Кой датчик за температура е по-добър, критерии за избор на сензор

Ако за първи път се сблъсквате с проблема с избора на сензор за измерване на температура, тогава изборът на евтин и надежден сензор може да бъде истински проблем за вас.

На първо място е необходимо да се открият следните подробности: очаквания температурен диапазон на измерванията, необходимата точност, дали сензорът ще бъде разположен вътре в средата (ако не, ще е необходим радиационен термометър), условията се приемат за нормални или агресивни, важна ли е възможността за периодично демонтиране на сензора и накрая, необходимо ли е градуирането е в градуси или е приемливо да се получи сигнал, който след това ще бъде преобразуван в температурна стойност.

Това не са празни въпроси, в отговор на които потребителят получава възможност да избере за себе си по-подходящ сензор за температура, с който неговото оборудване ще работи по най-добрия начин. Разбира се, невъзможно е просто и недвусмислено да се даде отговор на въпроса кой датчик за температура е по-добър, изборът остава да се направи на потребителя, като първо се запознае с характеристиките на всеки тип сензор.

Тук ще дадем кратък преглед на трите основни типа сензори за температура (най-често срещаните): термометър за съпротивление, термистор или термодвойка. Междувременно е важно потребителят веднага да разбере, че точността на получените данни за температурата зависи както от сензора, така и от преобразувателя на сигнала - и първичният сензор, и преобразувателят допринасят за несигурността.

Понякога, когато избират устройства, те обръщат внимание само на характеристиките на преобразувателя, забравяйки, че различните сензори ще дадат различни допълнителни компоненти (в зависимост от избрания тип сензор), което ще трябва да се вземе предвид при получаване на данни.

Устойчиви термометри - ако имате нужда от висока точност

В този случай чувствителният елемент е филмов или теленен резистор, с известна зависимост на съпротивлението от температура, поставен в керамичен или метален корпус. Най-популярни са платината (висок температурен коефициент), но се използват и никел и мед. Диапазони и допустими отклонения, както и стандартни зависимости на устойчивост на температура за термометри за съпротивление могат да бъдат намерени, като прочетете GOST 6651-2009

Предимството на този тип термометри е широк температурен диапазон, висока стабилност, добра взаимозаменяемост. Особено устойчиви на вибрации, термометрите за устойчивост на платинен филм обаче, те вече имат работен обхват.

Запечатаните елементи на TS се произвеждат като отделни чувствителни елементи за миниатюрни сензори, но както термометрите за съпротивление, така и сензорите се характеризират с един относителен минус - те изискват трижилна или четирижилна система за работа, тогава измерванията ще бъдат точни.

И въпреки това глазурата на уплътнителния калъф трябва да е подходяща за избраните условия, така че температурните колебания да не доведат до разрушаване на уплътняващия слой на сензора. Стандартният допуск на платиновите термометри не е повече от 0,1 ° C, но е възможно отделно градуиране да се постигне точност от 0,01 ° C.

Референтните платинови термометри (GOST R 51233-98) имат по-висока точност, точността им достига 0,002 ° C, но с тях трябва да се работи внимателно, тъй като не могат да издържат на разклащане. Освен това цената им е десет пъти по-висока от стандартните термометри за устойчивост на платина.

Термометър за устойчивост на желязо-родий е подходящ за измервания при криогенни температури. Ненормалната температурна зависимост на сплавта и ниският TCR позволяват на такъв термометър да работи при температури от 0,5 К до 500 К, а стабилността при 20 К достига 0,15 mK / година.

Структурно чувствителният елемент на термометъра за съпротивление е четири парчета спирала, поставени около тръба от алуминиев оксид, покрита с чист алуминиев оксиден прах. Завоите са изолирани един от друг, а самата спирала по принцип е устойчива на вибрации. Запечатване със специално подбрана глазура или цимент на базата на същия алуминиев оксид. Типичен диапазон за телените елементи е от -196 ° C до +660 ° C.

Втората версия на елемента (по-скъпа, използвана в ядрени съоръжения) е куха структура, характеризираща се с много висока стабилност на параметрите. Елемент е навит върху метален цилиндър, като повърхността на цилиндъра е покрита със слой алуминиев оксид. Самият цилиндър е направен от специален метал, подобен по коефициент на термично разширение на платина. Цената на термометрите за кухи елементи е много висока.

Третият вариант е тънкослоен елемент. На керамичния субстрат се нанася тънък слой платина (от порядъка на 0,01 микрона), който отгоре е покрит със стъкло или епоксид.

Това е най-евтиният тип елемент за термометри за съпротивление. Малък размер и леко тегло - основното предимство на тънкослойния елемент. Такива сензори имат високо съпротивление от около 1 kΩ, което отменя проблема с двупроводната връзка. Въпреки това, стабилността на тънките елементи е по-ниска от жица. Типичен диапазон за филмови елементи е от -50 ° C до +600 ° C.

Спирала, изработена от платинена тел, покрита със стъкло, е опция за много скъп термометър за устойчивост на тел, който е изключително добре запечатан, устойчив на висока влажност, но температурният диапазон е сравнително тесен.

Термодвойки - за измерване на високи температури

Принципът на работа на термодвойката е открит през 1822 г. от Томас Зеебек, може да се опише по следния начин: в проводника на хомогенен материал с носители на свободен заряд при нагряване на един от измервателните контакти ще се появи емф. Или така: в затворена верига от различни материали при условия на разлика в температурата между съединенията възниква ток.

Втората формулировка осигурява по-точно разбиране. принцип на термодвойката, докато първият отразява самата същност на генерирането на термоелектричеството и посочва ограниченията на точността, свързани с термоелектричната хетерогенност: за цялата дължина на термоелектрода решаващият фактор е наличието на температурен градиент, така че потапянето в средата по време на калибриране трябва да бъде същото като бъдещата работа положение на сензора.

Термодвойките осигуряват най-широк диапазон на работната температура и най-важното - имат най-високата работна температура от всички видове сензори за контактна температура. Връзката може да бъде заземена или доведена в близък контакт с изследвания обект. Прост, надежден, издръжлив - става въпрос за сензор, базиран на термодвойка. Диапазони и допустими отклонения, термоелектрични параметри на термодвойките могат да бъдат намерени, като прочетете GOST R 8.585-2001.

Термодвойките също имат някои уникални недостатъци:

• термоелектрическата мощност е нелинейна, което създава трудности при разработването на преобразуватели за тях;

• материалът на електродите се нуждае от добро уплътняване поради химическата им инертност, поради тяхната уязвимост към агресивни среди;

• термоелектрична хетерогенност поради корозия или други химични процеси, поради които съставът се променя леко, принуждава да промени калибрирането; голямата дължина на проводниците поражда ефекта на антената и прави термодвойката уязвима за ЕМ полета;

• Качеството на изолацията на предавателя става много важен аспект, ако се изисква ниска инерция от термодвойка със заземен кръстовище.

Благородните метални термодвойки (PP-платина-родий-платина, PR-платина-родий-платина-родий) се характеризират с най-висока точност, най-малко термоелектрична хетерогенност в сравнение с термодвойките на базовите метали. Тези термодвойки са устойчиви на окисляване, поради което имат висока стабилност.

При температури до 50 ° C те на практика дават мощност 0, така че не е необходимо да се следи температурата на студените кръстовища. Цената е висока, чувствителността е ниска - 10 μV / K при 1000 ° C. Нехомогенност при 1100 ° С - в района на 0,25 ° С. Замърсяването и окисляването на електродите създават нестабилност (родий се окислява при температури от 500 до 900 ° С), поради което все още се появява електрическа нехомогенност. Двойките от чисти метали (платина-паладий, платина-злато) имат по-добра стабилност.

Термодвойките, които се използват широко в промишлеността, често са изработени от основни метали. Те са евтини и устойчиви на вибрации. Особено удобни са електродите, запечатани с кабел с минерална изолация - те могат да бъдат монтирани на трудни места. Термодвойките са силно чувствителни, но термоелектричната хетерогенност е недостатък на евтините модели - грешката може да достигне 5 ° C.

Периодичното калибриране на оборудването в лабораторията е безсмислено, по-полезно е да проверите термодвойката на мястото на инсталиране. Най-термоелектрично нехомогенните двойки са низил / нихрозил. Основният компонент на несигурността е отчитането на температурата на студения възел.

Високите температури от порядъка на 2500 ° C се измерват с волфрамово-рениеви термодвойки. Тук е важно да се елиминират окислителните фактори, за които те прибягват до специални запечатани капаци от инертен газ, както и до молибденови и танталови капаци с изолация с магнезиев оксид и берилиев оксид. И разбира се, най-важната област на приложение на волфрам-рений са термодвойките за ядрена енергия при неутронни потоци.

За термодвойките, разбира се, няма да е необходима трижилна или четирипроводна система, но ще е необходимо да се използват компенсационни и удължителни проводници, което ще позволи сигналът да се предава на 100 метра към измервателното оборудване с минимални грешки.

Удължителните проводници са направени от същия метал като термодвойката, а компенсационните (медни) проводници се използват за термодвойки, изработени от благородни метали (за платина). Компенсационните проводници ще се превърнат в източник на несигурност от порядъка на 1-2 ° C с голяма температурна разлика, но има стандарт IEC 60584-3 за компенсационни проводници.

Термистори - за малки температурни диапазони и специални приложения

термистори Те са своеобразни термометри за устойчивост, но не телени, а синтеровани под формата на многофазни структури, базирани на смесени оксиди на преходните метали. Основното им предимство е малък размер, разнообразие от различни форми, ниска инерция, ниска цена.

Термисторите влизат в отрицателен (NTC) или положителен (PTC) температурен коефициент на съпротивление. Най-често NTC и RTS се използват за много тесни температурни диапазони (единици градуси) в мониторинговите и алармените системи. Най-добрата стабилност на термисторите е в диапазона от 0 до 100 ° C.

Термисторите са под формата на диск (до 18 мм), мъниста (до 1 мм), филм (дебелина до 0,01 мм), цилиндричен (до 40 мм). Малките термисторни сензори позволяват на изследователите да измерват температурата дори в клетките и кръвоносните съдове.

Термисторите са търсещи главно за измерване на ниски температури поради тяхната относителна нечувствителност към магнитните полета. Някои видове термистори имат работна температура до минус 100 ° C.

По принцип термисторите са сложни многофазни структури, спечени при температура от около 1200 ° C във въздуха от гранулирани нитрати и метални оксиди. Най-стабилните при температури под 250 ° C са NTC термисторите, изработени от никелови и магнезиеви оксиди или никел, магнезий и кобалт.

Специфичната проводимост на термистора зависи от неговия химичен състав, от степента на окисляване, от наличието на добавки под формата на метали като натрий или литий.

Термисторите за мъниста мъниста се прилагат върху два платинени терминала, след което са покрити със стъкло.За дисковите термистори проводниците са споени към платиновото покритие на диска.

Съпротивлението на термисторите е по-високо от това на термометрите за съпротивление, обикновено то лежи в диапазона от 1 до 30 kOhm, така че тук е подходяща двужилна система. Температурната зависимост на съпротивлението е близка до експоненциална.

Дисковите термистори са най-добре взаимозаменяеми за обхват от 0 до 70 ° C при грешка 0,05 ° C. Мъниста - изискват индивидуално калибриране на датчика за всеки случай. Термисторите са градуирани в течни термостати, сравнявайки параметрите им с идеален термометър за устойчивост на платина на стъпки от 20 ° C в диапазона от 0 до 100 ° C. По този начин се постига грешка не повече от 5 mK.