Welke temperatuursensor is beter, selectiecriteria sensor

Als dit de eerste keer is dat u de keuze van een sensor voor het meten van de temperatuur tegenkomt, kan het kiezen van een goedkope en betrouwbare sensor een echt probleem voor u zijn.

Allereerst is het noodzakelijk om de volgende details te weten te komen: het verwachte temperatuurbereik van de metingen, de vereiste nauwkeurigheid, of de sensor zich in het medium zal bevinden (zo niet, een stralingsthermometer is nodig), de omstandigheden zijn normaal of agressief, is de mogelijkheid van periodieke demontage van de sensor belangrijk en ten slotte is het noodzakelijk de schaalverdeling is in graden of het is acceptabel om een ​​signaal te ontvangen, dat vervolgens wordt omgezet in een temperatuurwaarde.

Dit zijn geen loze vragen, waarop de consument de kans krijgt om zelf een geschiktere temperatuursensor te kiezen waarmee zijn apparatuur op de beste manier werkt. Het is natuurlijk onmogelijk om eenvoudig en ondubbelzinnig een antwoord te geven op de vraag welke temperatuursensor beter is, de keuze moet nog worden gemaakt aan de consument, nadat hij eerst vertrouwd is geraakt met de kenmerken van elk type sensor.

Hier geven we een kort overzicht van de drie belangrijkste soorten temperatuursensoren (de meest voorkomende): weerstandsthermometer, thermistor of thermokoppel. Ondertussen is het belangrijk voor de consument om onmiddellijk te begrijpen dat de nauwkeurigheid van de verkregen temperatuurgegevens afhankelijk is van zowel de sensor als de signaalomvormer - zowel de primaire sensor als de omzetter dragen bij aan de onzekerheid.

Soms, bij het kiezen van apparaten, letten ze alleen op de kenmerken van de converter, waarbij ze vergeten dat verschillende sensoren verschillende extra componenten zullen geven (afhankelijk van het geselecteerde type sensor), waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontvangen van gegevens.

Weerstandsthermometers - als u een hoge nauwkeurigheid nodig hebt

In dit geval is het detectie-element een film- of draadweerstand, met een bekende afhankelijkheid van de weerstand op temperatuur, geplaatst in een keramische of metalen behuizing. De meest populaire zijn platina (hoge temperatuurcoëfficiënt), maar ook nikkel en koper worden gebruikt. Bereik en toleranties, evenals standaardafhankelijkheid van weerstand tegen temperatuur voor weerstandsthermometers, zijn te vinden door GOST 6651-2009 te lezen.

Het voordeel van dit type thermometers is een breed temperatuurbereik, hoge stabiliteit, goede uitwisselbaarheid. Vooral weerstand tegen trillingen, platinafilmweerstandsthermometers, ze hebben echter al een werkbereik.

Afgedichte elementen van de TS worden geproduceerd als afzonderlijke gevoelige elementen voor miniatuursensoren, maar zowel weerstandsthermometers als sensoren worden gekenmerkt door één relatieve min - ze vereisen een drie- of vierdraadssysteem voor werking, dan zijn de metingen nauwkeurig.

En toch moet het glazuur van de afdichtingskast geschikt zijn voor de geselecteerde omstandigheden, zodat temperatuurschommelingen niet leiden tot de vernietiging van de afdichtingslaag van de sensor. De standaardtolerantie van platinathermometers is niet meer dan 0,1 ° C, maar individuele graduatie is mogelijk om een ​​nauwkeurigheid van 0,01 ° C te bereiken.

Referentie platinathermometers (GOST R 51233-98) hebben een hogere nauwkeurigheid, hun nauwkeurigheid bereikt 0,002 ° C, maar ze moeten voorzichtig worden gehanteerd, omdat ze niet kunnen schudden. Bovendien zijn hun kosten tien keer hoger dan standaard platina weerstandsthermometers.

Een ijzer-rhodium weerstandsthermometer is geschikt voor metingen onder cryogene temperaturen. De abnormale temperatuurafhankelijkheid van de legering en de lage TCR maken het mogelijk dat een dergelijke thermometer werkt bij temperaturen van 0,5 K tot 500 K en de stabiliteit bij 20 K bereikt 0,15 mK / jaar.

Het structureel gevoelige element van de weerstandsthermometer is vier stukken spiraal die rond een aluminiumoxidebuis zijn gelegd, bedekt met puur aluminiumoxidepoeder. De bochten zijn geïsoleerd van elkaar en de spiraal zelf is in principe trillingsbestendig. Afdichting met speciaal geselecteerd glazuur of cement op basis van hetzelfde aluminiumoxide. Een typisch bereik voor draadelementen is van -196 ° C tot +660 ° C.

De tweede versie van het element (duurder, gebruikt in nucleaire installaties) is een holle structuur, gekenmerkt door een zeer hoge stabiliteit van parameters. Een element wordt op een metalen cilinder gewikkeld, waarbij het oppervlak van de cilinder wordt bedekt met een laag aluminiumoxide. De cilinder zelf is gemaakt van een speciaal metaal vergelijkbaar in thermische uitzettingscoëfficiënt als platina. De kosten van holle elementthermometers zijn zeer hoog.

De derde optie is een dunne-filmelement. Een dunne laag platina (in de orde van 0,01 micron) wordt op het keramische substraat aangebracht, dat bovenop wordt bedekt met glas of epoxy.

Dit is het goedkoopste type element voor weerstandsthermometers. Klein formaat en licht gewicht - het belangrijkste voordeel van een dunne-filmelement. Dergelijke sensoren hebben een hoge weerstand van ongeveer 1 kΩ, wat het probleem van een tweedraadsverbinding teniet doet. De stabiliteit van dunne elementen is echter slechter dan draad. Een typisch bereik voor filmelementen is van -50 ° C tot +600 ° C

Een spiraal van platinadraad gecoat met glas is een optie van een zeer dure draadweerstandsthermometer, die extreem goed is afgedicht, bestand tegen hoge vochtigheid, maar het temperatuurbereik is relatief smal.

Thermokoppels - voor het meten van hoge temperaturen

Het werkingsprincipe van het thermokoppel werd in 1822 ontdekt door Thomas Seebeck, het kan als volgt worden beschreven: in de geleider van een homogeen materiaal met vrije ladingdragers zal een emf verschijnen als een van de meetcontacten wordt verwarmd. Of zo: in een gesloten circuit van ongelijke materialen, onder omstandigheden van een temperatuurverschil tussen de knooppunten, treedt een stroom op.

De tweede formulering biedt een nauwkeuriger begrip. thermokoppel principe, terwijl de eerste de essentie van het genereren van thermo-elektriciteit weerspiegelt, en de nauwkeurigheidsbeperkingen aangeeft die verband houden met thermo-elektrische heterogeniteit: voor de gehele lengte van de thermo-elektrode is de beslissende factor de aanwezigheid van een temperatuurgradiënt, dus onderdompeling in het medium tijdens kalibratie moet hetzelfde zijn als de toekomstige werking sensor positie.

Thermokoppels bieden het breedste bedrijfstemperatuurbereik en, belangrijker nog, hebben de hoogste bedrijfstemperatuur van alle soorten contacttemperatuursensoren. De kruising kan worden geaard of in nauw contact worden gebracht met het bestudeerde object. Eenvoudig, betrouwbaar, duurzaam - dit gaat over een sensor op basis van een thermokoppel. Bereik en toleranties, thermo-elektrische parameters van thermokoppels kunnen worden gevonden door GOST R 8.585-2001 te lezen.

Thermokoppels hebben ook enkele unieke nadelen:

• de thermo-elektrische energie is niet-lineair, wat moeilijkheden oplevert bij de ontwikkeling van converters voor hen;

• het materiaal van de elektroden heeft een goede afdichting nodig vanwege hun chemische inertie, vanwege hun kwetsbaarheid voor agressieve omgevingen;

• thermo-elektrische heterogeniteit als gevolg van corrosie of andere chemische processen, waardoor de samenstelling enigszins verandert, dwingt om de kalibratie te veranderen; de grote lengte van de geleiders veroorzaakt het effect van de antenne en maakt het thermokoppel kwetsbaar voor EM-velden;

• De isolatiekwaliteit van de zender wordt een zeer belangrijk aspect als lage traagheid vereist is van een thermokoppel met een geaarde aansluiting.

Edelmetaal-thermokoppels (PP-platina-rhodium-platina, PR-platina-rhodium-platina-rhodium) worden gekenmerkt door de hoogste nauwkeurigheid, de minste thermo-elektrische heterogeniteit dan thermokoppels van onedele metalen. Deze thermokoppels zijn bestand tegen oxidatie en hebben daarom een ​​hoge stabiliteit.

Bij temperaturen tot 50 ° C geven ze praktisch een output van 0, dus het is niet nodig om de temperatuur van koude knooppunten te controleren. De kosten zijn hoog, de gevoeligheid is laag - 10 μV / K bij 1000 ° C. Inhomogeniteit bij 1100 ° С - in de regio van 0,25 ° С. Verontreiniging en oxidatie van de elektroden veroorzaken instabiliteit (rhodium wordt geoxideerd bij temperaturen van 500 tot 900 ° C) en daarom blijft elektrische inhomogeniteit nog steeds aanwezig. Paren zuivere metalen (platina-palladium, platina-goud) hebben een betere stabiliteit.

Thermokoppels die op grote schaal worden gebruikt in de industrie zijn vaak gemaakt van onedele metalen. Ze zijn goedkoop en bestand tegen trillingen. Vooral handig zijn elektroden verzegeld met een kabel met minerale isolatie - ze kunnen op moeilijke plaatsen worden geïnstalleerd. Thermokoppels zijn zeer gevoelig, maar thermo-elektrische heterogeniteit is een nadeel van goedkope modellen - de fout kan 5 ° C bereiken.

Periodieke kalibratie van apparatuur in het laboratorium is zinloos; het is nuttiger om het thermokoppel te controleren op de plaats van installatie. De meest thermo-elektrisch inhomogene paren zijn nisil / nichrosil. Het belangrijkste onderdeel van onzekerheid is rekening houden met de temperatuur van de koude overgang.

Hoge temperaturen in de orde van 2500 ° C worden gemeten door wolfraam-renium-thermokoppels. Het is hier belangrijk om oxidatieve factoren te elimineren, waarvoor ze hun toevlucht nemen tot speciale afgedichte afdekkingen met inert gas, evenals molybdeen- en tantaalafdekkingen met isolatie met magnesiumoxide en berylliumoxide. En natuurlijk is het belangrijkste toepassingsgebied van wolfraam-renium thermokoppels voor kernenergie onder neutronenfluxomstandigheden.

Voor thermokoppels is natuurlijk geen drie- of vierdraadssysteem vereist, maar het zal nodig zijn om compensatie- en verlengingskabels te gebruiken waarmee het signaal met minimale fouten 100 meter naar de meetapparatuur kan worden verzonden.

Verlengdraden zijn gemaakt van hetzelfde metaal als het thermokoppel en compensatie (koper) draden worden gebruikt voor edelmetaal thermokoppels (voor platina). Compensatiedraden worden een bron van onzekerheid in de orde van 1-2 ° C met een groot temperatuurverschil, maar er is een IEC 60584-3-norm voor compensatiedraden.

Thermistors - voor kleine temperatuurbereiken en speciale toepassingen

thermistors Het zijn bijzondere weerstandsthermometers, maar geen draadmeters, maar gesinterd in de vorm van meerfasige structuren, gebaseerd op gemengde overgangsmetaaloxiden. Hun belangrijkste voordeel is kleine maten, een verscheidenheid aan verschillende vormen, lage traagheid, lage kosten.

Thermistors hebben een negatieve (NTC) of positieve (PTC) temperatuurcoëfficiënt. De meest voorkomende NTC en RTS worden gebruikt voor zeer nauwe temperatuurbereiken (graden van graden) in bewakings- en alarmsystemen. De beste stabiliteit van thermistors ligt in het bereik van 0 tot 100 ° C.

Thermistors zijn in de vorm van schijf (tot 18 mm), kraal (tot 1 mm), film (dikte tot 0,01 mm), cilindrisch (tot 40 mm). Met kleine thermistor-sensoren kunnen onderzoekers de temperatuur meten, zelfs in cellen en bloedvaten.

Thermistoren zijn vooral in trek voor het meten van lage temperaturen vanwege hun relatieve ongevoeligheid voor magnetische velden. Sommige soorten thermistors hebben bedrijfstemperaturen tot min 100 ° C.

In principe zijn thermistoren complexe meerfasige structuren gesinterd bij een temperatuur van ongeveer 1200 ° C in lucht uit korrelige nitraten en metaaloxiden. De meest stabiele bij temperaturen onder 250 ° C zijn NTC-thermistors gemaakt van nikkel en magnesiumoxiden of nikkel, magnesium en kobalt.

De specifieke geleidbaarheid van een thermistor hangt af van zijn chemische samenstelling, van de oxidatiegraad, van de aanwezigheid van additieven in de vorm van metalen zoals natrium of lithium.

Tiny bead thermistors worden aangebracht op twee platina-aansluitingen en vervolgens gecoat met glas.Voor schijfthermistoren worden de leidingen gesoldeerd aan de platinabekleding van de schijf.

De weerstand van thermistors is hoger dan die van weerstandsthermometers, meestal ligt deze in het bereik van 1 tot 30 kOhm, dus een tweedraads systeem is hier geschikt. De temperatuurafhankelijkheid van de weerstand is bijna exponentieel.

Schijfthermistoren zijn het best uitwisselbaar voor een bereik van 0 tot 70 ° C binnen een fout van 0,05 ° C. Kraal - vereist individuele kalibratie van de transducer voor elke instantie. Thermistors zijn gegradueerd in vloeistofthermostaten en vergelijken hun parameters met een ideale platinaweerstandsthermometer in stappen van 20 ° C in het bereik van 0 tot 100 ° C. Aldus wordt een fout van niet meer dan 5 mK bereikt.