozije ili drugih kemijskih procesa, zbog kojih se sastav lagano mijenja, prisiljava na promjenu kalibracije; velika duljina vodiča stvara učinak antene i čini termoelement ranjivim na EM polja;

• Kvaliteta izolacije pretvarača postaje vrlo važan aspekt ako je potrebno da se termoelement s uzemljenim spojem zahtijeva mala inercija.

Plemeniti metalni termoparovi (PP-platina-rodijum-platina, PR-platina-rodij-platina-rodij) odlikuju se najvećom preciznošću, najmanje termoelektričnom heterogenošću od termoelemenata baznih metala. Ovi termoparovi otporni su na oksidaciju, stoga imaju visoku stabilnost.

Na temperaturama do 50 ° C oni praktički daju izlaz od 0, tako da nema potrebe nadzirati temperaturu hladnih spojeva. Trošak je visok, osjetljivost mala - 10 µV / K pri 1000 ° C. Nehomogenost na 1100 ° S - u području od 0,25 ° S. Zagađenje i oksidacija elektroda stvaraju nestabilnost (rodijum se oksidira na temperaturama od 500 do 900 ° C), pa se i dalje pojavljuje električna nehomogenost. Parovi čistih metala (platina-paladij, platina-zlato) imaju bolju stabilnost.

Termoparovi koji se široko koriste u industriji često se izrađuju od baznih metala. Oni su jeftini i otporni na vibracije. Posebno su prikladne elektrode zapečaćene kabelom s mineralnom izolacijom - mogu se instalirati na teškim mjestima. Termoparovi su vrlo osjetljivi, ali termoelektrična heterogenost je nedostatak jeftinih modela - pogreška može doseći 5 ° C.

Periodično umjeravanje opreme u laboratoriju je besmisleno, korisnije je provjeriti termoelement na mjestu ugradnje. Najviše termoelektrično nehomogeni parovi su nisil / nichrosil. Glavna komponenta nesigurnosti uzima u obzir temperaturu hladnog spoja.

Visoke temperature reda od 2500 ° C mjere se termoelemenima volfram-renij. Ovdje je važno ukloniti oksidirajuće faktore zbog kojih se pribjegavaju posebnim zatvorenim poklopcima inertnog plina, kao i na pokrovima od molibdena i tantala s izolacijom magnezijevim oksidom i berilijevim oksidom. I naravno, najvažnije područje primjene volfram-renija su termoparovi za nuklearnu energiju u uvjetima protoka neutrona.

Za termoelemente, naravno, neće biti potreban trožilni ili četverožični sustav, ali bit će potrebno upotrijebiti kompenzacijske i produžne žice, što će omogućiti prijenos signala na 100 metara mjernoj opremi uz minimalne pogreške.

Produžne žice izrađene su od istog metala kao i termoelement, a kompenzacijske (bakrene) žice koriste se za termoparove od plemenitih metala (za platinu). Žice za kompenzaciju postat će izvor nesigurnosti reda 1-2 ° C s velikom temperaturnom razlikom, međutim, za kompenzacijske žice postoji IEC 60584-3 standard.

Termistori - za male temperature i posebne namjene

Termistori Oni su neobični termometri za otpornost, ali ne žičani, ali sinterirani u obliku višefaznih struktura, temeljenih na mješovitim oksidima prijelaznih metala. Njihova glavna prednost je mala veličina, mnoštvo raznih oblika, mala inercija, niski troškovi.

Termistori dolaze s negativnim (NTC) ili pozitivnim (PTC) temperaturnim koeficijentom otpora. Najčešći NTC i RTS koriste se za vrlo uska temperaturna područja (jedinice stupnjeva) u nadzornim i alarmnim sustavima. Najbolja stabilnost termistora je u rasponu od 0 do 100 ° C.

Termistori su u obliku diska (do 18 mm), perli (do 1 mm), filma (debljine do 0,01 mm), cilindričnog (do 40 mm). Mali termistorski senzori omogućavaju istraživačima da mjere temperaturu čak i unutar stanica i krvnih žila.

Termistori su uglavnom potrebni za mjerenje niskih temperatura zbog njihove relativne neosjetljivosti na magnetska polja. Neke vrste termistora imaju radne temperature do minus 100 ° C.

U osnovi, termistori su složene višefazne strukture sinterirane na temperaturi od oko 1200 ° C u zraku iz granuliranih nitrata i metalnih oksida. Najstabilniji na temperaturama ispod 250 ° C su NTC termistori napravljeni od nikljevih i magnezijevih oksida ili nikla, magnezija i kobalta.

Specifična vodljivost termistora ovisi o njegovom kemijskom sastavu, stupnju oksidacije, prisutnosti aditiva u obliku metala poput natrija ili litija.

Sitni termistori zrnca nanose se na dva platinasta terminala, a zatim obloženi staklom.Za diskovne termistore, vodiči su lemljeni prema platinastom omotaču diska.

Otpor termistora veći je od otpornih termometra, obično leži u rasponu od 1 do 30 kOhm, tako da je ovdje prikladan dvožični sustav. Temperaturna ovisnost otpora blizu je eksponencijalne.

Diskovni termistori najbolje su zamjenjivi u rasponu od 0 do 70 ° C unutar pogreške 0,05 ° C. Kuglice - zahtijevaju pojedinačno umjeravanje pretvornika za svaki primjerak. Termistori su diplomirani u tekućim termostatima, uspoređujući njihove parametre s idealnim terminalom otpornosti na platinu u koracima od 20 ° C u rasponu od 0 do 100 ° C. Tako se postiže pogreška ne veća od 5 mK.