Датчик температури ( NTC / RTD ) концепція, розробка і класифікація

я. Основні поняття про датчик температури
1. температура
Температура — це фізична величина, яка вказує на ступінь нагрівання або холодності предмета. Мікроскопічно, це інтенсивність теплового руху молекул об'єкта. Чим вище температура, тим інтенсивніше тепловий рух молекул всередині об'єкта.

Температуру можна виміряти лише опосередковано через певні характеристики об’єкта, які змінюються з температурою, а шкала, яка використовується для вимірювання значення температури об’єкта, називається температурною шкалою. Він визначає вихідну точку (нульова точка) зчитування температури та основної одиниці для вимірювання температури. Міжнародною одиницею є термодинамічна шкала (К). Інші температурні шкали, які в даний час використовуються в міжнародному масштабі, - це шкала Фаренгейта (°F), шкала Цельсія (°C) і міжнародна практична температурна шкала.

З точки зору теорії молекулярного руху, температура є ознакою середньої кінетичної енергії молекулярного руху тіла. Температура є сукупним виразом теплового руху великої кількості молекул і містить статистичну значущість.

Діаграма моделювання: У закритому просторі, швидкість руху молекул газу при високих температурах вище, ніж при низьких!

Датчик температури NTC з набором зондів із трубчастої нержавіючої сталі

Датчик температури NTC з корпусом ABS, провід зонда 105°

Датчик температури NTC з терморезистором SEMITEC

2. Датчик температури
Датчик температури – це датчик, який може вимірювати температуру та перетворювати її на придатний вихідний сигнал. Це важливий пристрій для виявлення та контролю температури. Серед широкого розмаїття датчиків, Датчики температури є одними з найбільш широко використовуваних і швидкозростаючих датчиків. В процесі автоматизації промислового виробництва, точки вимірювання температури становлять близько половини всіх точок вимірювання.

3. Склад датчиків температури

II. Розробка датчиків температури
Сприйняття тепла і холоду є основою людського досвіду, але пошук способу вимірювання температури збентежив багатьох великих людей. Неясно, чи стародавні греки чи китайці першими знайшли спосіб вимірювання температури, але є записи, що історія датчиків температури почалася в епоху Відродження.

Ми починаємо з проблем, з якими стикається вимірювання температури, а потім представити історію розвитку датчиків температури з різних аспектів [Джерело: Офіційний документ щодо промислових вимірювань OMEGA]:

1. Проблеми вимірювання
Теплота використовується для вимірювання енергії, що міститься в цілому або об’єкті. Чим більше енергії, чим вище температура. Проте, на відміну від таких фізичних властивостей, як маса та довжина, тепло важко виміряти безпосередньо, тому більшість методів вимірювання є непрямими, а температура визначається шляхом спостереження за ефектом нагрівання об’єкта. Отже, еталон вимірювання тепла завжди був викликом.

в 1664, Роберт Гук запропонував використовувати точку замерзання води як точку відліку температури. Оле Реймер вважав, що слід визначити дві фіксовані точки, і він вибрав точку замерзання Гука та точку кипіння води. Проте, як виміряти температуру гарячих і холодних предметів завжди було проблемою. У 19 ст, таких вчених, як Гей-Люссак, який вивчав газове право, встановлено, що при нагріванні газу під постійним тиском, температура підвищується на 1 градусів Цельсія, а об’єм збільшується на 1/267 (пізніше переглянуто до 1/273.15), і поняття 0 градусів -273,15 ℃ було отримано.

2. Спостерігайте за розширенням: рідини і біметали
Згідно з повідомленнями, Вважається, що Галілей створив прилад, який показує зміни температури навколо 1592. Цей пристрій впливає на стовп води, контролюючи стиснення повітря в ємності, а висота водяного стовпа вказує на ступінь охолодження. Але тому цей пристрій легко піддається впливу тиску повітря, її можна розглядати лише як нову іграшку.

Термометр, як ми його знаємо, був винайдений Санторіо Санторі в Італії в 1612. Він закрив рідину в скляній трубці і спостерігав за її рухом, коли вона розширювалася.

Помістивши кілька шкал на трубку, було легше побачити зміни, але системі все ще бракувало точних одиниць. З Реймером працював Габріель Фаренгейт. Він почав виготовляти термометри, використовуючи спирт і ртуть як рідини. Меркурій був ідеальним, оскільки мав лінійну реакцію на зміни температури у великому діапазоні, але він був дуже токсичний, тому зараз використовується все рідше. Вивчаються інші альтернативні рідини, але він все ще широко використовується.

Біметалічний датчик температури був винайдений наприкінці 1800-х років. Він використовує переваги нерівномірного розширення двох металевих листів під час їх з’єднання. Зміна температури призводить до згинання металевих листів, який можна використовувати для активації термостата або лічильника, подібного до тих, що використовуються в газових решітках. Точність цього датчика не висока, може плюс-мінус два градуси, але він також широко використовується через його низьку ціну.

3. Термоелектричний ефект
На початку 1800-х років, електрика була захоплюючою сферою. Вчені виявили, що різні метали мають різний опір і провідність. в 1821, Томас Йоганн Зеєбек відкрив термоелектричний ефект, яка полягає в тому, що різні метали можна з’єднувати разом і розміщувати при різних температурах для генерування напруги. Деві продемонстрував кореляцію між питомим опором металу та температурою. Беккерель запропонував використовувати платино-платинові термопари для вимірювання температури, і фактичний пристрій був створений Леопольдом в 1829. Платину також можна використовувати в детекторах температури опору, винайшов Майєрс в 1932. Це один з найточніших датчиків для вимірювання температури.

Дротові RTD є крихкими і тому непридатні для промислового застосування. Останніми роками були розроблені тонкоплівкові RTD, які не такі точні, як дротяні RTD, але більш міцні. У 20 столітті також були винайдені напівпровідникові прилади для вимірювання температури. Напівпровідникові прилади для вимірювання температури реагують на зміни температури і мають високу точність, але донедавна, їм не вистачає лінійності.

4. Теплове випромінювання
Дуже гарячі метали та розплавлені метали виділяють тепло, випромінюючи тепло і видиме світло. При більш низьких температурах, вони також випромінюють теплову енергію, але з більшою довжиною хвилі. Британський астроном Вільям Гершель відкрив у 1800 що це “нечіткий” світло або інфрачервоне світло генерує тепло.

Робота з співвітчизницею Мелоні, Робеллі знайшов спосіб виявити цю променисту енергію, з’єднавши термопари послідовно для створення термобатареї. Це послідувало в 1878 болометром. Винайдено американцем Семюелем Ленглі, для цього використовувалися дві платинові смужки, один почорнілий у розташуванні мосту з однією рукою. Нагрівання інфрачервоним випромінюванням викликало вимірну зміну опору. Болометри чутливі до широкого діапазону інфрачервоних хвиль.

На противагу, прилади типу квантового детектора випромінювання, який розроблявся з 1940-х років, реагували лише на інфрачервоне світло в обмеженій смузі. Сьогодні, широко використовуються недорогі пірометри, і зростатиме, оскільки ціна на тепловізори падає.

5. Температурна шкала
Коли Фаренгейт створив термометр, він зрозумів, що йому потрібна температурна шкала. Він поставив 30 градусів солоної води як точки замерзання і вище 180 градусів солоної води як точки кипіння. 25 років потому, Андерс Цельсій запропонував використовувати шкалу 0-100, і сьогоднішній “за Цельсієм” також названо на його честь.

Пізніше, Вільям Томсон виявив переваги встановлення фіксованої точки на одному кінці шкали, і тоді Кельвін запропонував встановити 0 градусів як вихідну точку системи Цельсія. Це сформувало температурну шкалу Кельвіна, яка використовується сьогодні в науці.

III. Класифікація датчиків температури
Існує багато типів датчиків температури, і вони мають різні назви відповідно до різних стандартів класифікації.

1. Класифікація за методом вимірювання
За способом вимірювання, їх можна розділити на дві категорії: контактні та безконтактні.

(1) Контактний датчик температури:

Датчик безпосередньо контактує з об’єктом вимірювання для вимірювання температури. Оскільки тепло вимірюваного об’єкта передається датчику, температура вимірюваного об'єкта знижується. Зокрема, коли теплоємність вимірюваного об'єкта мала, точність вимірювання низька. Отже, передумовою для вимірювання справжньої температури об'єкта таким чином є те, що теплоємність об'єкта, що вимірюється, є достатньо великою.

(2) Безконтактний датчик температури:
Він в основному використовує інфрачервоне випромінювання від теплового випромінювання вимірюваного об’єкта для вимірювання температури об’єкта., і може бути виміряна дистанційно. Вартість його виготовлення висока, але точність вимірювань низька. Переваги полягають у тому, що він не поглинає тепло від вимірюваного об’єкта; це не заважає температурному полю вимірюваного об'єкта; безперервне вимірювання не створює споживання; він має швидкий відгук, тощо.

2. Класифікація за різними фізичними явищами
Крім того, є мікрохвильові датчики температури, шумові датчики температури, карта температури датчики температури, тепловитратоміри, струминні термометри, ядерно-магнітно-резонансні термометри, Термометри з ефектом Мессбауера, Термометри з ефектом Джозефсона, низькотемпературні надпровідні конверсійні термометри, волоконно-оптичні датчики температури, тощо. Деякі з цих датчиків температури були застосовані, а деякі ще знаходяться в стадії розробки.

Водостійкий, антикорозійний датчик температури RTD PT100

RTD PT100 Датчик температури з 1-2 Зовнішнє різьбове з'єднання NPT

PT100 Датчик температури RTD зонд з 6 дюймова довжина зонда

100 Платиновий елемент Ом класу А (PT100)
Температурний коефіцієнт, a = 0.00385.
304 Оболонка з нержавіючої сталі
Міцний перехідний вузол із запобіжником натягу
Довжина зонда – 6 Дюйми (152 мм) або 12 Дюйми (305мм)
Діаметр зонда 1/8 дюйм (3 мм)
Три дроти 72 дюйм (1.8м) Вивідний дріт закінчується лопатевими наконечниками
Температурний рейтинг : 660°F (350°C)

Серія PT100 - це зонди RTD з оболонкою з нержавіючої сталі 100 Ом платиновий RTD елемент. PT100-11 доступні з 6 або 12 дюймова довжина зонда. Ці зонди мають оболонку діаметром 3 мм, виготовлену з 304 нержавіюча сталь, міцне перехідне з’єднання, яке з’єднує зонд із провідними проводами та 72 дюймів свинцевого дроту, що закінчується кольоровими наконечниками. Для забезпечення високої точності вимірювань використовується сенсорний елемент класу А.

Зонд PT100 добре підходить для промислових середовищ. RTD є датчиками на основі опору, тому електричний шум має мінімальний вплив на якість сигналу. Конструкція трипровідного проводу компенсує опір проводу, дозволяючи продовжити провід без значного впливу на точність. Міцне перехідне з’єднання з пружинним дротом для зняття натягу забезпечує механічно міцне з’єднання між дротом і зондом.