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

I. Osnovni koncepti senzorja temperature
1. Temperatura
Temperatura je fizikalna količina, ki označuje stopnjo vročine ali hladnosti predmeta. Mikroskopsko, je intenzivnost toplotnega gibanja molekul predmeta. Višja kot je temperatura, bolj intenzivno je toplotno gibanje molekul znotraj predmeta.

Temperaturo lahko merimo le posredno preko določenih lastnosti predmeta, ki se spreminjajo s temperaturo, in lestvica, ki se uporablja za merjenje temperaturne vrednosti predmeta, se imenuje temperaturna lestvica. Določa izhodišče (ničelna točka) odčitavanja temperature in osnovne enote za merjenje temperature. Mednarodna enota je termodinamična lestvica (K). Druge temperaturne lestvice, ki se trenutno uporabljajo bolj mednarodno, so Fahrenheitova lestvica (° F.), Celzijevo lestvico (°C) in mednarodno praktično temperaturno lestvico.

Z vidika teorije gibanja molekul, temperatura je znak povprečne kinetične energije molekularnega gibanja telesa. Temperatura je skupni izraz toplotnega gibanja velikega števila molekul in vsebuje statistično pomembnost.

Simulacijski diagram: V zaprtem prostoru, hitrost gibanja molekul plina pri visokih temperaturah je večja kot pri nizkih temperaturah!

Temperaturni senzor NTC s kompletom sonde iz nerjavnega jekla

Temperaturno tipalo NTC z ohišjem ABS, sonda z žico 105°

Temperaturni senzor NTC s termistorjem SEMITEC

2. Senzor temperature
Temperaturni senzor se nanaša na senzor, ki lahko zazna temperaturo in jo pretvori v uporaben izhodni signal. Je pomembna naprava za zaznavanje in nadzor temperature. Med najrazličnejšimi senzorji, temperaturni senzorji so eni najbolj razširjenih in najhitreje rastočih senzorjev. V procesu avtomatizacije industrijske proizvodnje, merilna mesta temperature predstavljajo približno polovico vseh merilnih mest.

3. Sestava temperaturnih senzorjev

Ii. Razvoj temperaturnih senzorjev
Zaznavanje toplote in mraza je osnova človekovih izkušenj, vendar je iskanje načina za merjenje temperature osupnilo mnoge velike ljudi. Ni jasno, ali so stari Grki ali Kitajci prvi našli način merjenja temperature, vendar obstajajo zapisi, da se je zgodovina temperaturnih senzorjev začela v renesansi.

Začnemo z izzivi, s katerimi se sooča merjenje temperature, in nato predstavi zgodovino razvoja temperaturnih senzorjev z različnih vidikov [Vir: Dokument bele knjige o industrijskih meritvah OMEGA]:

1. Izzivi merjenja
Toplota se uporablja za merjenje energije, ki jo vsebuje celota ali predmet. Večja kot je energija, višja je temperatura. Vendar, za razliko od fizikalnih lastnosti, kot sta masa in dolžina, toploto je težko neposredno izmeriti, zato je večina merilnih metod posrednih, temperatura pa se določi z opazovanjem učinka segrevanja predmeta. Zato, merilni standard toplote je bil vedno izziv.

noter 1664, Robert Hooke je predlagal uporabo ledišča vode kot referenčne točke za temperaturo. Ole Reimer je menil, da je treba določiti dve fiksni točki, in izbral je Hookovo ledišče in vrelišče vode. Vendar, kako izmeriti temperaturo vročih in hladnih predmetov je bil vedno problem. V 19. stoletju, znanstveniki, kot je Gay-Lussac, ki je študiral plinski zakon, ugotovili, da pri segrevanju plina pod stalnim tlakom, temperatura naraste za 1 stopinj Celzija in prostornina se poveča za 1/267 (pozneje spremenjen v 1/273.15), in koncept 0 stopinj -273,15 ℃.

2. Opazujte širitev: tekočine in bimetali
Po poročilih, Verjame se, da je Galileo naredil napravo, ki prikazuje temperaturne spremembe okolice 1592. Ta naprava vpliva na vodni stolpec tako, da nadzoruje krčenje zraka v posodi, višina vodnega stolpca pa kaže stopnjo ohlajanja. But because this device is easily affected by air pressure, it can only be regarded as a novel toy.

The thermometer as we know it was invented by Santorio Santorii in Italy in 1612. He sealed the liquid in a glass tube and observed its movement when it expanded.

Putting some scales on the tube made it easier to see the changes, but the system still lacked precise units. Working with Reimer was Gabriel Fahrenheit. He started to produce thermometers using alcohol and mercury as liquids. Mercury was perfect because it had a linear response to temperature changes over a large range, but it was highly toxic, so it is now used less and less. Other alternative liquids are being studied, but it is still widely used.

The bimetallic temperature sensor was invented in the late 1800s. Izkorišča prednost neenakomernega raztezanja dveh kovinskih plošč, ko sta spojeni. Sprememba temperature povzroči upogibanje kovinskih plošč, ki se lahko uporablja za aktiviranje termostata ali števca, podobnega tistim, ki se uporabljajo v plinskih rešetkah. Natančnost tega senzorja ni visoka, mogoče plus ali minus dve stopinji, vendar se pogosto uporablja tudi zaradi nizke cene.

3. Termoelektrični učinek
V začetku 19. stoletja, elektrika je bila razburljivo področje. Znanstveniki so ugotovili, da imajo različne kovine različno odpornost in prevodnost. noter 1821, Thomas Johann Seebeck je odkril termoelektrični učinek, kar pomeni, da je mogoče različne kovine povezati skupaj in postaviti na različne temperature, da ustvarijo napetost. Davy je pokazal korelacijo med kovinsko upornostjo in temperaturo. Becquerel je predlagal uporabo termoelementov platina-platina za merjenje temperature, in dejansko napravo je ustvaril Leopold leta 1829. Platina se lahko uporablja tudi v uporovnih temperaturnih detektorjih, ki ga je izumil Myers v 1932. Je eden najbolj natančnih senzorjev za merjenje temperature.

Žični RTD-ji so krhki in zato neprimerni za industrijsko uporabo. V zadnjih letih smo priča razvoju tankoslojnih RTD, ki niso tako natančni kot žični RTD-ji, vendar so bolj robustni. V 20. stoletju so izumili tudi polprevodniške naprave za merjenje temperature. Polprevodniške naprave za merjenje temperature se odzivajo na temperaturne spremembe in imajo visoko natančnost, ampak do nedavnega, nimajo linearnosti.

4. Toplotno sevanje
Zelo vroče kovine in staljene kovine proizvajajo toploto, oddaja toploto in vidno svetlobo. Pri nižjih temperaturah, sevajo tudi toplotno energijo, vendar z daljšimi valovnimi dolžinami. Britanski astronom William Herschel je odkril leta 1800 da to “mehka” svetloba ali infrardeča svetloba ustvarja toploto.

Delo z rojakinjo Meloni, Robelli je odkril način za zaznavanje te sevalne energije s povezovanjem termočlenov v seriji, da bi ustvaril termopil. Temu je sledilo v 1878 z bolometrom. Izumil Američan Samuel Langley, pri tem sta bila uporabljena dva platinasta trakova, ena počrnjena v postavitvi enokrakega mostu. Ogrevanje z infrardečim sevanjem je povzročilo merljivo spremembo upora. Bolometri so občutljivi na širok razpon infrardečih valovnih dolžin.

V nasprotju s tem, naprave tipa kvantnega detektorja sevanja, ki se je razvijal od leta 1940, odzivala le na infrardečo svetlobo v omejenem pasu. Danes, pogosto se uporabljajo poceni pirometri, in bo še več, ko bodo cene termovizijskih kamer padale.

5. Temperaturna lestvica
Ko je Fahrenheit izdelal termometer, spoznal je, da potrebuje temperaturno lestvico. Nastavil je 30 stopinj slane vode kot zmrzišče in več 180 stopinj slane vode kot vrelišče. 25 leta kasneje, Anders Celsius je predlagal uporabo lestvice 0-100, in današnji “Celzija” po njem se tudi imenuje.

Kasneje, William Thomson je odkril prednosti nastavitve fiksne točke na enem koncu lestvice, in potem je Kelvin predlagal nastavitev 0 stopinj kot izhodišče Celzijevega sistema. To je oblikovalo Kelvinovo temperaturno lestvico, ki se danes uporablja v znanosti.

Iii. Razvrstitev temperaturnih senzorjev
Obstaja veliko vrst temperaturnih senzorjev, in imajo različna imena glede na različne klasifikacijske standarde.

1. Razvrstitev po metodi merjenja
Glede na metodo merjenja, lahko jih razdelimo v dve kategoriji: kontaktne in brezkontaktne.

(1) Kontaktni senzor temperature:

Senzor se neposredno dotakne predmeta, ki ga želite izmeriti, da izmeri temperaturo. Ko se toplota predmeta, ki ga merimo, prenese na senzor, temperatura predmeta merjenja se zmanjša. Zlasti, ko je toplotna kapaciteta predmeta, ki ga merimo, majhna, natančnost merjenja je nizka. Zato, predpogoj za merjenje prave temperature predmeta na ta način je, da je toplotna kapaciteta predmeta, ki se meri, dovolj velika.

(2) Brezkontaktni senzor temperature:
Za merjenje temperature predmeta uporablja predvsem infrardeče sevanje, ki ga oddaja toplotno sevanje predmeta, ki se meri., in se lahko meri na daljavo. Njeni proizvodni stroški so visoki, vendar je natančnost merjenja nizka. Prednosti so, da ne absorbira toplote iz predmeta, ki se meri; ne posega v temperaturno polje predmeta, ki se meri; neprekinjeno merjenje ne ustvarja porabe; ima hiter odziv, itd.

2. Razvrstitev glede na različne fizikalne pojave
Poleg tega, obstajajo mikrovalovni temperaturni senzorji, senzorji temperature hrupa, temperaturni zemljevid temperaturni senzorji, merilniki toplotnega pretoka, brizgalni termometri, termometri z jedrsko magnetno resonanco, Termometri z Mossbauerjevim učinkom, Termometri z Josephsonovim učinkom, nizkotemperaturni superprevodni pretvorniški termometri, temperaturni senzorji iz optičnih vlaken, itd. Nekateri od teh temperaturnih senzorjev so bili uporabljeni, nekateri pa so še v razvoju.

Vodoodporen, protikorozijski temperaturni senzor RTD PT100

RTD PT100 Temperaturni senzor z 1-2 NPT zunanji navojni priključek

PT100 Senzor temperature RTD sonda z 6 palčna dolžina sonde

100 Ohmov platinasti element razreda A (PT100)
Temperaturni koeficient, a = 0.00385.
304 Plašč iz nerjavečega jekla
Robusten prehodni spoj z razbremenitvijo napetosti
Dolžina sonde – 6 Palcev (152 mm) oz 12 Palcev (305mm)
Premer sonde 1/8 palec (3 mm)
Tri žice 72 Palec (1.8m) Vodilna žica, zaključena v lopaticah
Temperaturna ocena : 660° F. (350°C)

Serija PT100 so sonde RTD z ovojom iz nerjavečega jekla in 100 ohm platinasti RTD element. PT100-11 je na voljo z 6 oz 12 palčna dolžina sonde. Te sonde imajo ovoj s premerom 3 mm, izdelan iz 304 nerjavno jeklo, močan prehodni spoj, ki povezuje sondo z vodilnimi žicami in 72 palcev svinčene žice, ki se končuje z barvno kodiranimi zatiči. Senzorski element razreda A se uporablja za zagotavljanje visoko natančnih meritev.

Sonda PT100 je zelo primerna za industrijska okolja. RTD so senzorji, ki temeljijo na uporu, tako da električni šum minimalno vpliva na kakovost signala. Zasnova s ​​tremi žicami kompenzira upor žice, kar omogoča daljše poteke žice brez pomembnega vpliva na natančnost. Robusten prehodni spoj z razbremenitvijo napetosti vzmetne žice omogoča zelo mehansko zanesljivo povezavo med žico in sondo.