Temperatursensor ( NTC / Rtd ) konsept, utvikling og klassifisering

jeg. Grunnleggende konsepter for temperatursensor
1. Temperatur
Temperatur er en fysisk størrelse som indikerer graden av varmhet eller kulde på et objekt. Mikroskopisk, det er intensiteten av den termiske bevegelsen til molekylene til et objekt. Jo høyere temperatur, jo mer intens er den termiske bevegelsen til molekylene inne i objektet.

Temperatur kan bare måles indirekte gjennom visse egenskaper ved et objekt som endres med temperaturen, og skalaen som brukes til å måle temperaturverdien til et objekt kalles en temperaturskala. Den spesifiserer utgangspunktet (nullpunkt) av temperaturavlesningen og basisenheten for temperaturmåling. Den internasjonale enheten er den termodynamiske skalaen (K). Andre temperaturskalaer som i dag brukes mer internasjonalt er Fahrenheit-skalaen (° F.), Celsius-skalaen (° C.) og den internasjonale praktiske temperaturskalaen.

Fra perspektivet til molekylær bevegelsesteori, temperatur er et tegn på den gjennomsnittlige kinetiske energien til den molekylære bevegelsen til et objekt. Temperatur er det kollektive uttrykket for den termiske bevegelsen til et stort antall molekyler og inneholder statistisk signifikans.

Simuleringsdiagram: I et lukket rom, bevegelseshastigheten til gassmolekyler ved høye temperaturer er raskere enn ved lave temperaturer!

NTC temperatursensor med sondesett i rustfritt stål

NTC temperatursensor med ABS-hus sondetråd 105°

NTC temperatursensor med SEMITEC termistor

2. Temperatursensor
En temperatursensor refererer til en sensor som kan registrere temperatur og konvertere den til et brukbart utgangssignal. Det er en viktig enhet for å realisere temperaturdeteksjon og kontroll. Blant det store utvalget av sensorer, temperatursensorer er en av de mest brukte og raskest voksende sensorene. I automatiseringsprosessen for industriell produksjon, temperaturmålepunkter står for omtrent halvparten av alle målepunkter.

3. Sammensetning av temperatursensorer

II. Utvikling av temperatursensorer
Oppfatningen av varme og kulde er grunnlaget for menneskelig erfaring, men det å finne en måte å måle temperatur på har slått mange store menn på stuss. Det er ikke klart om de gamle grekerne eller kineserne først fant en måte å måle temperatur på, men det er opptegnelser om at historien til temperatursensorer begynte i renessansen.

Vi starter med utfordringene ved temperaturmåling, og deretter introdusere utviklingshistorien til temperatursensorer fra forskjellige aspekter [Kilde: OMEGA Industrial Measurement White Paper Document]:

1. Utfordringer ved måling
Varme brukes til å måle energien i en helhet eller gjenstand. Jo større energi, jo høyere temperatur. Imidlertid, i motsetning til fysiske egenskaper som masse og lengde, varme er vanskelig å måle direkte, så de fleste målemetoder er indirekte, og temperaturen utledes ved å observere effekten av oppvarming av objektet. Derfor, målestandarden for varme har alltid vært en utfordring.

I 1664, Robert Hooke foreslo å bruke frysepunktet til vann som referansepunkt for temperatur. Ole Reimer mente det burde fastsettes to faste punkter, og han valgte Hookes frysepunkt og kokepunktet for vann. Imidlertid, hvordan man måler temperaturen på varme og kalde gjenstander har alltid vært et problem. På 1800-tallet, forskere som Gay-Lussac, som studerte gassloven, funnet at når en gass varmes opp under konstant trykk, temperaturen stiger med 1 grad Celsius og volumet øker med 1/267 (senere revidert til 1/273.15), og konseptet med 0 grader -273,15 ℃ ble utledet.

2. Vær oppmerksom på utvidelse: væsker og bimetaller
I følge rapporter, Galileo antas å ha laget en enhet som viser temperaturendringer rundt 1592. Denne enheten påvirker vannsøylen ved å kontrollere sammentrekningen av luft i en beholder, og høyden på vannsøylen indikerer graden av avkjøling. Men fordi denne enheten lett påvirkes av lufttrykk, det kan bare betraktes som et nytt leketøy.

Termometeret slik vi kjenner det ble oppfunnet av Santorio Santorii i Italia i 1612. Han forseglet væsken i et glassrør og observerte dens bevegelse når den utvidet seg.

Å sette noen skalaer på røret gjorde det lettere å se endringene, men systemet manglet fortsatt presise enheter. Gabriel Fahrenheit jobbet med Reimer. Han begynte å produsere termometre med alkohol og kvikksølv som væsker. Kvikksølv var perfekt fordi det hadde en lineær respons på temperaturendringer over et stort område, men det var svært giftig, så den brukes nå mindre og mindre. Andre alternative væsker studeres, men det er fortsatt mye brukt.

Den bimetalliske temperatursensoren ble oppfunnet på slutten av 1800-tallet. Den drar fordel av den ujevne ekspansjonen til to metallplater når de er sammenføyd. Temperaturendringen får metallplatene til å bøye seg, som kan brukes til å aktivere en termostat eller måler tilsvarende de som brukes i gassgriller. Nøyaktigheten til denne sensoren er ikke høy, kanskje pluss eller minus to grader, men det er også mye brukt på grunn av sin lave pris.

3. Termoelektrisk effekt
På begynnelsen av 1800-tallet, elektrisitet var et spennende felt. Forskere oppdaget at forskjellige metaller har ulik motstand og ledningsevne. I 1821, Thomas Johann Seebeck oppdaget den termoelektriske effekten, som er at forskjellige metaller kan kobles sammen og plasseres ved forskjellige temperaturer for å generere spenning. Davy demonstrerte sammenhengen mellom metallresistivitet og temperatur. Becquerel foreslo bruk av platina-platina termoelementer for temperaturmåling, og selve enheten ble laget av Leopold i 1829. Platina kan også brukes i motstandstemperaturdetektorer, oppfunnet av Myers i 1932. Det er en av de mest nøyaktige sensorene for å måle temperatur.

Trådviklede RTDer er skjøre og derfor uegnet for industrielle applikasjoner. De siste årene har vi sett utviklingen av tynnfilm-RTDer, som ikke er like nøyaktige som trådviklede RTDer, men er mer robuste. Det 20. århundre så også oppfinnelsen av halvledertemperaturmålingsenheter. Halvledertemperaturmålingsenheter reagerer på temperaturendringer og har høy nøyaktighet, men inntil nylig, de mangler linearitet.

4. Termisk stråling
Svært varme metaller og smeltede metaller genererer varme, avgir varme og synlig lys. Ved lavere temperaturer, de utstråler også termisk energi, men med lengre bølgelengder. Den britiske astronomen William Herschel oppdaget i 1800 at dette “uklar” lys eller infrarødt lys genererer varme.

Jobber med landsmannen Meloni, Robelli oppdaget en måte å oppdage denne strålingsenergien ved å koble termoelementer i serie for å lage en termopil. Dette ble fulgt inn 1878 ved bolometeret. Oppfunnet av amerikanske Samuel Langley, denne brukte to platina strips, en svertet i et enarms broarrangement. Oppvarming med infrarød stråling ga en målbar endring i motstand. Bolometre er følsomme for et bredt spekter av infrarøde bølgelengder.

I kontrast, enheter av typen strålingskvantumdetektor, som hadde blitt utviklet siden 1940-tallet, reagerte kun på infrarødt lys i et begrenset bånd. I dag, rimelige pyrometre er mye brukt, og vil bli mer når prisen på varmekameraer faller.

5. Temperaturskala
Da Fahrenheit laget termometeret, han innså at han trengte en temperaturskala. Han satte 30 grader saltvann som frysepunkt og over 180 grader saltvann som kokepunkt. 25 år senere, Anders Celsius foreslo å bruke en skala på 0-100, og dagens “Celsius” er også oppkalt etter ham.

Seinere, William Thomson oppdaget fordelene med å sette et fast punkt i den ene enden av skalaen, og så foreslo Kelvin å sette 0 grader som utgangspunktet for Celsius-systemet. Dette dannet Kelvin-temperaturskalaen som brukes i vitenskapen i dag.

III. Klassifisering av temperatursensorer
Det finnes mange typer temperatursensorer, og de har forskjellige navn i henhold til forskjellige klassifiseringsstandarder.

1. Klassifisering etter målemetode
I henhold til målemetoden, de kan deles inn i to kategorier: kontakt og ikke-kontakt.

(1) Kontakt temperatursensor:

Sensoren kontakter objektet som skal måles direkte for å måle temperaturen. Ettersom varmen til objektet som skal måles overføres til sensoren, temperaturen på objektet som skal måles reduseres. Spesielt, når varmekapasiteten til objektet som skal måles er liten, målenøyaktigheten er lav. Derfor, forutsetningen for å måle den sanne temperaturen til et objekt på denne måten er at varmekapasiteten til objektet som måles er stor nok.

(2) Berøringsfri temperatursensor:
Den bruker hovedsakelig den infrarøde strålingen som sendes ut av den termiske strålingen til objektet som måles for å måle temperaturen til objektet, og kan fjernmåles. Dens produksjonskostnad er høy, men målenøyaktigheten er lav. Fordelene er at den ikke absorberer varme fra objektet som måles; det forstyrrer ikke temperaturfeltet til objektet som måles; kontinuerlig måling genererer ikke forbruk; den har rask respons, osv.

2. Klassifisering etter ulike fysiske fenomener
I tillegg, det er mikrobølgetemperatursensorer, støytemperatursensorer, temperaturkart temperatursensorer, varmestrømmålere, jet termometre, kjernemagnetiske resonanstermometre, Mossbauer effekt termometre, Josephson effekt termometre, lavtemperatur superledende konverteringstermometre, optiske fiber temperatursensorer, osv. Noen av disse temperatursensorene har blitt brukt, og noen er fortsatt under utvikling.

Vanntett, anti-korrosjon RTD PT100 temperatursensor

RTD PT100 Temperaturføler med 1-2 NPT ekstern gjenget tilkobling

PT100 Temperaturføler RTD-sonde med 6 tommers sondelengde

100 Ohm Klasse A Platinum Element (PT100)
Temperaturkoeffisient, a = 0.00385.
304 Hylse av rustfritt stål
Robust overgangskryss med strekkavlastning
Sondelengde – 6 Tommer (152 mm) eller 12 Tommer (305mm)
Probe diameter 1/8 tomme (3 mm)
Tre ledninger 72 tomme (1.8m) Blytråd som avsluttes i spadeplugger
Temperaturvurdering : 660° F. (350° C.)

PT100-serien er RTD-sonder med kappe i rustfritt stål og 100 ohm platina RTD-element. PT100-11 er tilgjengelig med 6 eller 12 tommers sondelengde. Disse sondene har en kappe med en diameter på 3 mm laget av 304 rustfritt stål, en kraftig overgangsskjøt som kobler sonden til ledningsledningene og 72 tommer med blytråd som ender i fargekodede spader. Et klasse A-sensorelement brukes for å gi målinger med høy nøyaktighet.

PT100-sonden er godt egnet for industrielle miljøer. RTD-er er motstandsbaserte sensorer, så elektrisk støy har minimal effekt på signalkvaliteten. Designet med tre ledninger kompenserer for ledningsmotstanden og tillater lengre ledningsløp uten vesentlig innvirkning på nøyaktigheten. Den robuste overgangsskjøten med fjærtrådstrekkavlastning gir en svært mekanisk god forbindelse mellom ledningen og sonden.