أي جهاز استشعار درجة الحرارة أفضل ، معايير اختيار أجهزة الاستشعار

إذا كانت هذه هي المرة الأولى التي تواجه فيها مشكلة اختيار جهاز استشعار لقياس درجة الحرارة ، فإن اختيار جهاز استشعار منخفض التكلفة وموثوق يمكن أن يمثل مشكلة حقيقية لك.

بادئ ذي بدء ، من الضروري معرفة التفاصيل التالية: نطاق درجة الحرارة المتوقع للقياسات ، والدقة المطلوبة ، وما إذا كان المستشعر سيكون موجودًا في الوسط (إذا لم يكن الأمر كذلك ، ستكون هناك حاجة إلى ميزان حرارة إشعاعي) ، يتم افتراض الظروف طبيعية أو عدوانية ، وإمكانية التفكيك الدوري للمستشعر مهمة ، وأخيراً ، هل من الضروري يكون التخرج بالدرجات أو يكون مقبولاً استلام إشارة ، والتي سيتم تحويلها بعد ذلك إلى قيمة درجة الحرارة.

هذه ليست أسئلة خاملة ، والتي تجيب على المستهلك الذي يحصل على الفرصة لاختيار لنفسه مستشعر درجة الحرارة الأكثر ملاءمة والذي ستعمل به معداته بأفضل طريقة. بالطبع ، من المستحيل إعطاء إجابة واضحة وبلا لبس على السؤال حول أي مستشعر درجة الحرارة أفضل ، يبقى الخيار الذي يجب اتخاذه للمستهلك ، بعد أن أصبح أولًا على دراية بميزات كل نوع من أجهزة الاستشعار.

هنا سنقدم نظرة عامة مختصرة على ثلاثة أنواع رئيسية من أجهزة استشعار درجة الحرارة (الأكثر شيوعًا): ميزان الحرارة المقاومة ، الثرمستور ، أو المزدوجة الحرارية. وفي الوقت نفسه ، من المهم بالنسبة للمستهلك أن يفهم على الفور أن دقة بيانات درجة الحرارة التي تم الحصول عليها تعتمد على كل من المستشعر ومحول الإشارة - كل من المستشعر الأساسي والمحول يساهم في عدم اليقين.

في بعض الأحيان ، عند اختيار الأجهزة ، فإنهم ينتبهون فقط لخصائص المحول ، متناسين أن أجهزة الاستشعار المختلفة ستعطي مكونات إضافية مختلفة (حسب نوع المستشعر المحدد) ، والتي سوف تحتاج إلى أخذها في الاعتبار عند تلقي البيانات.

موازين الحرارة المقاومة - إذا كنت بحاجة إلى دقة عالية

في هذه الحالة ، يكون عنصر الاستشعار هو فيلم أو سلك مقاوم ، مع اعتماد معروف للمقاومة على درجة الحرارة ، ويوضع في علبة من السيراميك أو المعدن. الأكثر شعبية هي البلاتين (معامل درجة حرارة عالية) ، ولكن تستخدم أيضا النيكل والنحاس. يمكن الاطلاع على النطاقات والتفاوتات ، وكذلك التبعيات القياسية للمقاومة على درجة الحرارة لمقاييس الحرارة المقاومة من خلال قراءة GOST 6651-2009.

ميزة هذا النوع من موازين الحرارة هي نطاق درجة حرارة واسع ، ثبات عالي ، قابلية جيدة للتبادل. مقاومة خاصة للاهتزاز ، ومقاييس الحرارة المقاومة للأفلام البلاتينية ، ومع ذلك ، لديهم بالفعل نطاق عمل.

يتم إنتاج العناصر المختومة من TS كعناصر حساسة منفصلة لأجهزة الاستشعار المصغرة ، ومع ذلك ، تتميز كل من موازين الحرارة وأجهزة الاستشعار المقاومة بنقص نسبي واحد - فهي تتطلب نظامًا بثلاثة أسلاك أو أربعة أسلاك للتشغيل ، ثم ستكون القياسات دقيقة.

ومع ذلك ، يجب أن يكون غطاء علبة مانع التسرب مناسبًا للظروف المحددة حتى لا تؤدي تقلبات درجة الحرارة إلى إتلاف طبقة ختم المستشعر. التسامح القياسي لمقاييس الحرارة البلاتينية لا يزيد عن 0.1 درجة مئوية ، لكن التخرج الفردي ممكن لتحقيق دقة تبلغ 0.01 درجة مئوية.

تتميز موازين الحرارة البلاتينية المرجعية (GOST R 51233-98) بدقة أعلى ، حيث تصل دقتها إلى 0.002 درجة مئوية ، ولكن يجب التعامل معها بحذر ، نظرًا لعدم قدرتها على الوقوف عند الاهتزاز. بالإضافة إلى ذلك ، تكلفتها أعلى بعشرة أضعاف من موازين الحرارة البلاتينية القياسية.

ميزان حرارة مقاوم للحديد والروديوم مناسب للقياسات تحت درجات الحرارة المبردة. يسمح الاعتماد غير الطبيعي لدرجة الحرارة للسبائك و TCR المنخفض لمثل هذا مقياس الحرارة بالعمل عند درجات حرارة تتراوح من 0.5 K إلى 500 K ، والثبات عند 20 K يصل إلى 0.15 mK / year.

العنصر الحساس من الناحية الهيكلية لمقياس الحرارة المقاومة هو أربع قطع لولبية مثبتة حول أنبوب أكسيد الألومنيوم ، مغطاة بمسحوق أكسيد الألومنيوم النقي. يتم عزل المنعطفات عن بعضها البعض ، والدوامة نفسها ، من حيث المبدأ ، مقاومة للاهتزاز. الختم مع الصقيل أو الاسمنت المحدد خصيصا بناء على الألومينا نفسها. نطاق نموذجي لعناصر الأسلاك هو من -196 درجة مئوية إلى +660 درجة مئوية.

النسخة الثانية للعنصر (أغلى ثمناً ، المستخدمة في المنشآت النووية) هي بنية مجوفة ، تتميز بالاستقرار العالي للغاية للمعايير. جرح عنصر على أسطوانة معدنية ، يتم تغطية سطح الأسطوانة بطبقة من أكسيد الألومنيوم. الاسطوانة نفسها مصنوعة من معدن خاص مماثل في معامل التمدد الحراري للبلاتين. تكلفة موازين الحرارة المجوفة مرتفعة للغاية.

الخيار الثالث هو عنصر غشاء رقيق. يتم تطبيق طبقة رقيقة من البلاتين (بترتيب 0.01 ميكرون) على الركيزة الخزفية ، والمغطاة من الأعلى بالزجاج أو الإبوكسي.

هذا هو أرخص نوع من عناصر الحرارة المقاومة. صغير الحجم وخفيف الوزن - الميزة الرئيسية لعنصر رقيقة. تتمتع هذه المستشعرات بمقاومة عالية تبلغ حوالي 1 درجة مئوية ، مما ينفي مشكلة الاتصال بسلكين. ومع ذلك ، فإن استقرار العناصر الرفيعة أدنى من الأسلاك. مجموعة نموذجية لعناصر الفيلم هي من -50 درجة مئوية إلى +600 درجة مئوية.

يعد الحلزوني المصنوع من الأسلاك البلاتينية المغلفة بالزجاج خيارًا لمقياس حرارة غالي الثمن للغاية مقاوم للسلك ، وهو محكم الغلق تمامًا ومقاوم للرطوبة العالية ، لكن نطاق درجة الحرارة ضيق للغاية.

المزدوجات الحرارية - لقياس درجات الحرارة العالية

تم اكتشاف مبدأ تشغيل المزدوجات الحرارية في عام 1822 بواسطة Thomas Seebeck ، ويمكن وصفه على النحو التالي: في موصل مادة متجانسة مع ناقلات شحن مجانية ، عندما يتم تسخين أحد ملامسات القياس ، ستظهر emf. أو هكذا: في دائرة مغلقة من المواد المختلفة ، في ظل ظروف اختلاف درجات الحرارة بين الوصلات ، يحدث تيار.

توفر الصيغة الثانية فهمًا أكثر دقة. مبدأ الحراريةبينما يعكس الأول جوهر توليد الكهرباء الحرارية ، ويشير إلى حدود الدقة المرتبطة بعدم التجانس الكهروحراري: لطول فترة الإلكترود الحراري ، يكون العامل الحاسم هو وجود تدرج في درجة الحرارة ، لذلك يجب أن يكون الانغماس في الوسط أثناء المعايرة هو نفسه العامل المستقبلي موقف الاستشعار.

توفر المزدوجات الحرارية أوسع نطاق درجة حرارة التشغيل ، والأهم من ذلك ، لديها أعلى درجة حرارة تشغيل لجميع أنواع أجهزة استشعار درجة الحرارة الاتصال. يمكن تقاطع الوصلة أو وضعها على اتصال وثيق بالكائن المدروس. بسيطة وموثوقة ومتينة - يتعلق الأمر بمستشعر يعتمد على وحدة حرارية. يمكن العثور على النطاقات والتفاوتات والمعلمات الحرارية للمزدوجات الحرارية من خلال قراءة GOST R 8.585-2001.

المزدوجات الحرارية أيضا بعض العيوب الفريدة:

• الطاقة الحرارية الكهربائية غير خطية ، مما يخلق صعوبات في تطوير المحولات لهم ؛

• تحتاج مواد الأقطاب الكهربائية إلى إحكام جيد بسبب خمولها الكيميائي ، بسبب تعرضها للبيئات العدوانية ؛

• عدم التجانس الحراري الكهربي بسبب التآكل أو العمليات الكيميائية الأخرى ، والتي بسببها يتغير التركيب قليلاً ، يفرض تغيير المعايرة ؛ الطول الكبير للموصلات يؤدي إلى تأثير الهوائي ويجعل المزدوجة الحرارية عرضة لحقول EM ؛

• تصبح جودة العزل للمحول جانبًا مهمًا للغاية إذا كان القصور الذاتي المنخفض مطلوبًا من المزدوج الحراري مع تقاطع مؤرض.

تتميز المعادن المزدوجة النبيلة (PP - البلاتين - الروديوم - البلاتين ، PR - البلاتين - الروديوم - البلاتين - الروديوم) بأعلى درجات الدقة ، وأقل تجانس حراري كهربائي عن المعادن المزدوجة الحرارية. هذه المزدوجات الحرارية مقاومة للأكسدة ، وبالتالي لديهم الاستقرار عالية.

عند درجات حرارة تصل إلى 50 درجة مئوية ، فإنهم ينتجون تقريبًا ناتجًا عن 0 ، لذلك ليست هناك حاجة لمراقبة درجة حرارة الوصلات الباردة. التكلفة مرتفعة ، والحساسية منخفضة - 10 μV / K عند 1000 درجة مئوية. عدم التجانس عند 1100 درجة مئوية - في منطقة 0.25 درجة مئوية. يؤدي تلوث الأكسدة وتلوثها إلى عدم الاستقرار (تتأكسد الروديوم في درجات الحرارة من 500 إلى 900 درجة مئوية) ، وبالتالي لا يزال هناك تجانس كهربائي. تتمتع أزواج من المعادن النقية (البلاتين والبلاديوم والذهب البلاتينيوم) بثبات أفضل.

وغالبا ما تصنع المزدوجات الحرارية التي تستخدم على نطاق واسع في الصناعة من المعادن الأساسية. أنها غير مكلفة ومقاومة الاهتزاز. مريحة بشكل خاص هي الأقطاب الكهربائية مختومة مع كابل مع العزل المعدنية - يمكن تثبيتها في الأماكن الصعبة. المزدوجات الحرارية حساسة للغاية ، ولكن عدم تجانس الحرارية الحرارية هو عيب نماذج رخيصة - يمكن أن يصل الخطأ إلى 5 درجات مئوية.

المعايرة الدورية للمعدات في المختبر لا طائل من ورائها ؛ ومن المفيد التحقق من المزدوجات الحرارية في مكان التثبيت. أكثر الأزواج غير المتجانسة حرارياً هي نيسيل / نيتروسيل. المكون الرئيسي لعدم اليقين هو مراعاة درجة حرارة التقاطع الباردة.

يتم قياس درجات الحرارة العالية التي تصل إلى 2500 درجة مئوية عن طريق المزدوجات الحرارية التنغستن والرينيوم. من المهم هنا التخلص من عوامل الأكسدة ، التي تلجأ إليها لأغطية الغازات الخاملة المختومة ، وكذلك لأغطية الموليبدينوم والتنتالوم مع عزل بأكسيد المغنسيوم وأكسيد البريليوم. وبالطبع ، فإن أهم مجال لتطبيق التنغستن والرينيوم هو المزدوجات الحرارية للطاقة النووية في ظل ظروف تدفق النيوترونات.

بالنسبة للمزدوجات الحرارية ، بطبيعة الحال ، لن تكون هناك حاجة إلى نظام بثلاثة أسلاك أو أربعة أسلاك ، ولكن سيكون من الضروري استخدام أسلاك التعويض والتمديد ، والتي ستسمح للإشارة بنقل 100 متر إلى معدات القياس مع الحد الأدنى من الأخطاء.

مصنوعة أسلاك التمديد من نفس المعدن كما الحرارية ، وتستخدم أسلاك التعويض (النحاس) للمزدوجات الحرارية النبيلة (لالبلاتين). ستصبح أسلاك التعويض مصدرا لعدم اليقين في حدود 1-2 درجة مئوية مع اختلاف كبير في درجة الحرارة ، ومع ذلك ، هناك معيار IEC 60584-3 لأسلاك التعويض.

الثرمستورات - لدرجات الحرارة الصغيرة والتطبيقات الخاصة

الثرمستورات إنها موازين حرارة مقاومة غريبة ، ولكنها ليست مقاييس سلكية ، ولكنها متكلسة في شكل هياكل متعددة الأطوار ، تعتمد على أكاسيد فلزية مختلطة الانتقال. ميزتها الرئيسية هي الحجم الصغير ، مجموعة متنوعة من الأشكال المختلفة ، الجمود المنخفض ، التكلفة المنخفضة.

تتوفر الثرمستورات مع معامل درجة حرارة سالبة (NTC) أو موجب (PTC) للمقاومة. يتم استخدام NTC الأكثر شيوعًا ، و RTS لنطاقات درجات الحرارة الضيقة جدًا (وحدات الدرجات) في أنظمة المراقبة والإنذار. أفضل استقرار من الثرمستورات هو في حدود 0 إلى 100 درجة مئوية.

الثرمستورات في شكل قرص (حتى 18 مم) ، حبة (تصل إلى 1 مم) ، فيلم (سمك يصل إلى 0.01 مم) ، أسطواني (حتى 40 مم). أجهزة استشعار الثرمستور الصغيرة تسمح للباحثين بقياس درجة الحرارة حتى داخل الخلايا والأوعية الدموية.

الطلب على الثرمستورات أساسًا لقياس درجات الحرارة المنخفضة بسبب عدم حساسيتها النسبية للمجالات المغناطيسية. بعض أنواع الثرمستورات لديها درجات حرارة تشغيل تصل إلى 100 درجة مئوية تحت الصفر.

أساسا ، الثرمستورات هي هياكل متعددة الأطوار معقدة متكلسة عند درجة حرارة حوالي 1200 درجة مئوية في الهواء من النترات الحبيبية وأكاسيد المعادن. الأكثر ثباتًا عند درجات حرارة أقل من 250 درجة مئوية هي ثيرمستورات NTC المصنوعة من النيكل وأكاسيد المغنيسيوم أو النيكل والمغنيسيوم والكوبالت.

تعتمد الموصلية المحددة للثرمستور على تركيبها الكيميائي ، على درجة الأكسدة ، على وجود إضافات في شكل معادن مثل الصوديوم أو الليثيوم.

يتم تطبيق ثرمستورات حبة صغيرة على طرفين من البلاتين ، ثم تُغطى بالزجاج.بالنسبة لثرمستورات القرص ، يتم لحام الخيوط بالطبقة البلاتينية للقرص.

مقاومة الثرمستورات أعلى من مقاومات الحرارة المقاومة ، وعادة ما تقع في نطاق من 1 إلى 30 كيلو أوم ، لذلك نظام سلكين مناسب هنا. درجة الحرارة اعتماد المقاومة هي قريبة من الأسي.

تكون ثرمستورات القرص قابلة للتبديل بشكل أفضل لنطاق يتراوح من 0 إلى 70 درجة مئوية خلال خطأ قدره 0.05 درجة مئوية. حبة - تتطلب معايرة فردية لمحول الطاقة لكل حالة. يتم تخرج الترموستات في ترموستات سائل ، وذلك بمقارنة بارامتراتها مع مقياس حرارة مثالي لمقاومة البلاتين في درجات حرارة 20 درجة مئوية في النطاق من 0 إلى 100 درجة مئوية. وبالتالي ، يتم تحقيق خطأ لا يزيد عن 5 م.