เซ็นเซอร์อุณหภูมิ ( กทช / RTD ) แนวคิด, การพัฒนาและการจำแนกประเภท

ฉัน. แนวคิดพื้นฐานของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ
1. อุณหภูมิ
อุณหภูมิเป็นปริมาณทางกายภาพที่บ่งบอกถึงระดับความร้อนหรือความเย็นของวัตถุ. โดยใช้กล้องจุลทรรศน์, มันคือความเข้มของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลของวัตถุ. อุณหภูมิสูงขึ้น, การเคลื่อนที่ทางความร้อนของโมเลกุลที่รุนแรงยิ่งขึ้นภายในวัตถุ.

อุณหภูมิสามารถวัดได้ทางอ้อมผ่านลักษณะบางอย่างของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ, และสเกลที่ใช้ในการวัดค่าอุณหภูมิของวัตถุเรียกว่าสเกลอุณหภูมิ. มันระบุจุดเริ่มต้น (จุดศูนย์) ของการอ่านอุณหภูมิและหน่วยพื้นฐานสำหรับการวัดอุณหภูมิ. หน่วยระหว่างประเทศเป็นระดับอุณหพลศาสตร์ (เค). เครื่องชั่งอุณหภูมิอื่น ๆ ที่ใช้ในระดับสากลมากขึ้นคือระดับฟาเรนไฮต์ (° F), สเกลของเซลเซียส (องศาเซลเซียส) และระดับอุณหภูมิระหว่างประเทศ.

จากมุมมองของทฤษฎีการเคลื่อนไหวของโมเลกุล, อุณหภูมิเป็นสัญญาณของพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของวัตถุ. อุณหภูมิคือการแสดงออกโดยรวมของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลจำนวนมากและมีนัยสำคัญทางสถิติ.

แผนภาพการจำลอง: ในพื้นที่ปิด, ความเร็วในการเคลื่อนไหวของโมเลกุลของก๊าซที่อุณหภูมิสูงเร็วกว่าที่อุณหภูมิต่ำ!

เซ็นเซอร์อุณหภูมิ NTC พร้อมชุดโพรบท่อสแตนเลส

เซ็นเซอร์อุณหภูมิ NTC พร้อมลวดโพรบ ABS ที่อยู่อาศัย 105 °

เซ็นเซอร์อุณหภูมิ NTC พร้อมเทอร์มิสเตอร์ semitec

2. เซ็นเซอร์อุณหภูมิ
เซ็นเซอร์อุณหภูมิหมายถึงเซ็นเซอร์ที่สามารถรับรู้อุณหภูมิและแปลงเป็นสัญญาณเอาต์พุตที่ใช้งานได้. เป็นอุปกรณ์สำคัญสำหรับการตระหนักถึงการตรวจจับและควบคุมอุณหภูมิ. ในบรรดาเซ็นเซอร์ที่หลากหลาย, เซ็นเซอร์อุณหภูมิเป็นหนึ่งในเซ็นเซอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและเติบโตเร็วที่สุด. ในกระบวนการอัตโนมัติของการผลิตอุตสาหกรรม, จุดวัดอุณหภูมิคิดเป็นประมาณครึ่งหนึ่งของจุดวัดทั้งหมด.

3. องค์ประกอบของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ

II. การพัฒนาเซ็นเซอร์อุณหภูมิ
การรับรู้ถึงความร้อนและความเย็นเป็นพื้นฐานของประสบการณ์ของมนุษย์, แต่การหาวิธีในการวัดอุณหภูมิได้ทำให้ชายผู้ยิ่งใหญ่หลายคนนิ่งงัน. ยังไม่ชัดเจนว่าชาวกรีกโบราณหรือจีนเป็นครั้งแรกพบวิธีวัดอุณหภูมิ, แต่มีบันทึกว่าประวัติความเป็นมาของเซ็นเซอร์อุณหภูมิเริ่มขึ้นในยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาการ.

เราเริ่มต้นด้วยความท้าทายที่ต้องเผชิญกับการวัดอุณหภูมิ, จากนั้นแนะนำประวัติการพัฒนาของเซ็นเซอร์อุณหภูมิจากด้านต่าง ๆ [แหล่งที่มา: OMEGA Industrial Measurement White Paper Document]:

1. Challenges of measurement
Heat is used to measure the energy contained in a whole or object. The greater the energy, อุณหภูมิสูงขึ้น. อย่างไรก็ตาม, unlike physical properties such as mass and length, heat is difficult to measure directly, so most measurement methods are indirect, and the temperature is inferred by observing the effect of heating the object. ดังนั้น, the measurement standard of heat has always been a challenge.

ใน 1664, Robert Hooke proposed using the freezing point of water as the reference point for temperature. Ole Reimer believed that two fixed points should be determined, and he chose Hooke’s freezing point and the boiling point of water. อย่างไรก็ตาม, how to measure the temperature of hot and cold objects has always been a problem. In the 19th century, scientists such as Gay-Lussac, ผู้ศึกษากฎหมายแก๊ส, พบว่าเมื่อก๊าซถูกทำให้ร้อนภายใต้ความดันคงที่, อุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียสและปริมาณเพิ่มขึ้น 1/267 (แก้ไขภายหลังเป็น 1/273.15), และแนวคิดของ 0 องศา -273.15 ℃ได้รับมา.

2. สังเกตการขยายตัว: ของเหลวและ bimetals
ตามรายงาน, เชื่อกันว่ากาลิเลโอได้สร้างอุปกรณ์ที่แสดงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิรอบ ๆ 1592. อุปกรณ์นี้มีผลต่อคอลัมน์น้ำโดยการควบคุมการหดตัวของอากาศในภาชนะ, และความสูงของคอลัมน์น้ำแสดงถึงระดับของการระบายความร้อน. แต่เนื่องจากอุปกรณ์นี้ได้รับผลกระทบจากความดันอากาศได้ง่าย, มันถือได้ว่าเป็นของเล่นนวนิยายเท่านั้น.

เทอร์โมมิเตอร์ที่เรารู้ว่ามันถูกคิดค้นโดย Santorio Santorii ในอิตาลีใน 1612. เขาปิดผนึกของเหลวในหลอดแก้วและสังเกตการเคลื่อนไหวเมื่อมันขยาย.

การวางเครื่องชั่งบางส่วนลงบนหลอดทำให้ง่ายต่อการเห็นการเปลี่ยนแปลง, แต่ระบบยังขาดหน่วยที่แม่นยำ. การทำงานกับ Reimer คือ Gabriel Fahrenheit. เขาเริ่มผลิตเครื่องวัดอุณหภูมิโดยใช้แอลกอฮอล์และปรอทเป็นของเหลว. ปรอทนั้นสมบูรณ์แบบเพราะมีการตอบสนองเชิงเส้นต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในช่วงใหญ่, แต่มันเป็นพิษสูง, ตอนนี้มันถูกใช้น้อยลงเรื่อย ๆ. มีการศึกษาของเหลวทางเลือกอื่น ๆ, แต่มันก็ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลาย.

เซ็นเซอร์อุณหภูมิ bimetallic ถูกประดิษฐ์ขึ้นในช่วงปลายยุค 1800. ใช้ประโยชน์จากการขยายตัวของแผ่นโลหะสองแผ่นที่ไม่สม่ำเสมอเมื่อพวกเขาเข้าร่วม. การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทำให้แผ่นโลหะโค้งงอ, ซึ่งสามารถใช้ในการเปิดใช้งานเทอร์โมสตัทหรือมิเตอร์คล้ายกับที่ใช้ในตะแกรงก๊าซ. ความแม่นยำของเซ็นเซอร์นี้ไม่สูง, อาจบวกหรือลบสององศา, แต่มันก็ใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากราคาต่ำ.

3. ผลกระทบเทอร์โมอิเล็กทริก
ในช่วงต้นทศวรรษ 1800, ไฟฟ้าเป็นสนามที่น่าตื่นเต้น. นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าโลหะต่าง ๆ มีความต้านทานและการนำไฟฟ้าที่แตกต่างกัน. ใน 1821, Thomas Johann Seebeck ค้นพบเอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริก, ซึ่งเป็นโลหะที่แตกต่างกันสามารถเชื่อมต่อเข้าด้วยกันและวางที่อุณหภูมิต่างกันเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้า. เดวี่แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของโลหะและอุณหภูมิ. Becquerel เสนอการใช้เทอร์โมคัปเปิลแพลตตินัมพลาตินัมสำหรับการวัดอุณหภูมิ, และอุปกรณ์จริงถูกสร้างขึ้นโดย Leopold ใน 1829. แพลตตินัมยังสามารถใช้ในเครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทาน, คิดค้นโดยไมเออร์ใน 1932. เป็นหนึ่งในเซ็นเซอร์ที่แม่นยำที่สุดสำหรับการวัดอุณหภูมิ.

Wirewound RTDs มีความเปราะบางและไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานอุตสาหกรรม. ปีที่ผ่านมาได้เห็นการพัฒนาของฟิล์มบาง RTDS, ซึ่งไม่ถูกต้องเท่ากับ RTDS, แต่มีความแข็งแกร่งมากกว่า. ศตวรรษที่ 20 ยังเห็นการประดิษฐ์อุปกรณ์วัดอุณหภูมิเซมิคอนดักเตอร์. อุปกรณ์วัดอุณหภูมิเซมิคอนดักเตอร์ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและมีความแม่นยำสูง, แต่จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้, พวกเขาขาดความเป็นเส้นตรง.

4. การแผ่รังสีความร้อน
โลหะร้อนมากและโลหะหลอมเหลวสร้างความร้อน, เปล่งความร้อนและแสงที่มองเห็นได้. ที่อุณหภูมิต่ำกว่า, พวกเขายังเปล่งประกายพลังงานความร้อน, แต่ด้วยความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น. นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษวิลเลียมเฮอร์เชลค้นพบใน 1800 นั่นคือสิ่งนี้ “เลือน” แสงหรือแสงอินฟราเรดสร้างความร้อน.

ทำงานร่วมกับ Meloni ร่วมกัน, Robelli ค้นพบวิธีในการตรวจจับพลังงานที่เปล่งประกายนี้โดยการเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิลในซีรีส์เพื่อสร้างเทอร์โมพีล. ตามมาใน 1878 โดย bolometer. คิดค้นโดย American Samuel Langley, สิ่งนี้ใช้สองแถบแพลตตินัม, หนึ่งดำคล้ำในการจัดเรียงสะพานแขนเดียว. การให้ความร้อนโดยรังสีอินฟราเรดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่วัดได้ในความต้านทาน. Bolometers มีความไวต่อความยาวคลื่นอินฟราเรดที่หลากหลาย.

ในทางตรงกันข้าม, อุปกรณ์ประเภทเครื่องตรวจจับควอนตัมรังสี, ซึ่งได้รับการพัฒนามาตั้งแต่ปี 1940, ตอบสนองต่อแสงอินฟราเรดในวง จำกัด เท่านั้น. วันนี้, มีการใช้ pyrometers ราคาไม่แพงอย่างแพร่หลาย, และจะกลายเป็นมากขึ้นเมื่อราคาของกล้องถ่ายภาพความร้อนลดลง.

5. มาตราส่วนอุณหภูมิ
เมื่อฟาเรนไฮต์ทำเทอร์โมมิเตอร์, เขาตระหนักว่าเขาต้องการมาตราส่วนอุณหภูมิ. เขาตั้งค่า 30 องศาน้ำเค็มเป็นจุดเยือกแข็งขึ้นไป 180 องศาน้ำเค็มเป็นจุดเดือด. 25 หลายปีต่อมา, Anders Celsius เสนอให้ใช้มาตราส่วนของ 0-100, และวันนี้ “เซลเซียส” ได้รับการตั้งชื่อตามเขา.

ภายหลัง, William Thomson ค้นพบประโยชน์ของการตั้งค่าจุดคงที่ที่ปลายด้านหนึ่งของสเกล, จากนั้นเคลวินเสนอให้ตั้งค่า 0 องศาเป็นจุดเริ่มต้นของระบบเซลเซียส. สิ่งนี้เกิดขึ้นกับระดับอุณหภูมิเคลวินที่ใช้ในวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน.

III. การจำแนกประเภทของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ
เซนเซอร์วัดอุณหภูมิมีหลายประเภท, และพวกเขามีชื่อที่แตกต่างกันตามมาตรฐานการจำแนกประเภทที่แตกต่างกัน.

1. การจำแนกตามวิธีการวัด
ตามวิธีการวัด, พวกเขาสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: ติดต่อและไม่ติดต่อ.

(1) เซ็นเซอร์อุณหภูมิสัมผัส:

เซ็นเซอร์ติดต่อวัตถุโดยตรงที่จะวัดเพื่อวัดอุณหภูมิ. เนื่องจากความร้อนของวัตถุที่จะวัดจะถูกถ่ายโอนไปยังเซ็นเซอร์, อุณหภูมิของวัตถุที่จะวัดจะลดลง. โดยเฉพาะ, เมื่อความจุความร้อนของวัตถุที่จะวัดมีขนาดเล็ก, ความแม่นยำในการวัดต่ำ. ดังนั้น, สิ่งที่จำเป็นสำหรับการวัดอุณหภูมิที่แท้จริงของวัตถุในวิธีนี้คือความจุความร้อนของวัตถุที่วัดได้มีขนาดใหญ่พอ.

(2) เซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ไม่ได้สัมผัส:
ส่วนใหญ่ใช้รังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาโดยรังสีความร้อนของวัตถุที่ถูกวัดเพื่อวัดอุณหภูมิของวัตถุ, และสามารถวัดได้จากระยะไกล. ต้นทุนการผลิตสูง, แต่ความแม่นยำในการวัดต่ำ. ข้อดีคือมันไม่ดูดซับความร้อนจากวัตถุที่ถูกวัด; มันไม่รบกวนกับฟิลด์อุณหภูมิของวัตถุที่ถูกวัด; การวัดอย่างต่อเนื่องไม่ได้สร้างการบริโภค; มีการตอบสนองที่รวดเร็ว, ฯลฯ.

2. การจำแนกตามปรากฏการณ์ทางกายภาพที่แตกต่างกัน
นอกจากนี้, มีเซ็นเซอร์อุณหภูมิไมโครเวฟ, เซ็นเซอร์อุณหภูมิเสียงรบกวน, เซ็นเซอร์อุณหภูมิแผนที่อุณหภูมิ, เมตรเมตรความร้อน, เครื่องวัดอุณหภูมิเจ็ท, เครื่องวัดอุณหภูมิเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์, เครื่องวัดอุณหภูมิ Mossbauer, Josephson Effect Thermometers, เครื่องวัดอุณหภูมิอุณหภูมิอุณหภูมิต่ำ, เซ็นเซอร์อุณหภูมิใยแก้วนำแสง, ฯลฯ. เซ็นเซอร์อุณหภูมิเหล่านี้บางส่วนได้ถูกนำไปใช้, และบางคนยังอยู่ระหว่างการพัฒนา.

กันน้ำ, เซ็นเซอร์อุณหภูมิ RTD PT100 ป้องกันการกัดกร่อน

เซ็นเซอร์อุณหภูมิ RTD PT100 พร้อม 1-2 การเชื่อมต่อเธรดภายนอก NPT

PT100 เซ็นเซอร์อุณหภูมิ RTD PROBE กับ 6 ความยาวโพรบนิ้ว

100 องค์ประกอบแพลตตินัมโอห์มคลาส A (พีที100)
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ, A = 0.00385.
304 ปลอกสแตนเลส
ทางแยกการเปลี่ยนผ่านที่ทนทานด้วยการบรรเทาความเครียด
ความยาวโพรบ – 6 นิ้ว (152 มม) หรือ 12 นิ้ว (305มม)
เส้นผ่านศูนย์กลางโพรบ 1/8 นิ้ว (3 มม)
สามลวด 72 นิ้ว (1.8ม) สายตะกั่วที่สิ้นสุดใน lugs spade
จัดอันดับอุณหภูมิ : 660° F (350องศาเซลเซียส)

PT100 Series เป็นโพรบ RTD ที่มีปลอกสแตนเลสและ 100 องค์ประกอบโอห์มแพลตตินัม RTD. PT100-11 พร้อมใช้งาน 6 หรือ 12 ความยาวโพรบนิ้ว. โพรบเหล่านี้มีปลอกเส้นผ่าศูนย์กลาง 3 มม. ที่สร้างขึ้นจาก 304 สแตนเลส, ข้อต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างหนักซึ่งเชื่อมต่อโพรบกับสายตะกั่วและ 72 นิ้วของลวดตะกั่วที่สิ้นสุดในการดึงจอบรหัสสี. องค์ประกอบเซ็นเซอร์คลาส A ใช้เพื่อให้การวัดความแม่นยำสูง.

โพรบ PT100 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม. RTDs เป็นเซ็นเซอร์ที่มีความต้านทานดังนั้นเสียงรบกวนทางไฟฟ้าจึงมีผลน้อยที่สุดต่อคุณภาพของสัญญาณ. การออกแบบสายไฟทั้งสามชดเชยความต้านทานลวดตะกั่วช่วยให้การทำงานของลวดยาวขึ้นโดยไม่มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความแม่นยำ. ข้อต่อการเปลี่ยนแปลงที่ทนทานกับการบรรเทาสายสปริงสายทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่มีกลไกอย่างมากระหว่างสายและโพรบ.