Sensor suhu ( NTC / Rtd ) konsep, pembangunan dan klasifikasi

I. Konsep asas penderia suhu
1. Suhu
Suhu ialah kuantiti fizik yang menunjukkan tahap kepanasan atau kesejukan sesuatu objek. Secara mikroskopik, ia adalah keamatan gerakan haba molekul sesuatu objek. Semakin tinggi suhu, semakin sengit gerakan terma molekul di dalam objek.

Suhu hanya boleh diukur secara tidak langsung melalui ciri-ciri tertentu sesuatu objek yang berubah mengikut suhu, dan skala yang digunakan untuk mengukur nilai suhu sesuatu objek dipanggil skala suhu. Ia menentukan titik permulaan (titik sifar) bacaan suhu dan unit asas untuk mengukur suhu. Unit antarabangsa ialah skala termodinamik (K). Skala suhu lain yang kini digunakan lebih antarabangsa ialah skala Fahrenheit (° f), skala Celsius (° C.) dan skala suhu praktikal antarabangsa.

Dari perspektif teori gerakan molekul, suhu ialah tanda tenaga kinetik purata bagi pergerakan molekul sesuatu objek. Suhu ialah ungkapan kolektif pergerakan haba sebilangan besar molekul dan mengandungi kepentingan statistik.

Gambar rajah simulasi: Dalam ruang tertutup, kelajuan pergerakan molekul gas pada suhu tinggi adalah lebih cepat daripada pada suhu rendah!

Penderia suhu NTC dengan kit kuar tiub keluli tahan karat

Penderia suhu NTC dengan wayar probe perumah ABS 105°

Sensor suhu NTC dengan termistor SEMITEC

2. Sensor suhu
Penderia suhu merujuk kepada penderia yang boleh mengesan suhu dan menukarnya menjadi isyarat keluaran yang boleh digunakan. Ia adalah peranti penting untuk merealisasikan pengesanan dan kawalan suhu. Antara pelbagai jenis sensor, penderia suhu adalah salah satu penderia yang paling banyak digunakan dan paling cepat berkembang. Dalam proses automasi pengeluaran perindustrian, titik pengukuran suhu menyumbang kira-kira separuh daripada semua titik pengukuran.

3. Komposisi penderia suhu

Ii. Perkembangan sensor suhu
Persepsi panas dan sejuk adalah asas pengalaman manusia, tetapi mencari cara untuk mengukur suhu telah mengejutkan ramai lelaki hebat. Tidak jelas sama ada orang Yunani kuno atau orang Cina pertama kali menemui cara untuk mengukur suhu, tetapi terdapat rekod bahawa sejarah sensor suhu bermula pada zaman Renaissance.

Kita mulakan dengan cabaran yang dihadapi oleh pengukuran suhu, dan kemudian memperkenalkan sejarah pembangunan penderia suhu dari aspek yang berbeza [Sumber: Dokumen Kertas Putih Pengukuran Industri OMEGA]:

1. Cabaran pengukuran
Haba digunakan untuk mengukur tenaga yang terkandung dalam keseluruhan atau objek. Semakin besar tenaga, semakin tinggi suhu. Walau bagaimanapun, tidak seperti sifat fizikal seperti jisim dan panjang, haba sukar diukur secara langsung, jadi kebanyakan kaedah pengukuran adalah tidak langsung, dan suhu disimpulkan dengan memerhati kesan pemanasan objek. Oleh itu, piawaian pengukuran haba sentiasa menjadi cabaran.

Dalam 1664, Robert Hooke mencadangkan menggunakan takat beku air sebagai titik rujukan suhu. Ole Reimer percaya bahawa dua mata tetap harus ditentukan, dan dia memilih takat beku Hooke dan takat didih air. Walau bagaimanapun, bagaimana untuk mengukur suhu objek panas dan sejuk sentiasa menjadi masalah. Pada abad ke-19, saintis seperti Gay-Lussac, yang mempelajari undang-undang gas, mendapati bahawa apabila gas dipanaskan di bawah tekanan malar, suhu meningkat sebanyak 1 darjah Celsius dan isipadu bertambah sebanyak 1/267 (kemudian disemak semula kepada 1/273.15), dan konsep 0 darjah -273.15 ℃ diperolehi.

2. Perhatikan pengembangan: cecair dan dwilogam
Menurut laporan, Galileo dipercayai telah membuat peranti yang menunjukkan perubahan suhu di sekeliling 1592. Peranti ini menjejaskan lajur air dengan mengawal pengecutan udara dalam bekas, dan ketinggian lajur air menunjukkan tahap penyejukan. Tetapi kerana peranti ini mudah dipengaruhi oleh tekanan udara, ia hanya boleh dianggap sebagai mainan novel.

Termometer seperti yang kita tahu ia dicipta oleh Santorio Santorii di Itali pada tahun 1612. Dia menutup cecair dalam tiub kaca dan memerhatikan pergerakannya apabila ia mengembang.

Meletakkan beberapa penimbang pada tiub memudahkan untuk melihat perubahan, tetapi sistem masih kekurangan unit yang tepat. Bekerja dengan Reimer ialah Gabriel Fahrenheit. Dia mula menghasilkan termometer menggunakan alkohol dan merkuri sebagai cecair. Merkuri adalah sempurna kerana ia mempunyai tindak balas linear terhadap perubahan suhu dalam julat yang besar, tetapi ia sangat toksik, jadi ia kini digunakan semakin kurang. Cecair alternatif lain sedang dikaji, tetapi ia masih digunakan secara meluas.

Sensor suhu dwilogam telah dicipta pada akhir 1800-an. Ia mengambil kesempatan daripada pengembangan tidak sekata dua kepingan logam apabila ia dicantumkan. Perubahan suhu menyebabkan kepingan logam bengkok, yang boleh digunakan untuk mengaktifkan termostat atau meter yang serupa dengan yang digunakan dalam jeriji gas. Ketepatan sensor ini tidak tinggi, mungkin tambah atau tolak dua darjah, tetapi ia juga digunakan secara meluas kerana harganya yang rendah.

3. Kesan termoelektrik
Pada awal tahun 1800-an, elektrik adalah medan yang menarik. Para saintis mendapati bahawa logam yang berbeza mempunyai rintangan dan kekonduksian yang berbeza. Dalam 1821, Thomas Johann Seebeck menemui kesan termoelektrik, iaitu logam yang berbeza boleh disambungkan bersama dan diletakkan pada suhu yang berbeza untuk menghasilkan voltan. Davy menunjukkan korelasi antara kerintangan logam dan suhu. Becquerel mencadangkan penggunaan termokopel platinum-platinum untuk pengukuran suhu, dan peranti sebenar telah dicipta oleh Leopold dalam 1829. Platinum juga boleh digunakan dalam pengesan suhu rintangan, dicipta oleh Myers dalam 1932. Ia adalah salah satu penderia yang paling tepat untuk mengukur suhu.

RTD Wirewound adalah rapuh dan oleh itu tidak sesuai untuk aplikasi industri. Tahun-tahun kebelakangan ini telah menyaksikan perkembangan RTD filem nipis, yang tidak tepat seperti RTD wirewound, tetapi lebih mantap. Abad ke-20 juga menyaksikan penciptaan peranti pengukuran suhu semikonduktor. Peranti pengukuran suhu semikonduktor bertindak balas terhadap perubahan suhu dan mempunyai ketepatan yang tinggi, tetapi sehingga baru-baru ini, mereka tidak mempunyai lineariti.

4. Sinaran terma
Logam yang sangat panas dan logam lebur menghasilkan haba, memancarkan haba dan cahaya nampak. Pada suhu yang lebih rendah, mereka juga memancarkan tenaga haba, tetapi dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Ahli astronomi British William Herschel ditemui di 1800 bahawa ini “kabur” cahaya atau cahaya inframerah menghasilkan haba.

Bekerja dengan rakan senegara Meloni, Robelli menemui cara untuk mengesan tenaga pancaran ini dengan menyambungkan termokopel secara bersiri untuk mencipta termopile. Ini diikuti dalam 1878 oleh bolometer. Dicipta oleh Samuel Langley dari Amerika, ini menggunakan dua jalur platinum, satu dihitamkan dalam susunan jambatan satu lengan. Pemanasan oleh sinaran inframerah menghasilkan perubahan rintangan yang boleh diukur. Bolometer sensitif kepada pelbagai panjang gelombang inframerah.

Sebaliknya, peranti jenis pengesan kuantum sinaran, yang telah dibangunkan sejak tahun 1940-an, hanya bertindak balas kepada cahaya inframerah dalam jalur terhad. Hari ini, pyrometer murah digunakan secara meluas, dan akan menjadi lebih-lebih lagi apabila harga kamera pengimejan haba jatuh.

5. Skala suhu
Apabila Fahrenheit membuat termometer, dia menyedari bahawa dia memerlukan skala suhu. Dia menetapkan 30 darjah air masin sebagai takat beku dan lebih 180 darjah air masin sebagai takat didih. 25 tahun kemudian, Anders Celsius mencadangkan untuk menggunakan skala 0-100, dan hari ini “Celcius” juga dinamakan sempena namanya.

Nanti, William Thomson menemui faedah menetapkan titik tetap pada satu hujung skala, dan kemudian Kelvin mencadangkan untuk menetapkan 0 darjah sebagai titik permulaan sistem Celsius. Ini membentuk skala suhu Kelvin yang digunakan dalam sains hari ini.

Iii. Klasifikasi penderia suhu
Terdapat banyak jenis sensor suhu, dan mereka mempunyai nama yang berbeza mengikut piawaian klasifikasi yang berbeza.

1. Pengelasan mengikut kaedah pengukuran
Menurut kaedah pengukuran, mereka boleh dibahagikan kepada dua kategori: kenalan dan bukan kenalan.

(1) Hubungi sensor suhu:

Sensor terus menghubungi objek yang akan diukur untuk mengukur suhu. Apabila haba objek yang hendak diukur dipindahkan ke penderia, suhu objek yang hendak diukur dikurangkan. Khususnya, apabila muatan haba objek yang hendak disukat adalah kecil, ketepatan pengukuran adalah rendah. Oleh itu, prasyarat untuk mengukur suhu sebenar objek dengan cara ini ialah kapasiti haba objek yang diukur adalah cukup besar.

(2) Sensor suhu bukan sentuhan:
Ia terutamanya menggunakan sinaran inframerah yang dipancarkan oleh sinaran haba objek yang diukur untuk mengukur suhu objek, dan boleh diukur dari jauh. Kos pembuatannya tinggi, tetapi ketepatan pengukuran adalah rendah. Kelebihannya ialah ia tidak menyerap haba daripada objek yang diukur; ia tidak mengganggu medan suhu objek yang diukur; pengukuran berterusan tidak menjana penggunaan; ia mempunyai tindak balas yang cepat, dll.

2. Pengelasan mengikut fenomena fizikal yang berbeza
Di samping itu, terdapat pengesan suhu gelombang mikro, penderia suhu bunyi, penderia suhu peta suhu, meter aliran haba, termometer jet, termometer resonans magnetik nuklear, Termometer kesan Mossbauer, Termometer kesan Josephson, termometer penukaran superkonduktor suhu rendah, penderia suhu gentian optik, dll. Beberapa penderia suhu ini telah digunakan, dan ada yang masih dalam pembangunan.

Kalis air, Sensor suhu anti-karat RTD PT100

RTD PT100 Sensor suhu dengan 1-2 Sambungan berulir luaran NPT

Penderia suhu PT100 Siasatan RTD dengan 6 panjang kuar inci

100 Ohm kelas a elemen platinum (PT100)
Pekali suhu, a = 0.00385.
304 Sarung keluli tahan karat
Persimpangan peralihan lasak dengan pelepasan terikan
Panjang siasatan – 6 Inci (152 mm) atau 12 Inci (305mm)
Diameter probe 1/8 inci (3 mm)
Tiga wayar 72 Inci (1.8m) Lead wire yang ditamatkan dalam lugs spade
Penilaian suhu : 660° f (350° C.)

Siri PT100 ialah probe RTD dengan sarung keluli tahan karat dan 100 unsur RTD platinum ohm. PT100-11 boleh didapati dengan 6 atau 12 panjang kuar inci. Probe ini mempunyai sarung diameter 3mm yang dibina daripada 304 Keluli tahan karat, sendi peralihan tugas berat yang menyambungkan probe ke wayar plumbum dan 72 inci wayar plumbum yang ditamatkan dalam lug spade berkod warna. Elemen penderia Kelas A digunakan untuk memberikan ukuran ketepatan yang tinggi.

Siasatan PT100 sangat sesuai untuk persekitaran industri. RTD ialah penderia berasaskan rintangan jadi hingar elektrik mempunyai kesan minimum pada kualiti isyarat. Reka bentuk tiga wayar plumbum mengimbangi rintangan wayar plumbum yang membolehkan wayar berjalan lebih lama tanpa kesan ketara pada ketepatan. Sambungan peralihan lasak dengan pelepasan terikan wayar spring menghasilkan sambungan bunyi yang sangat mekanikal antara wayar dan probe.