Snímače teploty. Část druhá Termistory

První část článku stručně hovořila historie různých teplotních stupnic a jejich vynálezci Fahrenheit, Reaumur, Celsius a Kelvin. Nyní stojí za to se seznámit s teplotními senzory, principy jejich činnosti, zařízeními pro příjem dat z těchto senzorů.

Podíl měření teploty v technologických měřeních

V moderní průmyslové výrobě se měří mnoho různých fyzikálních veličin. Z toho je hmotnostní a objemový průtok 15%, hladina tekutin 5%, čas není více než 4%, tlak je asi 10% atd. Měření teploty je však téměř 50% z celkového počtu technických měření.

Takového vysokého procenta je dosaženo počtem měřicích bodů. Takže ve střední jaderné elektrárně může být teplota měřena na přibližně 1 500 bodech a ve velké chemické továrně toto číslo dosahuje dvacet nebo více tisíc.

Takové množství indikuje nejen širokou škálu měřicích přístrojů a v důsledku toho i množství primárních snímačů a teplotních senzorů, ale také neustále rostoucí požadavky na přesnost, rychlost, odolnost proti šumu a spolehlivost přístrojů na měření teploty.

Hlavní typy teplotních čidel, princip činnosti

Téměř všechny teplotní senzory používané v moderní výrobě používají princip převádění měřené teploty na elektrické signály. Taková přeměna je založena na skutečnosti, že je možné přenášet elektrický signál vysokou rychlostí na velké vzdálenosti, zatímco jakékoli fyzické veličiny lze převést na elektrické signály. Převedeny na digitální kód, tyto signály mohou být přenášeny s vysokou přesností a také zadány pro zpracování do počítače.

Odporové termočlánky

Nazývají se také termistory. Jejich princip činnosti je založen na skutečnosti, že všechny vodiče a polovodiče mají Koeficient tepelné odolnosti zkráceně Tks. To je přibližně stejné jako součinitel tepelné roztažnosti známý všem: při zahřívání se těla rozšiřují.

Je třeba poznamenat, že všechny kovy mají pozitivní TCS. Jinými slovy, elektrický odpor vodiče se zvyšuje s rostoucí teplotou. Zde si můžeme vzpomenout na skutečnost, že žárovky v okamžiku zapnutí nejčastěji shoří, zatímco cívka je studená a její odpor je malý. Proto je při zapnutí zvýšený proud. Polovodiče mají negativní TCS, se zvyšující se teplotou klesá jejich odpor, ale toto bude diskutováno o něco vyšší.

Kovové termistory

Zdá se, že je možné použít jakýkoli dirigent jako materiál pro termistory, avšak řada požadavků na termistory říká, že tomu tak není.

Především by materiál pro výrobu teplotních senzorů měl mít dostatečně velký TCS a závislost odporu na teplotě by měla být v širokém teplotním rozsahu poměrně lineární. Kromě toho musí být kovový vodič inertní vůči vlivům prostředí a musí zajistit dobrou reprodukovatelnost vlastností, což umožní výměnu senzorů bez použití různých jemných doladění měřícího zařízení jako celku.

Pro všechny tyto vlastnosti je platina téměř ideální (kromě vysoké ceny), stejně jako měď. Takové termistory v popisech se nazývají měď (TCM-Cu) a platina (TSP-Pt).

Termistory TSP lze použít v teplotním rozmezí -260 - 1100 ° C.Pokud je naměřená teplota v rozsahu 0 - 650 ° C, lze jako referenční a referenční hodnotu použít senzory TSP, protože nestabilita kalibrační charakteristiky v tomto rozsahu nepřesahuje 0,001 ° C. Nevýhody termistorů TSP jsou vysoká cena a nelinearita konverzní funkce v širokém teplotním rozsahu. Přesné měření teploty je proto možné pouze v rozsahu uvedeném v technických údajích.

Levnější měděné termistory značky TSM, závislost odporu na teplotě, pro kterou je poměrně lineární, získali rozšířenou praxi. Za nedostatek měděných odporů lze považovat nízkou odolnost a nedostatečnou odolnost vůči vysokým teplotám (snadná oxidace). Měděné termistory mají proto mez měření nejvýše 180 ° C.

Dvouvodičové vedení se používá pro připojení senzorů, jako jsou TCM a TSP, pokud vzdálenost senzoru od zařízení nepřesahuje 200 m. Pokud je tato vzdálenost větší, použije se třívodičová komunikační linka, ve které se třetí vodič použije ke kompenzaci odporu vodičů. Takové způsoby připojení jsou podrobně znázorněny v technických popisech zařízení, která jsou vybavena senzory TCM nebo TSP.

Nevýhodou uvažovaných senzorů je jejich nízká rychlost: tepelná setrvačnost (časová konstanta) takových senzorů je v rozsahu desítek sekund až několika minut. Rovněž se vyrábějí termistory s nízkou setrvačností, jejichž časová konstanta není delší než desetiny sekundy, čehož je dosaženo díky jejich malým rozměrům. Takové termistory jsou vyrobeny z tvarovaného mikrodrátu ve skleněné skořepině. Jsou vysoce stabilní, utěsněné a mají nízkou setrvačnost. Kromě toho mají při malých rozměrech odpor až několik desítek kilo-ohmů.

Polovodičové termistory

Často se jim také říká termistory. Ve srovnání s mědí a platinou mají vyšší citlivost a negativní TCS. To naznačuje, že se zvyšující se teplotou jejich odpor klesá. Termistory TCS jsou o řád vyšší než jejich protějšky z mědi a platiny. Při velmi malých rozměrech může odpor termistoru dosáhnout až 1 MΩ, což vylučuje vliv odporu spojovacích vodičů na výsledek měření.

K měření teploty se nejčastěji používají polovodičové termistory KMT (založené na oxidech manganu a kobaltu) a MMT (oxidy manganu a mědi). Konverzní funkce termistorů je zcela lineární v teplotním rozsahu -100 - 200 ° C, spolehlivost polovodičových termistorů je velmi vysoká, vlastnosti jsou dlouhodobě stabilní.

Jedinou nevýhodou je, že v hromadné výrobě není možné reprodukovat potřebné vlastnosti s dostatečnou přesností. Jedna instance se výrazně liší od druhé, podobně jako tranzistory: zdá se, že pochází ze stejného balíčku, ale zisk je pro každého jiný, ze sta nelze najít dvě stejné. Takový rozptyl parametrů vede ke skutečnosti, že při výměně termistoru je nutné zařízení znovu upravit.

Mostový obvod se nejčastěji používá k napájení odporových tepelných měničů, ve kterých je most vyvážen pomocí potenciometru. Když se odpor termistoru mění v důsledku teploty, můstek může být vyvážen pouze otočením potenciometru.

Podobné schéma s ručním nastavením se používá jako demonstrace ve vzdělávacích laboratořích. Potenciometrový motor má stupnici kalibrovanou přímo v jednotkách teploty. Ve skutečných měřicích obvodech se samozřejmě vše děje automaticky.

Další část článku bude hovořit o použití termočlánků a teploměrů s mechanickou expanzí - Snímače teploty. Termočlánky

Boris Aladyshkin, i.electricianexp.com

Domácí automatizace

Praktická elektrotechnika a elektronika