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

ja. Osnovni pojmovi senzora temperature
1. Temperatura
Temperatura je fizikalna veličina koja pokazuje stupanj vrućine ili hladnoće nekog predmeta. Mikroskopski, to je intenzitet toplinskog gibanja molekula nekog predmeta. Što je temperatura viša, što je toplinsko gibanje molekula unutar objekta intenzivnije.

Temperatura se može mjeriti samo neizravno kroz određene karakteristike objekta koje se mijenjaju s temperaturom, a ljestvica kojom se mjeri vrijednost temperature nekog objekta naziva se temperaturna ljestvica. Određuje početnu točku (nulta točka) očitanja temperature i osnovne jedinice za mjerenje temperature. Međunarodna jedinica je termodinamička ljestvica (K). Druge temperaturne ljestvice koje se trenutno više koriste u svijetu su Fahrenheitova ljestvica (°F), Celzijeva ljestvica (° C) i međunarodna praktična temperaturna ljestvica.

Iz perspektive teorije molekularnog gibanja, temperatura je znak prosječne kinetičke energije molekularnog gibanja tijela. Temperatura je skupni izraz toplinskog gibanja velikog broja molekula i sadrži statističku značajnost.

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

NTC senzor temperature s kompletom sonde od nehrđajućeg čelika

NTC temperaturni senzor s ABS kućištem, žica sonde 105°

NTC senzor temperature 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 ostvarivanje detekcije i kontrole temperature. Među velikom raznolikošću senzora, senzori temperature jedni su od najčešće korištenih i najbrže rastućih senzora. U procesu automatizacije industrijske proizvodnje, mjerne točke temperature čine oko polovicu svih mjernih točaka.

3. Sastav temperaturnih senzora

II. Razvoj temperaturnih senzora
Percepcija topline i hladnoće temelj je ljudskog iskustva, ali pronalazak načina za mjerenje temperature zbunio je mnoge velike ljude. Nije jasno jesu li stari Grci ili Kinezi prvi pronašli način mjerenja temperature, ali postoje zapisi da je povijest temperaturnih senzora započela u renesansi.

Počinjemo s izazovima s kojima se suočava mjerenje temperature, a zatim predstaviti povijest razvoja temperaturnih senzora s različitih aspekata [Izvor: OMEGA dokument bijele knjige o industrijskim mjerenjima]:

1. Izazovi mjerenja
Toplina se koristi za mjerenje energije sadržane u cjelini ili predmetu. Što je energija veća, što je temperatura viša. Međutim, za razliku od fizikalnih svojstava kao što su masa i duljina, toplinu je teško izravno mjeriti, pa je većina metoda mjerenja neizravna, a temperatura se zaključuje promatranjem učinka zagrijavanja predmeta. Stoga, mjerni standard topline uvijek je bio izazov.

U 1664, Robert Hooke predložio je korištenje točke smrzavanja vode kao referentne točke za temperaturu. Ole Reimer je smatrao da treba odrediti dvije fiksne točke, a izabrao je Hookeovo ledište i vrelište vode. Međutim, kako izmjeriti temperaturu toplih i hladnih predmeta uvijek je bio problem. U 19. stoljeću, znanstvenici poput Gay-Lussaca, koji je proučavao zakon o plinu, utvrdio da kada se plin zagrijava pod stalnim tlakom, temperatura raste za 1 stupnja Celzijusa i volumen se povećava za 1/267 (kasnije revidirano u 1/273.15), i koncepta 0 stupnjeva -273,15 ℃ je izvedeno.

2. Promatrajte ekspanziju: tekućine i bimetali
Prema izvješćima, Vjeruje se da je Galileo napravio uređaj koji pokazuje promjene temperature u okolici 1592. Ovaj uređaj utječe na vodeni stupac kontrolirajući kontrakciju zraka u posudi, a visina vodenog stupca pokazuje stupanj hlađenja. Ali zato što ovaj uređaj lako podliježe tlaku zraka, može se smatrati samo novom igračkom.

Termometar kakav poznajemo izumio je Santorio Santorii u Italiji godine 1612. Zatvorio je tekućinu u staklenu cijev i promatrao njezino kretanje kada se proširila.

Stavljanjem ljuskica na tubu bilo je lakše vidjeti promjene, ali sustavu su još nedostajale precizne jedinice. S Reimerom je radio Gabriel Fahrenheit. Počeo je proizvoditi termometre koristeći alkohol i živu kao tekućine. Merkur je bio savršen jer je imao linearan odgovor na promjene temperature u velikom rasponu, ali je bio vrlo otrovan, pa se sada sve manje koristi. Druge alternativne tekućine se proučavaju, ali se još uvijek široko koristi.

Bimetalni temperaturni senzor izumljen je kasnih 1800-ih. Iskorištava neravnomjerno širenje dva metalna lista kada se spoje. Promjena temperature uzrokuje savijanje limova, koji se može koristiti za aktiviranje termostata ili mjerača sličnog onima koji se koriste u plinskim rešetkama. Točnost ovog senzora nije visoka, možda plus ili minus dva stupnja, ali ima i veliku primjenu zbog niske cijene.

3. Termoelektrični učinak
Početkom 1800-ih, elektricitet je bio uzbudljivo polje. Znanstvenici su otkrili da različiti metali imaju različit otpor i vodljivost. U 1821, Thomas Johann Seebeck otkrio je termoelektrični učinak, a to je da se različiti metali mogu spojiti i postaviti na različite temperature kako bi se stvorio napon. Davy je pokazao korelaciju između otpornosti metala i temperature. Becquerel je predložio korištenje termoparova platina-platina za mjerenje temperature, a stvarni uređaj stvorio je Leopold godine 1829. Platina se također može koristiti u otpornim detektorima temperature, izumio Myers u 1932. Jedan je od najpreciznijih senzora za mjerenje temperature.

Žičani RTD-ovi su krhki i stoga neprikladni za industrijske primjene. Posljednjih godina smo vidjeli razvoj tankoslojnih RTD uređaja, koji nisu tako precizni kao žičani RTD-ovi, ali su robusniji. U 20. stoljeću također su izumljeni poluvodički uređaji za mjerenje temperature. Poluvodički uređaji za mjerenje temperature reagiraju na promjene temperature i imaju visoku točnost, ali donedavno, nedostaje im linearnost.

4. Toplinsko zračenje
Vrlo vrući metali i rastaljeni metali stvaraju toplinu, emitirajući toplinu i vidljivu svjetlost. Na nižim temperaturama, također zrače toplinskom energijom, ali s većim valnim duljinama. Britanski astronom William Herschel otkrio je u 1800 da ovo “mutan” svjetlo ili infracrveno svjetlo stvara toplinu.

Rad sa sunarodnjakom Meloni, Robelli je otkrio način detekcije ove energije zračenja serijskim spajanjem termoparova kako bi se stvorio termoelektrični element. Ovo je uslijedilo u 1878 bolometrom. Izumio Amerikanac Samuel Langley, ovo je koristilo dvije platinaste trake, jedan pocrnjen u rasporedu jednokrakog mosta. Grijanje infracrvenim zračenjem proizvelo je mjerljivu promjenu otpora. Bolometri su osjetljivi na širok raspon infracrvenih valnih duljina.

Nasuprot tome, uređaji tipa kvantnog detektora zračenja, koji se razvijao od 1940-ih, reagira samo na infracrveno svjetlo u ograničenom pojasu. Danas, naširoko se koriste jeftini pirometri, i bit će sve više kako cijene termovizijskih kamera budu padale.

5. Temperaturna ljestvica
Kad je Fahrenheit napravio termometar, shvatio je da mu treba temperaturna ljestvica. On je postavio 30 stupnjeva slane vode kao točke smrzavanja i više 180 stupnjeva slane vode kao točke vrenja. 25 godine kasnije, Anders Celsius predložio je korištenje ljestvice od 0-100, i današnji “Celzija” također je nazvana po njemu.

Kasnije, William Thomson otkrio je prednosti postavljanja fiksne točke na jednom kraju ljestvice, a onda je Kelvin predložio postaviti 0 stupnjeva kao početne točke Celzijevog sustava. To je formiralo Kelvinovu temperaturnu ljestvicu koja se danas koristi u znanosti.

III. Klasifikacija temperaturnih senzora
Postoje mnoge vrste temperaturnih senzora, i imaju različite nazive prema različitim klasifikacijskim standardima.

1. Klasifikacija prema metodi mjerenja
Prema načinu mjerenja, mogu se podijeliti u dvije kategorije: kontaktne i beskontaktne.

(1) Kontakt senzor temperature:

Senzor izravno dodiruje objekt koji se mjeri kako bi izmjerio temperaturu. Budući da se toplina objekta koji se mjeri prenosi na senzor, smanjuje se temperatura objekta koji se mjeri. Posebno, kada je toplinski kapacitet objekta koji se mjeri mali, točnost mjerenja je niska. Stoga, preduvjet za mjerenje stvarne temperature objekta na ovaj način je da je toplinski kapacitet objekta koji se mjeri dovoljno velik.

(2) Beskontaktni senzor temperature:
Uglavnom koristi infracrveno zračenje koje emitira toplinsko zračenje objekta koji se mjeri za mjerenje temperature objekta, i može se daljinski mjeriti. Trošak njegove proizvodnje je visok, ali je točnost mjerenja niska. Prednosti su što ne apsorbira toplinu s objekta koji se mjeri; ne interferira s temperaturnim poljem objekta koji se mjeri; kontinuirano mjerenje ne stvara potrošnju; ima brz odziv, itd.

2. Klasifikacija prema različitim fizikalnim pojavama
Uz to, postoje mikrovalni temperaturni senzori, senzori temperature buke, temperaturna karta temperaturni senzori, mjerači protoka topline, mlazni termometri, termometri nuklearne magnetske rezonancije, Termometri s Mossbauerovim efektom, Termometri s Josephsonovim efektom, niskotemperaturni supravodljivi konverzijski termometri, senzori temperature optičkih vlakana, itd. Neki od ovih temperaturnih senzora su primijenjeni, a neki su još u razvoju.

Vodootporan, antikorozivni RTD PT100 senzor temperature

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

PT100 Senzor temperature RTD sonda s 6 inčna duljina sonde

100 Ohm platinasti element klase A (PT100)
Temperaturni koeficijent, a = 0.00385.
304 Plašt od nehrđajućeg čelika
Robustan prijelazni spoj s rasterećenjem naprezanja
Duljina sonde – 6 Inči (152 mm) ili 12 Inči (305mm)
Promjer sonde 1/8 centimetar (3 mm)
Tri žice 72 inča (1.8m) Vodeća žica završava u ušicama
Temperaturna ocjena : 660°F (350° C)

Serija PT100 su RTD sonde s omotačem od nehrđajućeg čelika i 100 ohm platinasti RTD element. PT100-11 dostupni su s 6 ili 12 inčna duljina sonde. Ove sonde imaju omotač promjera 3 mm izrađen od 304 nehrđajući čelik, prijelazni spoj za teške uvjete rada koji povezuje sondu s vodećim žicama i 72 inča olovne žice koja završava šiljastim ušicama označenim bojom. Senzorski element klase A koristi se za mjerenje visoke točnosti.

Sonda PT100 vrlo je prikladna za industrijska okruženja. RTD su senzori koji se temelje na otporu tako da električni šum ima minimalan učinak na kvalitetu signala. Trožilni dizajn provodnika kompenzira otpor žice provodnika omogućujući dulje žice bez značajnog utjecaja na točnost. Robusni prijelazni spoj s opružnim rasterećenjem zatezanja čini vrlo mehanički čvrstu vezu između žice i sonde.