Temperatursensor ( NTC / FoTU ) begrepp, utveckling och klassificering

jag. Grundläggande begrepp för temperatursensor
1. Temperatur
Temperatur är en fysisk storhet som anger graden av hethet eller kyla hos ett föremål. Mikroskopiskt, det är intensiteten av den termiska rörelsen hos ett föremåls molekyler. Ju högre temperatur, desto intensivare är den termiska rörelsen av molekylerna inuti föremålet.

Temperatur kan endast mätas indirekt genom vissa egenskaper hos ett objekt som förändras med temperaturen, och skalan som används för att mäta temperaturvärdet på ett objekt kallas en temperaturskala. Den anger utgångspunkten (nollpunkt) av temperaturavläsningen och grundenheten för temperaturmätning. Den internationella enheten är den termodynamiska skalan (K). Andra temperaturskalor som för närvarande används mer internationellt är Fahrenheit-skalan (°F), Celsiusskalan (°C) och den internationella praktiska temperaturskalan.

Ur molekylär rörelseteoris perspektiv, temperatur är ett tecken på den genomsnittliga kinetiska energin för ett föremåls molekylära rörelse. Temperatur är det kollektiva uttrycket för den termiska rörelsen hos ett stort antal molekyler och innehåller statistisk signifikans.

Simuleringsdiagram: I ett slutet utrymme, rörelsehastigheten för gasmolekyler vid höga temperaturer är snabbare än vid låga temperaturer!

NTC temperatursensor med rostfri rörsondsats

NTC-temperaturgivare med ABS-hus sondetråd 105°

NTC temperaturgivare med SEMITEC termistor

2. Temperatursensor
En temperatursensor avser en sensor som kan känna av temperatur och omvandla den till en användbar utsignal. Det är en viktig anordning för att realisera temperaturdetektering och kontroll. Bland det stora utbudet av sensorer, temperatursensorer är en av de mest använda och snabbast växande sensorerna. I automatiseringsprocessen för industriell produktion, temperaturmätpunkter står för ungefär hälften av alla mätpunkter.

3. Sammansättning av temperatursensorer

Ii. Utveckling av temperatursensorer
Uppfattningen om värme och kyla är grunden för mänsklig erfarenhet, men att hitta ett sätt att mäta temperatur har stört många stora män. Det är inte klart om de gamla grekerna eller kineserna först hittade ett sätt att mäta temperatur, men det finns uppgifter om att historien om temperatursensorer började under renässansen.

Vi börjar med de utmaningar som temperaturmätning står inför, och sedan introducera utvecklingshistorien för temperatursensorer från olika aspekter [Källa: OMEGA Industrial Measurement White Paper Document]:

1. Utmaningar med mätning
Värme används för att mäta energin som finns i en helhet eller ett föremål. Ju större energi, ju högre temperatur. Dock, till skillnad från fysikaliska egenskaper som massa och längd, värme är svårt att mäta direkt, så de flesta mätmetoder är indirekta, och temperaturen härleds genom att observera effekten av att värma föremålet. Därför, mätningsstandarden för värme har alltid varit en utmaning.

I 1664, Robert Hooke föreslog att vattnets fryspunkt skulle användas som referenspunkt för temperatur. Ole Reimer menade att två fasta punkter borde fastställas, och han valde Hookes fryspunkt och kokpunkten för vatten. Dock, hur man mäter temperaturen på varma och kalla föremål har alltid varit ett problem. På 1800-talet, forskare som Gay-Lussac, som studerade gaslagen, fann att när en gas värms upp under konstant tryck, temperaturen stiger med 1 grad Celsius och volymen ökar med 1/267 (senare reviderad till 1/273.15), och begreppet 0 grader -273,15 ℃ härleddes.

2. Observera expansion: vätskor och bimetaller
Enligt rapporter, Galileo tros ha gjort en enhet som visar temperaturförändringar runt omkring 1592. Denna anordning påverkar vattenpelaren genom att kontrollera sammandragningen av luft i en behållare, och vattenpelarens höjd anger graden av kylning. Men eftersom denna enhet lätt påverkas av lufttrycket, den kan bara betraktas som en ny leksak.

Termometern som vi känner den uppfanns av Santorio Santorii i Italien i 1612. Han förseglade vätskan i ett glasrör och observerade dess rörelse när den expanderade.

Att sätta några fjäll på röret gjorde det lättare att se förändringarna, men systemet saknade fortfarande exakta enheter. Gabriel Fahrenheit arbetade med Reimer. Han började tillverka termometrar med alkohol och kvicksilver som vätskor. Kvicksilver var perfekt eftersom det hade ett linjärt svar på temperaturförändringar över ett stort område, men det var mycket giftigt, så det används nu mindre och mindre. Andra alternativa vätskor studeras, men det används fortfarande flitigt.

Den bimetalliska temperatursensorn uppfanns i slutet av 1800-talet. Den drar fördel av den ojämna expansionen av två metallplåtar när de sammanfogas. Temperaturförändringen gör att metallplåtarna böjs, som kan användas för att aktivera en termostat eller mätare liknande de som används i gasolgrillar. Noggrannheten hos denna sensor är inte hög, kanske plus eller minus två grader, men det används också flitigt på grund av dess låga pris.

3. Termoelektrisk effekt
I början av 1800-talet, elektricitet var ett spännande område. Forskare upptäckte att olika metaller har olika motstånd och ledningsförmåga. I 1821, Thomas Johann Seebeck upptäckte den termoelektriska effekten, vilket är att olika metaller kan kopplas samman och placeras vid olika temperaturer för att generera spänning. Davy visade korrelationen mellan metallresistivitet och temperatur. Becquerel föreslog användningen av platina-platina termoelement för temperaturmätning, och själva enheten skapades av Leopold i 1829. Platina kan också användas i motståndstemperaturdetektorer, uppfanns av Myers i 1932. Det är en av de mest exakta sensorerna för att mäta temperatur.

Trådlindade RTD:er är ömtåliga och därför olämpliga för industriella applikationer. Under de senaste åren har tunnfilms-RTD utvecklats, som inte är lika exakta som trådlindade RTD:er, men är mer robusta. På 1900-talet uppfanns också anordningar för mätning av halvledartemperatur. Halvledartemperaturmätningsanordningar reagerar på temperaturförändringar och har hög noggrannhet, men tills nyligen, de saknar linjäritet.

4. Termisk strålning
Mycket heta metaller och smälta metaller genererar värme, avger värme och synligt ljus. Vid lägre temperaturer, de utstrålar också termisk energi, men med längre våglängder. Den brittiske astronomen William Herschel upptäckte i 1800 att detta “suddig” ljus eller infrarött ljus genererar värme.

Arbetar med landsmannen Meloni, Robelli upptäckte ett sätt att detektera denna strålningsenergi genom att koppla termoelement i serie för att skapa en termostapel. Detta följdes in 1878 vid bolometern. Uppfanns av amerikanen Samuel Langley, denna använde två platinaremsor, en svärtad i ett enarmat broarrangemang. Uppvärmning med infraröd strålning gav en mätbar förändring i motståndet. Bolometrar är känsliga för ett brett spektrum av infraröda våglängder.

Däremot, anordningar av typen strålningskvantdetektor, som hade utvecklats sedan 1940-talet, svarade endast på infrarött ljus i ett begränsat band. I dag, billiga pyrometrar används ofta, och kommer att bli mer när priset på värmekameror faller.

5. Temperaturskala
När Fahrenheit gjorde termometern, han insåg att han behövde en temperaturskala. Han satte 30 grader saltvatten som fryspunkt och över 180 grader saltvatten som kokpunkt. 25 år senare, Anders Celsius föreslog att använda en skala på 0-100, och dagens “Celsius” är också uppkallad efter honom.

Senare, William Thomson upptäckte fördelarna med att sätta en fast punkt i ena änden av skalan, och sedan föreslog Kelvin att ställa 0 grader som utgångspunkten för Celsiussystemet. Detta bildade Kelvin temperaturskalan som används inom vetenskapen idag.

III. Klassificering av temperatursensorer
Det finns många typer av temperatursensorer, och de har olika namn enligt olika klassificeringsstandarder.

1. Klassificering efter mätmetod
Enligt mätmetoden, de kan delas in i två kategorier: kontakt och icke-kontakt.

(1) Kontakt temperaturgivare:

Sensorn kommer direkt i kontakt med objektet som ska mätas för att mäta temperaturen. Eftersom värmen från objektet som ska mätas överförs till sensorn, temperaturen på föremålet som ska mätas reduceras. Särskilt, när värmekapaciteten för objektet som ska mätas är liten, mätnoggrannheten är låg. Därför, förutsättningen för att mäta den verkliga temperaturen på ett föremål på detta sätt är att värmekapaciteten hos det föremål som mäts är tillräckligt stor.

(2) Beröringsfri temperaturgivare:
Den använder huvudsakligen den infraröda strålningen som sänds ut av den termiska strålningen från objektet som mäts för att mäta objektets temperatur, och kan fjärrmätas. Dess tillverkningskostnad är hög, men mätnoggrannheten är låg. Fördelarna är att den inte tar upp värme från objektet som mäts; det stör inte temperaturfältet för objektet som mäts; kontinuerlig mätning genererar inte förbrukning; den har ett snabbt svar, etc.

2. Klassificering efter olika fysikaliska fenomen
Dessutom, det finns mikrovågstemperatursensorer, ljudtemperaturgivare, temperaturkarta temperatursensorer, värmeflödesmätare, jettermometrar, kärnmagnetiska resonanstermometrar, Mossbauer effekttermometrar, Josephson effekttermometrar, lågtemperatur supraledande omvandlingstermometrar, optiska fibertemperatursensorer, etc. Några av dessa temperatursensorer har använts, och några är fortfarande under utveckling.

Vattentät, korrosionsskydd RTD PT100 temperaturgivare

RTD PT100 Temperaturgivare med 1-2 NPT extern gängad anslutning

PT100 Temperaturgivare RTD-sond med 6 tum sondlängd

100 Ohm Klass A Platinum Element (PT100)
Temperaturkoefficient, A = 0.00385.
304 Slida i rostfritt stål
Robust Transition Junction med dragavlastning
Sondlängd – 6 Inches (152 mm) eller 12 Inches (305mm)
Sonddiameter 1/8 tum (3 mm)
Tretråd 72 Tum (1.8m) Blytråd som avslutas i spadskor
Temperaturbetyg : 660°F (350°C)

PT100-serien är RTD-sonder med rostfritt stålmantel och 100 ohm platina RTD-element. PT100-11 finns med 6 eller 12 tum sondlängd. Dessa prober har ett hölje med en diameter på 3 mm konstruerat av 304 rostfritt stål, en kraftig övergångsfog som ansluter sonden till ledningstrådarna och 72 tum av blytråd som slutar i färgkodade spadklackar. Ett klass A-sensorelement används för att ge mätningar med hög noggrannhet.

PT100-sonden är väl lämpad för industriella miljöer. RTD:er är motståndsbaserade sensorer så elektriskt brus har en minimal effekt på signalkvaliteten. Den tretrådiga ledningsdesignen kompenserar för ledningstrådsmotståndet, vilket tillåter längre ledningsdrag utan betydande inverkan på noggrannheten. Den robusta övergångsfogen med fjädertrådsavlastning ger en mycket mekaniskt sund anslutning mellan tråden och sonden.