Teplotní senzor ( NTC / RTD ) pojem, vývoj a klasifikace

I. Základní pojmy snímače teploty
1. Teplota
Teplota je fyzikální veličina, která udává stupeň horkosti nebo chladu předmětu. Mikroskopicky, je to intenzita tepelného pohybu molekul předmětu. Čím vyšší je teplota, tím intenzivnější je tepelný pohyb molekul uvnitř předmětu.

Teplotu lze měřit pouze nepřímo prostřednictvím určitých charakteristik objektu, které se mění s teplotou, a stupnice používaná k měření hodnoty teploty objektu se nazývá teplotní stupnice. Určuje výchozí bod (nulový bod) měření teploty a základní jednotky pro měření teploty. Mezinárodní jednotkou je termodynamická stupnice (K). Dalšími teplotními stupnicemi, které se v současnosti používají spíše mezinárodně, jsou stupnice Fahrenheit (° F.), Celsiova stupnice (° C.) a mezinárodní praktická teplotní stupnice.

Z pohledu teorie pohybu molekul, teplota je znakem průměrné kinetické energie molekulárního pohybu předmětu. Teplota je souhrnné vyjádření tepelného pohybu velkého počtu molekul a obsahuje statistickou významnost.

Simulační schéma: V uzavřeném prostoru, rychlost pohybu molekul plynu při vysokých teplotách je rychlejší než při nízkých teplotách!

NTC teplotní senzor se sadou sondy z nerezové oceli

NTC teplotní senzor s ABS pouzdrem vodič sondy 105°

NTC teplotní senzor s termistorem SEMITEC

2. Teplotní senzor
Teplotní senzor označuje senzor, který dokáže snímat teplotu a převádět ji na použitelný výstupní signál. Je to důležité zařízení pro realizaci detekce a regulace teploty. Mezi širokou škálu senzorů, teplotní senzory jsou jedním z nejpoužívanějších a nejrychleji rostoucích senzorů. V procesu automatizace průmyslové výroby, body měření teploty tvoří asi polovinu všech bodů měření.

3. Složení teplotních čidel

Ii. Vývoj snímačů teploty
Vnímání tepla a chladu je základem lidské zkušenosti, ale nalezení způsobu měření teploty zarazilo mnoho skvělých mužů. Není jasné, zda staří Řekové nebo Číňané poprvé našli způsob, jak měřit teplotu, ale existují záznamy, že historie teplotních senzorů začala v renesanci.

Začneme problémy, kterým čelí měření teploty, a poté představí historii vývoje teplotních senzorů z různých hledisek [Zdroj: Dokument White Paper k průmyslovému měření OMEGA]:

1. Výzvy měření
Teplo se používá k měření energie obsažené v celku nebo předmětu. Čím větší energie, čím vyšší je teplota. Však, na rozdíl od fyzikálních vlastností, jako je hmotnost a délka, teplo je obtížné přímo měřit, takže většina metod měření je nepřímá, a teplota je odvozena pozorováním účinku zahřívání předmětu. Proto, standard měření tepla byl vždy výzvou.

V 1664, Robert Hooke navrhl použití bodu mrazu vody jako referenčního bodu pro teplotu. Ole Reimer věřil, že by měly být určeny dva pevné body, a vybral si Hookův bod mrazu a bod varu vody. Však, jak měřit teplotu horkých a studených předmětů byl vždy problém. V 19. stol, vědci, jako je Gay-Lussac, který studoval plynárenský zákon, zjistili, že když se plyn zahřívá pod konstantním tlakem, teplota stoupá o 1 stupně Celsia a objem se zvýší o 1/267 (později revidováno na 1/273.15), a koncept 0 stupně -273,15℃ bylo odvozeno.

2. Pozorujte expanzi: kapaliny a bimetaly
Podle zpráv, Předpokládá se, že Galileo vyrobil zařízení, které ukazuje změny teploty v okolí 1592. Toto zařízení ovlivňuje vodní sloupec řízením smršťování vzduchu v nádobě, a výška vodního sloupce udává stupeň ochlazení. Ale protože toto zařízení je snadno ovlivnitelné tlakem vzduchu, lze ji považovat pouze za novou hračku.

Teploměr, jak jej známe, vynalezl Santorio Santorio v Itálii v r 1612. Uzavřel kapalinu do skleněné trubice a pozoroval její pohyb, když expandovala.

Umístění šupin na trubku usnadnilo vidět změny, ale systému stále chyběly přesné jednotky. S Reimerem spolupracoval Gabriel Fahrenheit. Začal vyrábět teploměry používající jako kapaliny alkohol a rtuť. Merkur byl dokonalý, protože měl lineární odezvu na změny teploty ve velkém rozsahu, ale bylo to vysoce toxické, takže se nyní používá stále méně. Další alternativní kapaliny jsou studovány, ale stále se hojně používá.

Bimetalový snímač teploty byl vynalezen koncem 19. století. Využívá nerovnoměrného roztažení dvou plechů při jejich spojení. Změna teploty způsobuje ohýbání plechů, které lze použít k aktivaci termostatu nebo měřiče podobného těm, které se používají u plynových grilů. Přesnost tohoto snímače není vysoká, možná plus minus dva stupně, ale je také široce používán kvůli své nízké ceně.

3. Termoelektrický efekt
Na počátku 19. století, elektřina byla vzrušující obor. Vědci zjistili, že různé kovy mají různý odpor a vodivost. V 1821, Thomas Johann Seebeck objevil termoelektrický jev, což znamená, že různé kovy mohou být spojeny dohromady a umístěny při různých teplotách, aby se vytvořilo napětí. Davy demonstroval korelaci mezi měrným odporem kovu a teplotou. Becquerel navrhl použití platino-platinových termočlánků pro měření teploty, a skutečné zařízení vytvořil Leopold v r 1829. Platinu lze také použít v odporových detektorech teploty, vynalezl Myers v 1932. Je to jeden z nejpřesnějších snímačů pro měření teploty.

Drátové RTD jsou křehké, a proto nevhodné pro průmyslové aplikace. V posledních letech došlo k rozvoji tenkovrstvých RTD, které nejsou tak přesné jako drátové RTD, ale jsou robustnější. 20. století také vidělo vynález polovodičových zařízení pro měření teploty. Polovodičová zařízení pro měření teploty reagují na změny teploty a mají vysokou přesnost, ale donedávna, postrádají linearitu.

4. Tepelné záření
Velmi horké kovy a roztavené kovy vytvářejí teplo, vyzařující teplo a viditelné světlo. Při nižších teplotách, vyzařují také tepelnou energii, ale s delšími vlnovými délkami. Britský astronom William Herschel objevil v 1800 že tohle “neostrý” světlo nebo infračervené světlo vytváří teplo.

Práce s krajanem Melonim, Robelli objevil způsob, jak detekovat tuto zářivou energii spojením termočlánků do série, aby se vytvořil termočlánek. Toto bylo následováno v 1878 bolometrem. Vynalezl Američan Samuel Langley, to používalo dva platinové proužky, jeden černěný v jednoramenném mostovém uspořádání. Zahřívání infračerveným zářením vyvolalo měřitelnou změnu odporu. Bolometry jsou citlivé na široký rozsah infračervených vlnových délek.

Na rozdíl od toho, zařízení typu radiačního kvantového detektoru, který se vyvíjel od 40. let 20. století, reagoval pouze na infračervené světlo v omezeném pásmu. Dnes, široce používané jsou levné pyrometry, a bude čím dál tím více, jak bude cena termovizních kamer klesat.

5. Teplotní stupnice
Když Fahrenheit vyrobil teploměr, uvědomil si, že potřebuje teplotní stupnici. Nastavil 30 stupně slané vody jako bod mrazu a více 180 stupně slané vody jako bod varu. 25 let později, Anders Celsius navrhl použít stupnici 0-100, a dnešní “Celsia” je po něm také pojmenován.

Později, William Thomson objevil výhody nastavení pevného bodu na jednom konci stupnice, a pak Kelvin navrhl nastavit 0 stupně jako výchozí bod Celsiovy soustavy. Vznikla tak Kelvinova teplotní stupnice, která se dnes používá ve vědě.

Iii. Klasifikace snímačů teploty
Existuje mnoho typů snímačů teploty, a mají různá jména podle různých klasifikačních norem.

1. Klasifikace metodou měření
Podle metody měření, lze je rozdělit do dvou kategorií: kontaktní i nekontaktní.

(1) Kontaktní teplotní čidlo:

Snímač se přímo dotýká měřeného objektu, aby změřil teplotu. Jak se teplo měřeného předmětu přenáší do senzoru, teplota měřeného předmětu se sníží. Zejména, když je tepelná kapacita měřeného předmětu malá, přesnost měření je nízká. Proto, předpokladem pro měření skutečné teploty předmětu tímto způsobem je dostatečně velká tepelná kapacita měřeného předmětu.

(2) Bezdotykový snímač teploty:
K měření teploty objektu využívá především infračervené záření emitované tepelným zářením měřeného objektu, a lze je měřit na dálku. Jeho výrobní náklady jsou vysoké, ale přesnost měření je nízká. Výhodou je, že neabsorbuje teplo z měřeného předmětu; neinterferuje s teplotním polem měřeného objektu; kontinuální měření negeneruje spotřebu; má rychlou odezvu, atd.

2. Klasifikace podle různých fyzikálních jevů
Navíc, existují mikrovlnné teplotní senzory, šumové teplotní senzory, teplotní mapa teplotní senzory, měřiče tepelného toku, proudové teploměry, nukleární magnetické rezonanční teploměry, Teploměry s Mossbauerovým efektem, Teploměry s Josephsonovým efektem, nízkoteplotní supravodivé konverzní teploměry, snímače teploty optických vláken, atd. Některé z těchto teplotních senzorů byly použity, a některé jsou stále ve vývoji.

Vodotěsný, antikorozní snímač teploty RTD PT100

RTD PT100 Teplotní senzor s 1-2 NPT vnější závitové připojení

PT100 Teplotní snímač RTD sonda s 6 palcová délka sondy

100 Platinový prvek třídy Ohm A (PT100)
Teplotní koeficient, a = 0.00385.
304 Pouzdro z nerezové oceli
Robustní přechodový spoj s odlehčením tahu
Délka sondy – 6 palce (152 mm) nebo 12 palce (305mm)
Průměr sondy 1/8 palec (3 mm)
Tři dráty 72 Palec (1.8m) Zakončení olověného drátu v rýčových očkách
Teplotní hodnocení : 660° F. (350° C.)

Řada PT100 jsou RTD sondy s pláštěm z nerezové oceli a 100 ohmový platinový RTD prvek. PT100-11 jsou k dispozici s 6 nebo 12 palcová délka sondy. Tyto sondy jsou vyrobeny z pláště o průměru 3 mm 304 nerez, vysoce odolný přechodový spoj, který spojuje sondu s přívodními vodiči a 72 palce olověného drátu zakončeného barevně označenými oky. Snímací prvek třídy A se používá k zajištění vysoké přesnosti měření.

Sonda PT100 je vhodná pro průmyslové prostředí. RTD jsou odporové snímače, takže elektrický šum má minimální vliv na kvalitu signálu. Konstrukce se třemi vodiči kompenzuje odpor vodičů a umožňuje delší vedení vodičů bez významného dopadu na přesnost. Robustní přechodový spoj s pružinovým odlehčením tahu drátu zajišťuje vysoce mechanicky bezpečné spojení mezi drátem a sondou.