Температурен сензор ( NTC / RTD ) концепция, развитие и класификация

аз. Основни понятия за температурен датчик
1. температура
Температурата е физическа величина, която показва степента на топлина или студ на даден обект. Микроскопски, това е интензитетът на топлинното движение на молекулите на даден обект. Колкото по -висока е температурата, толкова по-интензивно е топлинното движение на молекулите вътре в обекта.

Температурата може да бъде измерена само индиректно чрез определени характеристики на даден обект, които се променят с температурата, а скалата, използвана за измерване на температурната стойност на даден обект, се нарича температурна скала. Той определя началната точка (нулева точка) на отчитането на температурата и основната единица за измерване на температурата. Международната единица е термодинамичната скала (К). Други температурни скали, които в момента се използват повече в международен план, са скалата на Фаренхайт (°F), скалата на Целзий (°C) и международната практическа температурна скала.

От гледна точка на теорията на молекулярното движение, температурата е знак за средната кинетична енергия на молекулярното движение на обект. Температурата е колективният израз на топлинното движение на голям брой молекули и съдържа статистическа значимост.

Симулационна диаграма: В затворено пространство, скоростта на движение на газовите молекули при високи температури е по-бърза от тази при ниски температури!

NTC температурен сензор с комплект сонда от неръждаема стоманена тръба

NTC температурен сензор с ABS корпус сонда проводник 105°

NTC температурен сензор с термистор SEMITEC

2. Температурен сензор
Температурният сензор се отнася до сензор, който може да усети температура и да я преобразува в използваем изходен сигнал. Това е важно устройство за откриване и контрол на температурата. Сред голямото разнообразие от сензори, температурните сензори са едни от най-широко използваните и най-бързо развиващите се сензори. В процеса на автоматизация на промишленото производство, точките за измерване на температура представляват около половината от всички точки за измерване.

3. Състав на температурни сензори

II. Разработка на температурни сензори
Възприятието за топлина и студ е в основата на човешкия опит, но намирането на начин за измерване на температурата е спънало много велики хора. Не е ясно дали древните гърци или китайците първи са намерили начин за измерване на температурата, но има записи, че историята на температурните сензори започва през Ренесанса.

Започваме с предизвикателствата, пред които е изправено измерването на температурата, и след това представя историята на развитието на температурните сензори от различни аспекти [Източник: OMEGA Бяла книга за индустриални измервания]:

1. Предизвикателства на измерването
Топлината се използва за измерване на енергията, съдържаща се в едно цяло или обект. Колкото по-голяма е енергията, толкова по-висока е температурата. Въпреки това, за разлика от физически свойства като маса и дължина, топлината е трудно да се измери директно, така че повечето методи за измерване са индиректни, и температурата се определя чрез наблюдение на ефекта от нагряването на обекта. Следователно, стандартът за измерване на топлина винаги е бил предизвикателство.

в 1664, Робърт Хук предложи да се използва точката на замръзване на водата като отправна точка за температурата. Оле Реймер смята, че трябва да се определят две фиксирани точки, и той избра точката на замръзване на Хук и точката на кипене на водата. Въпреки това, как да се измери температурата на горещи и студени предмети винаги е било проблем. През 19 век, учени като Гей-Люсак, който е изучавал закона за газа, установи, че когато газ се нагрява под постоянно налягане, температурата се повишава с 1 градуса по Целзий и обемът се увеличава с 1/267 (по-късно преработен на 1/273.15), и концепцията за 0 получени са градуса -273,15 ℃.

2. Наблюдавайте разширението: течности и биметали
Според докладите, Смята се, че Галилео е направил устройство, което показва температурните промени наоколо 1592. Това устройство влияе върху водния стълб, като контролира свиването на въздуха в контейнер, а височината на водния стълб показва степента на охлаждане. Но тъй като това устройство лесно се влияе от въздушното налягане, може да се разглежда само като нова играчка.

Термометърът, както го познаваме, е изобретен от Санторио Сантори в Италия през 1612. Той затвори течността в стъклена тръба и наблюдава движението й, когато се разшири.

Поставянето на някои скали върху тръбата улесни виждането на промените, но системата все още нямаше точни единици. С Раймър работеше Габриел Фаренхайт. Той започва да произвежда термометри, използвайки алкохол и живак като течности. Меркурий беше перфектен, защото имаше линейна реакция на температурни промени в широк диапазон, но беше силно токсичен, така че сега се използва все по-малко. Проучват се други алтернативни течности, но все още се използва широко.

Биметалният температурен сензор е изобретен в края на 1800 г. Той се възползва от неравномерното разширение на два метални листа, когато са съединени. Промяната на температурата води до огъване на металните листове, който може да се използва за активиране на термостат или измервателен уред, подобен на тези, използвани в газовите решетки. Точността на този сензор не е висока, може би плюс или минус два градуса, но също така е широко използван поради ниската си цена.

3. Термоелектричен ефект
В началото на 1800г, електричеството беше вълнуващо поле. Учените откриха, че различните метали имат различно съпротивление и проводимост. в 1821, Томас Йохан Зеебек открива термоелектричния ефект, което е, че различни метали могат да бъдат свързани заедно и поставени при различни температури, за да генерират напрежение. Дейви демонстрира връзката между металното съпротивление и температурата. Бекерел предложи използването на платинено-платинени термодвойки за измерване на температурата, и действителното устройство е създадено от Леополд през 1829. Платината може да се използва и в съпротивителни температурни детектори, изобретен от Майерс през 1932. Той е един от най-точните сензори за измерване на температура.

Теличните RTD са крехки и следователно неподходящи за индустриални приложения. През последните години се наблюдава развитие на тънкослойни RTD, които не са толкова точни, колкото телените RTD, но са по-здрави. През 20-ти век са открити и полупроводникови устройства за измерване на температурата. Полупроводниковите устройства за измерване на температура реагират на температурни промени и имат висока точност, но до скоро, липсва им линейност.

4. Топлинно излъчване
Много горещите метали и разтопените метали генерират топлина, излъчващи топлина и видима светлина. При по-ниски температури, те също излъчват топлинна енергия, но с по-дълги дължини на вълните. Британският астроном Уилям Хершел откри през 1800 че това “размит” светлина или инфрачервена светлина генерира топлина.

Работи със сънародника си Мелони, Робели откри начин да открие тази лъчиста енергия чрез свързване на термодвойки последователно, за да създаде термобатарея. Това беше последвано 1878 от болометъра. Изобретен от американеца Самуел Лангли, това използва две платинени ленти, един почернен в подреждане на мост с едно рамо. Нагряването чрез инфрачервено лъчение доведе до измерима промяна в съпротивлението. Болометрите са чувствителни към широк диапазон от инфрачервени дължини на вълните.

В контраст, устройства от типа радиационен квантов детектор, който е разработен от 1940 г, реагира само на инфрачервена светлина в ограничена лента. Днес, евтините пирометри са широко използвани, и ще става все повече с падането на цените на термовизионните камери.

5. Температурна скала
Когато Фаренхайт направи термометъра, той осъзна, че има нужда от температурна скала. Той постави 30 градуса солена вода като точка на замръзване и повече 180 градуса солена вода като точка на кипене. 25 години по-късно, Андерс Целзий предложи да се използва скала от 0-100, и днешния “Целзий” също е кръстен на него.

по-късно, Уилям Томсън откри ползите от поставянето на фиксирана точка в единия край на скалата, и тогава Келвин предложи да се постави 0 градуса като начална точка на системата по Целзий. Това формира температурната скала на Келвин, използвана в науката днес.

III. Класификация на температурните сензори
Има много видове температурни сензори, и имат различни имена според различни класификационни стандарти.

1. Класификация по метод на измерване
Според метода на измерване, те могат да бъдат разделени на две категории: контактни и безконтактни.

(1) Контактен температурен датчик:

Сензорът директно контактува с обекта, който трябва да се измери, за да измери температурата. Тъй като топлината на обекта, който ще се измерва, се предава на сензора, температурата на измервания обект се намалява. В частност, когато топлинният капацитет на измервания обект е малък, точността на измерване е ниска. Следователно, предпоставката за измерване на истинската температура на даден обект по този начин е топлинният капацитет на измервания обект да е достатъчно голям.

(2) Безконтактен температурен датчик:
Той използва главно инфрачервеното лъчение, излъчвано от топлинното излъчване на измервания обект, за да измери температурата на обекта, и може да се измерва дистанционно. Производствената му цена е висока, но точността на измерване е ниска. Предимствата са, че не поема топлина от измервания обект; не пречи на температурното поле на измервания обект; непрекъснатото измерване не генерира потребление; има бърза реакция, и т.н.

2. Класификация според различни физични явления
Освен това, има сензори за микровълнова температура, сензори за шумова температура, температурна карта температурни сензори, топломери, струйни термометри, термометри с ядрено-магнитен резонанс, Термометри с ефект на Мосбауер, Термометри с ефект на Джоузефсон, нискотемпературни свръхпроводящи преобразуващи термометри, температурни сензори с оптични влакна, и т.н. Някои от тези температурни сензори са приложени, а някои все още са в процес на разработка.

Водоустойчив, антикорозионен RTD PT100 температурен сензор

RTD PT100 Температурен сензор с 1-2 NPT външна резбова връзка

PT100 Температурен сензор RTD сонда с 6 инчова дължина на сондата

100 Платинен елемент Ohm клас A (PT100)
Температурен коефициент, a = 0.00385.
304 Обвивка от неръждаема стомана
Здраво преходно съединение с облекчаване на напрежението
Дължина на сондата – 6 Инчове (152 мм) или 12 Инчове (305мм)
Диаметър на сондата 1/8 инч (3 мм)
Три проводника 72 Инч (1.8м) Водещ проводник, завършващ в накрайници
Температурен рейтинг : 660°F (350°C)

Серията PT100 са RTD сонди с обвивка от неръждаема стомана и 100 ом платинен RTD елемент. PT100-11 се предлагат с 6 или 12 инчова дължина на сондата. Тези сонди имат обвивка с диаметър 3 mm, изработена от 304 неръждаема стомана, тежкотоварна преходна връзка, която свързва сондата с водещите проводници и 72 инча оловен проводник, завършващ с цветно кодирани накрайници. Сензорен елемент от клас А се използва за осигуряване на измервания с висока точност.

Сондата PT100 е много подходяща за индустриални среди. RTD са сензори, базирани на съпротивление, така че електрическият шум има минимален ефект върху качеството на сигнала. Трижичният дизайн на кабела компенсира съпротивлението на проводника, позволявайки по-дълги проводници без значително въздействие върху точността. Здравата преходна връзка с облекчаване на напрежението на пружинния проводник осигурява изключително механично здрава връзка между проводника и сондата.