Temperatūras sensors ( NTC / Rtd ) koncepcija, izstrāde un klasifikācija

Es. Temperatūras sensora pamatjēdzieni
1. Temperatūra
Temperatūra ir fizisks lielums, kas norāda objekta karstuma vai aukstuma pakāpi. Mikroskopiski, tā ir objekta molekulu termiskās kustības intensitāte. Jo augstāka temperatūra, jo intensīvāka ir molekulu termiskā kustība objekta iekšienē.

Temperatūru var izmērīt tikai netieši, izmantojot noteiktas objekta īpašības, kas mainās līdz ar temperatūru, un skalu, ko izmanto objekta temperatūras vērtības mērīšanai, sauc par temperatūras skalu. Tas norāda sākuma punktu (nulles punkts) temperatūras rādījumu un temperatūras mērīšanas pamatvienību. Starptautiskā mērvienība ir termodinamiskā skala (Kandids). Citas temperatūras skalas, kuras pašlaik vairāk izmanto starptautiskā mērogā, ir Fārenheita skala (° F), Celsija skala (° C) un starptautiskā praktiskā temperatūras skala.

No molekulārās kustības teorijas viedokļa, temperatūra ir objekta molekulārās kustības vidējās kinētiskās enerģijas pazīme. Temperatūra ir liela skaita molekulu termiskās kustības kolektīva izpausme, un tai ir statistiska nozīme.

Simulācijas diagramma: Slēgtā telpā, gāzes molekulu kustības ātrums augstās temperatūrās ir ātrāks nekā zemās temperatūrās!

NTC temperatūras sensors ar nerūsējošā tērauda cauruļu zondes komplektu

NTC temperatūras sensors ar ABS korpusu zondes vadu 105°

NTC temperatūras sensors ar SEMITEC termistoru

2. Temperatūras sensors
Temperatūras sensors attiecas uz sensoru, kas var uztvert temperatūru un pārvērst to izmantojamā izejas signālā. Tā ir svarīga ierīce temperatūras noteikšanai un kontrolei. Starp visdažādākajiem sensoriem, temperatūras sensori ir vieni no visplašāk izmantotajiem un visstraujāk augošajiem sensoriem. Rūpnieciskās ražošanas automatizācijas procesā, temperatūras mērīšanas punkti veido apmēram pusi no visiem mērījumu punktiem.

3. Temperatūras sensoru sastāvs

Ii. Temperatūras sensoru izstrāde
Siltuma un aukstuma uztvere ir cilvēka pieredzes pamatā, taču temperatūras mērīšanas veida atrašana ir satriekusi daudzus izcilus cilvēkus. Nav skaidrs, vai senie grieķi vai ķīnieši vispirms atrada veidu, kā izmērīt temperatūru, bet ir ieraksti, ka temperatūras sensoru vēsture aizsākās renesansē.

Mēs sākam ar problēmām, ar kurām saskaras temperatūras mērīšana, un pēc tam iepazīstināt ar temperatūras sensoru attīstības vēsturi no dažādiem aspektiem [Avots: OMEGA rūpniecisko mērījumu baltās grāmatas dokuments]:

1. Mērīšanas izaicinājumi
Siltumu izmanto, lai izmērītu enerģiju, ko satur veselums vai objekts. Jo lielāka enerģija, jo augstāka temperatūra. Lai arī, atšķirībā no fizikālajām īpašībām, piemēram, masas un garuma, siltumu ir grūti tieši izmērīt, tāpēc lielākā daļa mērīšanas metožu ir netiešas, un temperatūra tiek secināta, novērojot objekta sildīšanas efektu. Tāpēc, siltuma mērīšanas standarts vienmēr ir bijis izaicinājums.

In 1664, Roberts Huks ierosināja izmantot ūdens sasalšanas punktu kā temperatūras atskaites punktu. Ole Reimers uzskatīja, ka ir jānosaka divi fiksēti punkti, un viņš izvēlējās Huka sasalšanas punktu un ūdens viršanas temperatūru. Lai arī, Kā izmērīt karsto un auksto priekšmetu temperatūru vienmēr ir bijusi problēma. 19. gadsimtā, tādi zinātnieki kā Gay-Lussac, kurš studējis gāzes likumu, konstatēja, ka tad, kad gāzi karsē pastāvīgā spiedienā, temperatūra paaugstinās par 1 grādiem pēc Celsija un skaļums palielinās par 1/267 (vēlāk pārskatīts uz 1/273.15), un jēdziens 0 grādi -273,15℃ tika iegūts.

2. Ievērojiet paplašināšanos: šķidrumi un bimetāli
Saskaņā ar ziņojumiem, Tiek uzskatīts, ka Galileo ir izveidojis ierīci, kas rāda apkārtējās temperatūras izmaiņas 1592. Šī ierīce ietekmē ūdens stabu, kontrolējot gaisa saraušanos traukā, un ūdens staba augstums norāda dzesēšanas pakāpi. Bet tāpēc, ka šo ierīci viegli ietekmē gaisa spiediens, to var uzskatīt tikai par jaunu rotaļlietu.

Termometru, kādu mēs zinām, izgudroja Santorio Santorii Itālijā gadā 1612. Viņš aizzīmogoja šķidrumu stikla mēģenē un novēroja tā kustību, kad tas izpletās.

Uzliekot dažus svarus uz caurules, bija vieglāk redzēt izmaiņas, taču sistēmai joprojām trūka precīzu mērvienību. Ar Reimeru strādāja Gabriels Fārenheits. Viņš sāka ražot termometrus, izmantojot spirtu un dzīvsudrabu kā šķidrumu. Dzīvsudrabs bija ideāls, jo tam bija lineāra reakcija uz temperatūras izmaiņām lielā diapazonā, bet tas bija ļoti toksisks, tāpēc tagad to lieto arvien retāk. Tiek pētīti citi alternatīvi šķidrumi, bet to joprojām plaši izmanto.

Bimetāla temperatūras sensors tika izgudrots 1800. gadu beigās. Tas izmanto divu metāla lokšņu nevienmērīgo izplešanos, kad tās ir savienotas. Temperatūras maiņa liek metāla loksnēm izliekties, ko var izmantot, lai aktivizētu termostatu vai skaitītāju, kas ir līdzīgs tiem, ko izmanto gāzes režģos. Šī sensora precizitāte nav augsta, varbūt plus mīnus divi grādi, bet to plaši izmanto arī zemās cenas dēļ.

3. Termoelektriskais efekts
1800. gadu sākumā, elektrība bija aizraujošs lauks. Zinātnieki atklāja, ka dažādiem metāliem ir atšķirīga pretestība un vadītspēja. In 1821, Tomass Johans Zībeks atklāja termoelektrisko efektu, Tas nozīmē, ka dažādus metālus var savienot kopā un novietot dažādās temperatūrās, lai radītu spriegumu. Deivis demonstrēja korelāciju starp metāla pretestību un temperatūru. Bekerels ierosināja izmantot platīna-platīna termopārus temperatūras mērīšanai, un faktisko ierīci radīja Leopolds gadā 1829. Platīnu var izmantot arī pretestības temperatūras detektoros, gadā izgudroja Maierss 1932. Tas ir viens no precīzākajiem sensoriem temperatūras mērīšanai.

Stiepļu RTD ir trauslas un tāpēc nav piemērotas rūpnieciskiem lietojumiem. Pēdējos gados ir attīstījušies plānās plēves RTD, kas nav tik precīzi kā stieples RTD, bet ir izturīgāki. 20. gadsimtā tika izgudrotas arī pusvadītāju temperatūras mērīšanas ierīces. Pusvadītāju temperatūras mērīšanas ierīces reaģē uz temperatūras izmaiņām un tām ir augsta precizitāte, bet vēl nesen, tiem trūkst linearitātes.

4. Termiskais starojums
Ļoti karsti metāli un kausēti metāli rada siltumu, izstaro siltumu un redzamo gaismu. Pie zemākām temperatūrām, tie arī izstaro siltumenerģiju, bet ar garākiem viļņu garumiem. gadā britu astronoms Viljams Heršels atklāja 1800 ka šis “izplūdis” gaisma vai infrasarkanā gaisma rada siltumu.

Darbs ar tautieti Meloni, Robelli atklāja veidu, kā noteikt šo starojuma enerģiju, virknē savienojot termopārus, lai izveidotu termopili. Tam sekoja 1878 pēc bolometra. Izgudroja amerikānis Samuels Lenglijs, tas izmantoja divas platīna sloksnes, viens nomelnējis vienas rokas tilta izkārtojumā. Sildīšana ar infrasarkano starojumu radīja izmērāmas pretestības izmaiņas. Bolometri ir jutīgi pret plašu infrasarkano staru viļņu garumu diapazonu.

Turpretī, starojuma kvantu detektora tipa ierīces, kas tika izstrādāti kopš pagājušā gadsimta četrdesmitajiem gadiem, reaģēja tikai uz infrasarkano gaismu ierobežotā joslā. Šodien, plaši tiek izmantoti lēti pirometri, un kļūs arvien vairāk, jo termoattēlveidošanas kameru cena samazināsies.

5. Temperatūras skala
Kad Fārenheits uztaisīja termometru, viņš saprata, ka viņam vajadzīga temperatūras skala. Viņš noteica 30 grādi sālsūdens kā sasalšanas punkts un vairāk 180 grādi sālsūdens kā vārīšanās temperatūra. 25 gadus vēlāk, Anderss Celsiuss ierosināja izmantot skalu 0-100, un šodienas “Celsija” arī nosaukts viņa vārdā.

Vēlāk, Viljams Tomsons atklāja priekšrocības, ko sniedz fiksēta punkta noteikšana vienā skalas galā, un tad Kelvins ierosināja iestatīt 0 grādi kā Celsija sistēmas sākumpunkts. Tas veidoja Kelvina temperatūras skalu, ko šodien izmanto zinātnē.

III. Temperatūras sensoru klasifikācija
Ir daudz veidu temperatūras sensoru, un tiem ir dažādi nosaukumi atbilstoši dažādiem klasifikācijas standartiem.

1. Klasifikācija pēc mērīšanas metodes
Saskaņā ar mērīšanas metodi, tos var iedalīt divās kategorijās: kontakts un bezkontakts.

(1) Kontakta temperatūras sensors:

Sensors tieši saskaras ar mērāmo objektu, lai izmērītu temperatūru. Tā kā mērāmā objekta siltums tiek pārnests uz sensoru, tiek samazināta mērāmā objekta temperatūra. Jo īpaši, kad mērāmā objekta siltumietilpība ir maza, mērījumu precizitāte ir zema. Tāpēc, priekšnoteikums, lai šādā veidā mērītu objekta patieso temperatūru, ir pietiekami liela mērītā objekta siltumietilpība.

(2) Bezkontakta temperatūras sensors:
Tas galvenokārt izmanto infrasarkano starojumu, ko izstaro mērītā objekta termiskais starojums, lai izmērītu objekta temperatūru, un to var mērīt attālināti. Tās ražošanas izmaksas ir augstas, bet mērījumu precizitāte ir zema. Priekšrocības ir tādas, ka tas neuzsūc siltumu no mērītā objekta; tas netraucē mērītā objekta temperatūras lauku; nepārtraukta mērīšana nerada patēriņu; tam ir ātra reakcija, utt..

2. Klasifikācija pēc dažādām fizikālām parādībām
Papildus, ir mikroviļņu temperatūras sensori, trokšņa temperatūras sensori, temperatūras kartes temperatūras sensori, siltuma plūsmas mērītāji, strūklas termometri, kodolmagnētiskās rezonanses termometri, Mossbauer efekta termometri, Džozefsona efekta termometri, zemas temperatūras supravadīšanas pārveidošanas termometri, optiskās šķiedras temperatūras sensori, utt.. Daži no šiem temperatūras sensoriem ir izmantoti, un daži joprojām tiek izstrādāti.

Ūdensnecaurlaidīgs, pretkorozijas RTD PT100 temperatūras sensors

RTD PT100 Temperatūras sensors ar 1-2 NPT ārējais vītņots savienojums

PT100 Temperatūras sensora RTD zonde ar 6 collu zondes garums

100 Ohm A klases platīna elements (PT100)
Temperatūras koeficients, a = 0.00385.
304 Nerūsējošā tērauda apvalks
Izturīgs pārejas savienojums ar spriedzes mazināšanu
Zondes garums – 6 Collas (152 mm) vai 12 Collas (305mm)
Zondes diametrs 1/8 collu (3 mm)
Trīs vadi 72 collu (1.8m) Svina vads, kas beidzas lāpstas izciļņos
Temperatūras novērtējums : 660° F (350° C)

PT100 sērija ir RTD zondes ar nerūsējošā tērauda apvalku un 100 omi platīna RTD elements. PT100-11 ir pieejami ar 6 vai 12 collu zondes garums. Šīm zondēm ir 3 mm diametra apvalks, kas izgatavots no 304 nerūsējošais tērauds, lieljaudas pārejas savienojums, kas savieno zondi ar svina vadiem un 72 collas svina stieples, kas beidzas ar krāsu kodētām lāpstas izciļņiem. Lai nodrošinātu augstas precizitātes mērījumus, tiek izmantots A klases sensora elements.

PT100 zonde ir labi piemērota rūpnieciskai videi. RTD ir uz pretestību balstīti sensori, tāpēc elektriskajam troksnim ir minimāla ietekme uz signāla kvalitāti. Trīs vadu vadu dizains kompensē svina stieples pretestību, ļaujot stiept ilgāk, būtiski neietekmējot precizitāti. Izturīgais pārejas savienojums ar atsperu stieples nostiepumu nodrošina ļoti mehāniski drošu savienojumu starp vadu un zondi.