Senzor temperature ( NTC / RTD ) koncept, razvoj i klasifikacija

I. Osnovni koncepti senzora temperature
1. Temperatura
Temperatura je fizička veličina koja označava stepen topline ili hladnoće nekog predmeta. Mikroskopski, to je intenzitet toplotnog kretanja molekula nekog objekta. Što je temperatura viša, što je toplinsko kretanje molekula unutar objekta intenzivnije.

Temperatura se može mjeriti samo indirektno kroz određene karakteristike objekta koje se mijenjaju s temperaturom, a skala koja se koristi za mjerenje vrijednosti temperature nekog objekta naziva se temperaturna skala. On određuje početnu tačku (nultu tačku) očitanja temperature i osnovne jedinice za mjerenje temperature. Međunarodna jedinica je termodinamička skala (K). Druge temperaturne skale koje se trenutno više koriste na međunarodnom nivou su Farenhajtova skala (°F), Celzijusova skala (°C) i međunarodnu praktičnu temperaturnu skalu.

Iz perspektive teorije molekularnog kretanja, temperatura je znak prosječne kinetičke energije molekularnog kretanja objekta. Temperatura je kolektivni izraz toplotnog kretanja velikog broja molekula i sadrži statistički značaj.

Simulacijski dijagram: U zatvorenom prostoru, brzina kretanja molekula gasa na visokim temperaturama je veća od one na niskim temperaturama!

NTC senzor temperature sa kompletom sonde od nerđajućeg čelika

NTC temperaturni senzor sa ABS kućištem žicom sonde 105°

NTC temperaturni senzor sa SEMITEC termistorom

2. Senzor temperature
Senzor temperature odnosi se na senzor koji može osjetiti temperaturu i pretvoriti je u upotrebljiv izlazni signal. To je važan uređaj za realizaciju detekcije i kontrole temperature. Među širokim spektrom senzora, temperaturni senzori su jedni od najčešće korištenih senzora koji se najbrže razvijaju. U procesu automatizacije industrijske proizvodnje, tačke merenja temperature čine oko polovinu svih mernih tačaka.

3. Sastav temperaturnih senzora

II. Razvoj temperaturnih senzora
Percepcija toplote i hladnoće je osnova ljudskog iskustva, ali pronalaženje načina za mjerenje temperature zbunilo je mnoge velike ljude. Nije jasno da li su stari Grci ili Kinezi prvi pronašli način za mjerenje temperature, ali postoje zapisi da je istorija temperaturnih senzora počela u renesansi.

Počinjemo s izazovima s kojima se suočava mjerenje temperature, a zatim uvesti istoriju razvoja temperaturnih senzora sa različitih aspekata [Izvor: OMEGA Industrijska mjerenja Bijela knjiga]:

1. Izazovi mjerenja
Toplota se koristi za mjerenje energije sadržane u cjelini ili objektu. Što je energija veća, što je temperatura viša. Međutim, za razliku od fizičkih svojstava kao što su masa i dužina, toplotu je teško direktno izmeriti, tako da je većina metoda mjerenja indirektna, a temperatura se zaključuje posmatranjem efekta zagrijavanja objekta. Stoga, standard za mjerenje topline uvijek je bio izazov.

U 1664, Robert Hooke je predložio korištenje tačke smrzavanja vode kao referentne tačke za temperaturu. Ole Reimer je smatrao da treba odrediti dvije fiksne tačke, i odabrao je Hookeovu tačku smrzavanja i tačku ključanja vode. Međutim, Kako mjeriti temperaturu toplih i hladnih predmeta oduvijek je bio problem. U 19. vijeku, naučnika kao što je Gay-Lussac, koji je proučavao zakon o gasu, otkrili da kada se gas zagreva pod konstantnim pritiskom, temperatura raste za 1 stepena Celzijusa i volumen se povećava za 1/267 (kasnije revidiran u 1/273.15), i koncept 0 stepeni -273,15 ℃ je izvedeno.

2. Posmatrajte ekspanziju: tečnosti i bimetala
Prema izvještajima, Vjeruje se da je Galileo napravio uređaj koji pokazuje promjene temperature okolo 1592. Ovaj uređaj utječe na vodeni stup kontrolirajući kontrakciju zraka u posudi, a visina vodenog stuba ukazuje na stepen hlađenja. Ali zato što na ovaj uređaj lako utiče pritisak vazduha, može se smatrati samo novom igračkom.

Termometar kakav poznajemo izumio je Santorio Santorii u Italiji 1612. Zatvorio je tečnost u staklenu cev i posmatrao njeno kretanje kada se proširila.

Stavljanje vaga na cijev olakšalo je uočavanje promjena, ali sistemu su i dalje nedostajale precizne jedinice. Sa Reimerom je radio Gabriel Fahrenheit. Počeo je da proizvodi termometre koristeći alkohol i živu kao tečnosti. Merkur je bio savršen jer je imao linearni odgovor na temperaturne promjene u velikom rasponu, ali je bio veoma otrovan, pa se sada sve manje koristi. Druge alternativne tečnosti se proučavaju, ali je i dalje u širokoj upotrebi.

Bimetalni senzor temperature izumljen je kasnih 1800-ih. Koristi prednost neravnomjernog širenja dva metalna lima kada su spojeni. Promjena temperature uzrokuje savijanje metalnih limova, koji se može koristiti za aktiviranje termostata ili mjerača sličnih onima koji se koriste u plinskim rešetkama. Preciznost ovog senzora nije visoka, mozda plus-minus dva stepena, ali je također u širokoj upotrebi zbog svoje niske cijene.

3. Termoelektrični efekat
Početkom 1800-ih, elektricitet je bio uzbudljivo polje. Naučnici su otkrili da različiti metali imaju različitu otpornost i provodljivost. U 1821, Thomas Johann Seebeck otkrio je termoelektrični efekat, a to je da različiti metali mogu biti povezani zajedno i postavljeni na različite temperature kako bi se stvorio napon. Davy je pokazao korelaciju između otpornosti metala i temperature. Becquerel je predložio upotrebu platina-platina termoparova za mjerenje temperature, a stvarni uređaj kreirao je Leopold u 1829. Platina se također može koristiti u otpornim temperaturnim detektorima, izumio Myers u 1932. To je jedan od najpreciznijih senzora za mjerenje temperature.

Žičani RTD-ovi su krhki i stoga neprikladni za industrijsku primjenu. Posljednjih godina došlo je do razvoja tankoslojnih RTD-ova, koji nisu tako precizni kao žičani RTD, ali su robusniji. U 20. vijeku su također izumljeni poluvodički uređaji za mjerenje temperature. Poluvodički uređaji za mjerenje temperature reagiraju na promjene temperature i imaju visoku preciznost, ali donedavno, nedostaje im linearnost.

4. Toplotno zračenje
Vrlo vrući metali i rastopljeni metali stvaraju toplinu, emituju toplotu i vidljivu svetlost. Na nižim temperaturama, takođe zrače toplotnu energiju, ali sa većim talasnim dužinama. Britanski astronom William Herschel otkrio je u 1800 da ovo “fuzzy” svjetlo ili infracrveno svjetlo stvara toplinu.

Rad sa sunarodnikom Meloni, Robelli je otkrio način da detektuje ovu energiju zračenja tako što je povezivao termoelemente u seriju kako bi se stvorio termoelement. Ovo je uslijedilo u 1878 po bolometru. Izmislio Amerikanac Samuel Langley, ovo je koristilo dvije platinaste trake, jedan je pocrnio u rasporedu mosta s jednim krakom. Zagrijavanje infracrvenim zračenjem proizvelo je mjerljivu promjenu otpora. Bolometri su osjetljivi na širok raspon infracrvenih valnih dužina.

Nasuprot tome, uređaji tipa kvantni detektor zračenja, koji se razvijao od 1940-ih, reagirao samo na infracrveno svjetlo u ograničenom opsegu. Danas, jeftini pirometri se široko koriste, i postat će sve više kako cijena termovizijskih kamera bude padala.

5. Temperaturna skala
Kada je Farenhajt napravio termometar, shvatio je da mu je potrebna temperaturna skala. On je postavio 30 stepeni slane vode kao tačke smrzavanja i više 180 stepeni slane vode kao tačka ključanja. 25 godine kasnije, Anders Celsius je predložio korištenje skale od 0-100, i današnje “Celzijus” takođe nosi ime po njemu.

Kasnije, William Thomson je otkrio prednosti postavljanja fiksne tačke na jednom kraju skale, a onda je Kelvin predložio postavljanje 0 stepeni kao početnu tačku Celzijusovog sistema. Ovo je formiralo Kelvinovu temperaturnu skalu koja se danas koristi u nauci.

III. Klasifikacija temperaturnih senzora
Postoji mnogo tipova temperaturnih senzora, i imaju različita imena prema različitim standardima klasifikacije.

1. Klasifikacija prema metodi mjerenja
Prema metodi mjerenja, mogu se podijeliti u dvije kategorije: kontakt i beskontakt.

(1) Kontakt senzor temperature:

Senzor direktno kontaktira predmet koji se mjeri radi mjerenja temperature. Kako se toplina objekta koji se mjeri prenosi na senzor, temperatura objekta koji se meri se smanjuje. Posebno, kada je toplotni kapacitet objekta koji se meri mali, tačnost mjerenja je niska. Stoga, preduslov za merenje prave temperature objekta na ovaj način je da je toplotni kapacitet objekta koji se meri dovoljno veliki.

(2) Beskontaktni senzor temperature:
Uglavnom koristi infracrveno zračenje koje emituje toplotno zračenje objekta koji se meri za merenje temperature objekta, i može se izmjeriti na daljinu. Cijena njegove proizvodnje je visoka, ali je tačnost mjerenja niska. Prednosti su što ne apsorbuje toplotu iz objekta koji se meri; ne ometa temperaturno polje objekta koji se mjeri; kontinuirano mjerenje ne stvara potrošnju; ima brz odgovor, itd.

2. Klasifikacija prema različitim fizičkim pojavama
Osim toga, postoje mikrovalni temperaturni senzori, senzori šumne temperature, temperaturna karta temperaturni senzori, mjerači toplotnog protoka, mlazni termometri, termometri za nuklearnu magnetnu rezonancu, Termometri sa Mossbauerovim efektom, Termometri sa Josephsonovim efektom, niskotemperaturni supravodljivi termometri za konverziju, optički senzori temperature, itd. Neki od ovih temperaturnih senzora su primijenjeni, a neki su još u razvoju.

Vodootporan, antikorozivni RTD PT100 temperaturni senzor

RTD PT100 Senzor temperature sa 1-2 NPT vanjski navojni priključak

PT100 Senzor temperature RTD sonda sa 6 inča dužine sonde

100 Ohm klasa A platinasti element (PT100)
Temperaturni koeficijent, a = 0.00385.
304 Plašt od nerđajućeg čelika
Čvrsti prijelazni spoj sa rasterećenjem naprezanja
Dužina sonde – 6 Inches (152 mm) ili 12 Inches (305mm)
Probe Diameter 1/8 inch (3 mm)
Three Wire 72 Inch (1.8m) Vodeća žica završava lopaticama
Temperatura Rating : 660°F (350°C)

Serija PT100 su RTD sonde sa omotačem od nerđajućeg čelika i 100 ohm platinasti RTD element. PT100-11 je dostupan sa 6 ili 12 inča dužine sonde. Ove sonde imaju omotač prečnika 3 mm napravljen od 304 nerđajući čelik, prelazni spoj za teške uslove rada koji povezuje sondu sa vodećim žicama i 72 inča olovne žice koja se završava lopatama označenim bojama. Senzorski element klase A koristi se za mjerenje visoke preciznosti.

Sonda PT100 je vrlo pogodna za industrijska okruženja. RTD su senzori zasnovani na otpornosti tako da električni šum ima minimalan uticaj na kvalitet signala. Dizajn sa tri žice kompenzuje otpor provodne žice omogućavajući duži niz žice bez značajnog uticaja na tačnost. Čvrsti prelazni spoj sa rastezljivim oprugama omogućava visoko mehanički čvrstu vezu između žice i sonde.