Αισθητήρας θερμοκρασίας ( NTC / RTD ) έννοια, ανάπτυξη και ταξινόμηση

εγώ. Βασικές έννοιες του αισθητήρα θερμοκρασίας
1. Θερμοκρασία
Η θερμοκρασία είναι μια φυσική ποσότητα που δείχνει το βαθμό θερμότητας ή ψυχρότητας ενός αντικειμένου. Μικροσκοπικά, είναι η ένταση της θερμικής κίνησης των μορίων ενός αντικειμένου. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο έντονη είναι η θερμική κίνηση των μορίων μέσα στο αντικείμενο.

Η θερμοκρασία μπορεί να μετρηθεί μόνο έμμεσα μέσω ορισμένων χαρακτηριστικών ενός αντικειμένου που αλλάζουν με τη θερμοκρασία, και η κλίμακα που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της τιμής θερμοκρασίας ενός αντικειμένου ονομάζεται κλίμακα θερμοκρασίας. Καθορίζει το σημείο εκκίνησης (σημείο μηδέν) της ένδειξης θερμοκρασίας και της βασικής μονάδας μέτρησης θερμοκρασίας. Η διεθνής μονάδα είναι η θερμοδυναμική κλίμακα (Κ). Άλλες κλίμακες θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται σήμερα περισσότερο διεθνώς είναι η κλίμακα Φαρενάιτ (°F), την κλίμακα Κελσίου (°C) και η διεθνής πρακτική κλίμακα θερμοκρασίας.

Από τη σκοπιά της θεωρίας της μοριακής κίνησης, Η θερμοκρασία είναι ένα σημάδι της μέσης κινητικής ενέργειας της μοριακής κίνησης ενός αντικειμένου. Η θερμοκρασία είναι η συλλογική έκφραση της θερμικής κίνησης μεγάλου αριθμού μορίων και περιέχει στατιστική σημασία.

Διάγραμμα προσομοίωσης: Σε κλειστό χώρο, η ταχύτητα κίνησης των μορίων αερίου σε υψηλές θερμοκρασίες είναι μεγαλύτερη από αυτή σε χαμηλές θερμοκρασίες!

Αισθητήρας θερμοκρασίας NTC με κιτ αισθητήρα σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα

Αισθητήρας θερμοκρασίας NTC με καλώδιο αισθητήρα περιβλήματος ABS 105°

Αισθητήρας θερμοκρασίας NTC με θερμίστορ SEMITEC

2. Αισθητήρας θερμοκρασίας
Ένας αισθητήρας θερμοκρασίας αναφέρεται σε έναν αισθητήρα που μπορεί να ανιχνεύσει τη θερμοκρασία και να τη μετατρέψει σε ένα χρησιμοποιήσιμο σήμα εξόδου. Είναι μια σημαντική συσκευή για την πραγματοποίηση ανίχνευσης και ελέγχου θερμοκρασίας. Ανάμεσα στη μεγάλη ποικιλία αισθητήρων, Οι αισθητήρες θερμοκρασίας είναι ένας από τους πιο ευρέως χρησιμοποιούμενους και ταχύτερα αναπτυσσόμενους αισθητήρες. Στη διαδικασία αυτοματοποίησης της βιομηχανικής παραγωγής, Τα σημεία μέτρησης θερμοκρασίας αντιπροσωπεύουν περίπου το ήμισυ όλων των σημείων μέτρησης.

3. Σύνθεση αισθητήρων θερμοκρασίας

Ii. Ανάπτυξη αισθητήρων θερμοκρασίας
Η αντίληψη της ζέστης και του κρύου είναι η βάση της ανθρώπινης εμπειρίας, αλλά η εύρεση ενός τρόπου μέτρησης της θερμοκρασίας έχει παραπλανήσει πολλούς σπουδαίους άντρες. Δεν είναι ξεκάθαρο αν οι αρχαίοι Έλληνες ή οι Κινέζοι βρήκαν για πρώτη φορά τρόπο να μετρήσουν τη θερμοκρασία, αλλά υπάρχουν αρχεία ότι η ιστορία των αισθητήρων θερμοκρασίας ξεκίνησε στην Αναγέννηση.

Ξεκινάμε με τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει η μέτρηση της θερμοκρασίας, και στη συνέχεια εισάγετε το ιστορικό ανάπτυξης των αισθητήρων θερμοκρασίας από διαφορετικές πλευρές [Πηγή: Έγγραφο Λευκής Βίβλου OMEGA Industrial Measurement]:

1. Προκλήσεις μέτρησης
Η θερμότητα χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ενέργειας που περιέχεται σε ένα σύνολο ή αντικείμενο. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια, Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία. Ωστόσο, σε αντίθεση με τις φυσικές ιδιότητες όπως η μάζα και το μήκος, η θερμότητα είναι δύσκολο να μετρηθεί άμεσα, έτσι οι περισσότερες μέθοδοι μέτρησης είναι έμμεσες, και η θερμοκρασία συνάγεται με την παρατήρηση της επίδρασης της θέρμανσης του αντικειμένου. Επομένως, το πρότυπο μέτρησης της θερμότητας ήταν πάντα μια πρόκληση.

Σε 1664, Ο Robert Hooke πρότεινε τη χρήση του σημείου πήξης του νερού ως σημείο αναφοράς για τη θερμοκρασία. Ο Όλε Ράιμερ πίστευε ότι έπρεπε να καθοριστούν δύο σταθερά σημεία, και διάλεξε το σημείο πήξης του Χουκ και το σημείο βρασμού του νερού. Ωστόσο, ο τρόπος μέτρησης της θερμοκρασίας των ζεστών και κρύων αντικειμένων ήταν πάντα ένα πρόβλημα. Τον 19ο αιώνα, επιστήμονες όπως ο Gay-Lussac, που σπούδασε το νόμο των αερίων, διαπίστωσε ότι όταν ένα αέριο θερμαίνεται υπό σταθερή πίεση, η θερμοκρασία ανεβαίνει 1 βαθμό Κελσίου και η ένταση αυξάνεται κατά 1/267 (αναθεωρήθηκε αργότερα σε 1/273.15), και η έννοια του 0 προέκυψαν βαθμοί -273,15℃.

2. Παρατηρήστε την επέκταση: υγρά και διμεταλλικά
Σύμφωνα με αναφορές, Ο Galileo πιστεύεται ότι έφτιαξε μια συσκευή που δείχνει τις αλλαγές θερμοκρασίας γύρω 1592. Αυτή η συσκευή επηρεάζει τη στήλη του νερού ελέγχοντας τη συστολή του αέρα σε ένα δοχείο, και το ύψος της στήλης νερού δείχνει τον βαθμό ψύξης. Επειδή όμως αυτή η συσκευή επηρεάζεται εύκολα από την πίεση του αέρα, μπορεί να θεωρηθεί μόνο ως ένα νέο παιχνίδι.

Το θερμόμετρο όπως το ξέρουμε εφευρέθηκε από το Santorio Santorii στην Ιταλία 1612. Σφράγισε το υγρό σε ένα γυάλινο σωλήνα και παρατήρησε την κίνησή του όταν διαστέλλεται.

Η τοποθέτηση κάποιων ζυγαριών στον σωλήνα διευκόλυνε να δεις τις αλλαγές, αλλά το σύστημα δεν είχε ακόμη ακριβείς μονάδες. Δούλευε με τον Ράιμερ ο Γκάμπριελ Φαρενάιτ. Άρχισε να παράγει θερμόμετρα χρησιμοποιώντας αλκοόλ και υδράργυρο ως υγρά. Ο υδράργυρος ήταν τέλειος επειδή είχε μια γραμμική απόκριση στις αλλαγές θερμοκρασίας σε μεγάλο εύρος, αλλά ήταν πολύ τοξικό, οπότε πλέον χρησιμοποιείται όλο και λιγότερο. Άλλα εναλλακτικά υγρά μελετώνται, αλλά εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως.

Ο διμεταλλικός αισθητήρας θερμοκρασίας εφευρέθηκε στα τέλη του 1800. Εκμεταλλεύεται την ανομοιόμορφη διαστολή δύο μεταλλικών φύλλων όταν ενώνονται. Η αλλαγή θερμοκρασίας προκαλεί κάμψη των μεταλλικών φύλλων, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση ενός θερμοστάτη ή ενός μετρητή παρόμοιου με αυτούς που χρησιμοποιούνται στις γρίλιες αερίου. Η ακρίβεια αυτού του αισθητήρα δεν είναι υψηλή, maybe plus or minus two degrees, but it is also widely used because of its low price.

3. Thermoelectric effect
In the early 1800s, electricity was an exciting field. Scientists discovered that different metals have different resistance and conductivity. Σε 1821, Thomas Johann Seebeck discovered the thermoelectric effect, which is that different metals can be connected together and placed at different temperatures to generate voltage. Davy demonstrated the correlation between metal resistivity and temperature. Becquerel proposed the use of platinum-platinum thermocouples for temperature measurement, and the actual device was created by Leopold in 1829. Platinum can also be used in resistance temperature detectors, invented by Myers in 1932. It is one of the most accurate sensors for measuring temperature.

Τα Wirewound RTDs είναι εύθραυστα και επομένως ακατάλληλα για βιομηχανικές εφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται η ανάπτυξη RTD λεπτής μεμβράνης, που δεν είναι τόσο ακριβείς όσο οι RTD με σύρμα, αλλά είναι πιο στιβαρά. Ο 20ός αιώνας είδε επίσης την εφεύρεση των συσκευών μέτρησης θερμοκρασίας ημιαγωγών. Οι συσκευές μέτρησης θερμοκρασίας ημιαγωγών ανταποκρίνονται στις αλλαγές θερμοκρασίας και έχουν υψηλή ακρίβεια, αλλά μέχρι πρόσφατα, στερούνται γραμμικότητας.

4. Θερμική ακτινοβολία
Τα πολύ θερμά μέταλλα και τα λιωμένα μέταλλα παράγουν θερμότητα, εκπέμποντας θερμότητα και ορατό φως. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, εκπέμπουν επίσης θερμική ενέργεια, αλλά με μεγαλύτερα μήκη κύματος. Ο Βρετανός αστρονόμος William Herschel ανακάλυψε στο 1800 ότι αυτό “ασαφής” το φως ή το υπέρυθρο φως παράγει θερμότητα.

Συνεργασία με τη συμπατριώτισσα Μελώνη, Ο Robelli ανακάλυψε έναν τρόπο ανίχνευσης αυτής της ακτινοβολούμενης ενέργειας συνδέοντας θερμοστοιχεία σε σειρά για να δημιουργήσει ένα θερμοστοιχείο. Αυτό ακολούθησε 1878 από το βολόμετρο. Εφευρέθηκε από τον Αμερικανό Samuel Langley, αυτό χρησιμοποίησε δύο λωρίδες πλατίνας, ένα μαυρισμένο σε διάταξη γέφυρας μονής βραχίονα. Η θέρμανση με υπέρυθρη ακτινοβολία προκάλεσε μια μετρήσιμη αλλαγή στην αντίσταση. Τα βολόμετρα είναι ευαίσθητα σε ένα ευρύ φάσμα υπέρυθρων μηκών κύματος.

Σε αντίθεση, συσκευές τύπου κβαντικού ανιχνευτή ακτινοβολίας, που είχε αναπτυχθεί από τη δεκαετία του 1940, ανταποκρίθηκε μόνο στο υπέρυθρο φως σε περιορισμένη ζώνη. Σήμερα, Τα φθηνά πυρόμετρα χρησιμοποιούνται ευρέως, και θα γίνει περισσότερο όσο πέφτει η τιμή των καμερών θερμικής απεικόνισης.

5. Κλίμακα θερμοκρασίας
Όταν ο Φαρενάιτ έφτιαξε το θερμόμετρο, συνειδητοποίησε ότι χρειαζόταν μια κλίμακα θερμοκρασίας. Έθεσε 30 βαθμούς θαλασσινού νερού ως σημείο πήξης και πάνω 180 βαθμούς θαλασσινού νερού ως σημείο βρασμού. 25 χρόνια αργότερα, Ο Anders Celsius πρότεινε να χρησιμοποιηθεί μια κλίμακα του 0-100, και το σημερινό “Κελσίου” φέρει επίσης το όνομά του.

Αργότερα, Ο William Thomson ανακάλυψε τα πλεονεκτήματα του καθορισμού ενός σταθερού σημείου στο ένα άκρο της κλίμακας, και τότε ο Κέλβιν πρότεινε να σετ 0 μοίρες ως σημείο εκκίνησης του συστήματος Κελσίου. Αυτό σχημάτισε την κλίμακα θερμοκρασίας Kelvin που χρησιμοποιείται στην επιστήμη σήμερα.

III. Ταξινόμηση αισθητήρων θερμοκρασίας
Υπάρχουν πολλοί τύποι αισθητήρων θερμοκρασίας, και έχουν διαφορετικά ονόματα σύμφωνα με διαφορετικά πρότυπα ταξινόμησης.

1. Ταξινόμηση με μέθοδο μέτρησης
Σύμφωνα με τη μέθοδο μέτρησης, μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: επαφής και μη επαφής.

(1) Αισθητήρας θερμοκρασίας επαφής:

Ο αισθητήρας έρχεται απευθείας σε επαφή με το αντικείμενο που πρόκειται να μετρηθεί για να μετρήσει τη θερμοκρασία. Καθώς η θερμότητα του προς μέτρηση αντικειμένου μεταφέρεται στον αισθητήρα, η θερμοκρασία του προς μέτρηση αντικειμένου μειώνεται. Προπαντός, όταν η θερμοχωρητικότητα του προς μέτρηση αντικειμένου είναι μικρή, η ακρίβεια μέτρησης είναι χαμηλή. Επομένως, η προϋπόθεση για τη μέτρηση της πραγματικής θερμοκρασίας ενός αντικειμένου με αυτόν τον τρόπο είναι η θερμοχωρητικότητα του αντικειμένου που μετράται να είναι αρκετά μεγάλη.

(2) Αισθητήρας θερμοκρασίας χωρίς επαφή:
Χρησιμοποιεί κυρίως την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από τη θερμική ακτινοβολία του αντικειμένου που μετράται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του αντικειμένου, και μπορεί να μετρηθεί εξ αποστάσεως. Το κόστος κατασκευής του είναι υψηλό, αλλά η ακρίβεια μέτρησης είναι χαμηλή. Τα πλεονεκτήματα είναι ότι δεν απορροφά θερμότητα από το αντικείμενο που μετράται; δεν παρεμβαίνει στο πεδίο θερμοκρασίας του αντικειμένου που μετράται; Η συνεχής μέτρηση δεν παράγει κατανάλωση; έχει γρήγορη απόκριση, και τα λοιπά.

2. Ταξινόμηση σύμφωνα με διαφορετικά φυσικά φαινόμενα
Εξάλλου, υπάρχουν αισθητήρες θερμοκρασίας μικροκυμάτων, αισθητήρες θερμοκρασίας θορύβου, αισθητήρες θερμοκρασίας χάρτη θερμοκρασίας, μετρητές ροής θερμότητας, θερμόμετρα πίδακα, θερμόμετρα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, Θερμόμετρα εφέ Mossbauer, Θερμόμετρα εφέ Josephson, υπεραγώγιμα θερμόμετρα μετατροπής χαμηλής θερμοκρασίας, αισθητήρες θερμοκρασίας οπτικών ινών, και τα λοιπά. Μερικοί από αυτούς τους αισθητήρες θερμοκρασίας έχουν εφαρμοστεί, και μερικά είναι ακόμα υπό ανάπτυξη.

Αδιάβροχος, αντιδιαβρωτικός αισθητήρας θερμοκρασίας RTD PT100

RTD PT100 Αισθητήρας θερμοκρασίας με 1-2 Εξωτερική σύνδεση με σπείρωμα NPT

PT100 Αισθητήρας θερμοκρασίας Αισθητήρας RTD με 6 ίντσας μήκος ανιχνευτή

100 Στοιχείο πλατίνας κατηγορίας Α Ohm (PT100)
Συντελεστής θερμοκρασίας, α = 0.00385.
304 Θήκη από ανοξείδωτο χάλυβα
Ανθεκτική διασταύρωση μετάβασης με ανακούφιση από καταπόνηση
Μήκος ανιχνευτή – 6 ίντσες (152 mm) ή 12 ίντσες (305mm)
Διάμετρος ανιχνευτή 1/8 ίντσα (3 mm)
Τρία Σύρματα 72 Ιντσα (1.8m) Μολύβδινο σύρμα που τερματίζει σε ωτίδες φτυάρι
Εκτίμηση θερμοκρασίας : 660°F (350°C)

Η σειρά PT100 είναι αισθητήρες RTD με θήκη από ανοξείδωτο χάλυβα και 100 Ωμ πλατίνα στοιχείο RTD. Τα PT100-11 διατίθενται με 6 ή 12 ίντσας μήκος ανιχνευτή. Αυτοί οι ανιχνευτές διαθέτουν ένα περίβλημα διαμέτρου 3 mm κατασκευασμένο από 304 ανοξείδωτο χάλυβα, μια άρθρωση μετάβασης βαρέως τύπου που συνδέει τον καθετήρα με τα καλώδια ηλεκτροδίων και 72 ίντσες από σύρμα μολύβδου που καταλήγει σε χρωματικά κωδικοποιημένα φτυάρια. Ένα στοιχείο αισθητήρα κατηγορίας Α χρησιμοποιείται για την παροχή μετρήσεων υψηλής ακρίβειας.

Ο αισθητήρας PT100 είναι κατάλληλος για βιομηχανικά περιβάλλοντα. Οι RTD είναι αισθητήρες με βάση την αντίσταση, επομένως ο ηλεκτρικός θόρυβος έχει ελάχιστη επίδραση στην ποιότητα του σήματος. Ο σχεδιασμός των τριών καλωδίων αντισταθμίζει την αντίσταση του καλωδίου μολύβδου επιτρέποντας μεγαλύτερες διαδρομές καλωδίων χωρίς σημαντικό αντίκτυπο στην ακρίβεια. Ο στιβαρός σύνδεσμος μετάβασης με ανακούφιση καταπόνησης σύρματος ελατηρίου δημιουργεί μια εξαιρετικά μηχανικά σταθερή σύνδεση μεταξύ του σύρματος και του καθετήρα.