Ποιος αισθητήρας θερμοκρασίας είναι καλύτερος, κριτήρια επιλογής αισθητήρων

Αν αυτή είναι η πρώτη φορά που αντιμετωπίζετε το ζήτημα της επιλογής ενός αισθητήρα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, τότε η επιλογή ενός χαμηλού κόστους και αξιόπιστου αισθητήρα μπορεί να αποτελέσει πραγματικό πρόβλημα για εσάς.

Πρώτα απ 'όλα, είναι απαραίτητο να βρεθούν τα ακόλουθα στοιχεία: το αναμενόμενο εύρος θερμοκρασιών των μετρήσεων, η απαιτούμενη ακρίβεια, αν ο αισθητήρας θα βρίσκεται μέσα στο μέσο (αν όχι, θα χρειαστεί ένα θερμόμετρο ακτινοβολίας), οι συνθήκες θεωρούνται κανονικές ή επιθετικές, υπάρχει πιθανότητα περιοδικής αποσυναρμολόγησης του αισθητήρα και τέλος η βαθμολόγηση είναι σε μοίρες ή είναι αποδεκτή η λήψη ενός σήματος, το οποίο στη συνέχεια θα μετατραπεί σε τιμή θερμοκρασίας.

Αυτές δεν είναι ερωτήσεις αδράνειας, απαντώντας στις οποίες ο καταναλωτής έχει την ευκαιρία να επιλέξει για τον εαυτό του έναν πιο κατάλληλο αισθητήρα θερμοκρασίας με τον οποίο ο εξοπλισμός του θα λειτουργήσει με τον καλύτερο τρόπο. Φυσικά, είναι αδύνατο να δοθεί μια απλή και αδιαμφισβήτητη απάντηση στο ερώτημα ποιος αισθητήρας θερμοκρασίας είναι καλύτερος, η επιλογή παραμένει να γίνει στον καταναλωτή, έχοντας εξοικειωθεί πρώτα με τα χαρακτηριστικά κάθε τύπου αισθητήρα.

Εδώ θα δώσουμε μια σύντομη επισκόπηση των τριών κύριων τύπων αισθητήρων θερμοκρασίας (το πιο συνηθισμένο): θερμόμετρο αντίστασης, θερμίστορ ή θερμοστοιχείο. Εν τω μεταξύ, είναι σημαντικό για τον καταναλωτή να καταλάβει αμέσως ότι η ακρίβεια των δεδομένων θερμοκρασίας που λαμβάνονται εξαρτάται τόσο από τον αισθητήρα όσο και από τον μετατροπέα σήματος - τόσο ο κύριος αισθητήρας όσο και ο μετατροπέας συμβάλλουν στην αβεβαιότητα.

Μερικές φορές, όταν επιλέγουν συσκευές, δίνουν προσοχή μόνο στα χαρακτηριστικά του μετατροπέα, ξεχνώντας ότι διαφορετικοί αισθητήρες θα δώσουν διαφορετικά πρόσθετα εξαρτήματα (ανάλογα με τον τύπο του επιλεγμένου αισθητήρα), τα οποία θα πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη λήψη δεδομένων.

Θερμόμετρα αντίστασης - αν χρειάζεστε υψηλή ακρίβεια

Στην περίπτωση αυτή, το στοιχείο ανίχνευσης είναι μια αντίσταση μεμβράνης ή σύρματος, με γνωστή εξάρτηση της αντίστασης στη θερμοκρασία, τοποθετημένη σε κεραμικό ή μεταλλικό περίβλημα. Τα πιο δημοφιλή είναι η πλατίνα (συντελεστής υψηλής θερμοκρασίας), αλλά χρησιμοποιούνται επίσης νικέλιο και χαλκός. Οι κλίμακες και οι ανοχές, καθώς και οι συνήθεις εξάρσεις αντίστασης στη θερμοκρασία για τα θερμόμετρα αντίστασης, μπορούν να βρεθούν με την ανάγνωση του GOST 6651-2009.

Το πλεονέκτημα αυτού του τύπου θερμόμετρων είναι ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, υψηλή σταθερότητα, καλή εναλλαξιμότητα. Ιδιαίτερα ανθεκτικά στις κραδασμούς, τα θερμόμετρα αντίστασης φιλμ πλατίνας, ωστόσο, έχουν ήδη ένα εύρος εργασίας.

Τα σφραγισμένα στοιχεία του TS παράγονται ως ξεχωριστά ευαίσθητα στοιχεία για τους μικροσκοπικούς αισθητήρες, ωστόσο και τα δύο θερμόμετρα αντίστασης και αισθητήρες χαρακτηρίζονται από ένα σχετικό μείον - απαιτούν ένα σύστημα τριών ή τεσσάρων συρμάτων για λειτουργία, τότε οι μετρήσεις θα είναι ακριβείς.

Και όμως, το λούστρο της θήκης σφράγισης πρέπει να είναι κατάλληλο για τις επιλεγμένες συνθήκες έτσι ώστε οι διακυμάνσεις θερμοκρασίας να μην οδηγούν στην καταστροφή του στρώματος σφράγισης του αισθητήρα. Η τυπική ανοχή των θερμόμετρων πλατίνας δεν είναι μεγαλύτερη από 0,1 ° C, αλλά είναι δυνατή η εξατομίκευση με ακρίβεια 0,01 ° C.

Τα θερμόμετρα αναφοράς πλατίνα (GOST R 51233-98) έχουν μεγαλύτερη ακρίβεια, η ακρίβειά τους φτάνει τους 0.002 ° C, αλλά πρέπει να τα χειρίζεστε με προσοχή, επειδή δεν μπορούν να σταματούν. Επιπλέον, το κόστος τους είναι δέκα φορές υψηλότερο από τα στάνταρ θερμόμετρα αντίστασης πλατίνας.

Ένα θερμόμετρο αντίστασης σιδήρου-ροδίου είναι κατάλληλο για μετρήσεις κάτω από κρυογονικές θερμοκρασίες. Η μη φυσιολογική εξάρτηση από το κράμα και το χαμηλό TCR επιτρέπουν σε ένα τέτοιο θερμόμετρο να λειτουργεί σε θερμοκρασίες από 0,5 K έως 500 K και η σταθερότητα στα 20 K φτάνει τα 0,15 mK / έτος.

Το δομικά ευαίσθητο στοιχείο του θερμόμετρου αντίστασης είναι τέσσερα τεμάχια σπειροειδών τοποθετημένα γύρω από ένα σωλήνα οξειδίου του αλουμινίου, καλυμμένα με καθαρή σκόνη οξειδίου του αργιλίου. Οι στροφές απομονώνονται το ένα από το άλλο και η ίδια η σπείρα είναι, καταρχήν, ανθεκτική στις δονήσεις. Σφράγιση με ειδικά επιλεγμένο βερνίκι ή τσιμέντο με βάση την ίδια αλουμίνα. Ένα τυπικό εύρος για σύρματα είναι από -196 ° C έως +660 ° C.

Η δεύτερη έκδοση του στοιχείου (ακριβότερη, που χρησιμοποιείται στις πυρηνικές εγκαταστάσεις) είναι μια κοίλη δομή, η οποία χαρακτηρίζεται από πολύ υψηλή σταθερότητα παραμέτρων. Ένα στοιχείο είναι τυλιγμένο σε μεταλλικό κύλινδρο, με την επιφάνεια του κυλίνδρου καλυμμένη με ένα στρώμα οξειδίου του αργιλίου. Ο ίδιος ο κύλινδρος είναι κατασκευασμένος από ειδικό μέταλλο παρόμοιο σε συντελεστή θερμικής διαστολής με πλατίνα. Το κόστος των θερμόμετρων κοίλου στοιχείου είναι πολύ υψηλό.

Η τρίτη επιλογή είναι ένα στοιχείο λεπτής μεμβράνης. Ένα λεπτό στρώμα λευκόχρυσου (της τάξεως των 0,01 μικρών) εφαρμόζεται στο κεραμικό υπόστρωμα, το οποίο επικαλύπτεται στην κορυφή με γυαλί ή εποξείδιο.

Αυτός είναι ο φθηνότερος τύπος στοιχείου για θερμόμετρα αντίστασης. Μικρό μέγεθος και μικρό βάρος - το κύριο πλεονέκτημα ενός στοιχείου λεπτού φιλμ. Τέτοιοι αισθητήρες έχουν υψηλή αντίσταση περίπου 1 kΩ, πράγμα που εμποδίζει το πρόβλημα της σύνδεσης δύο καλωδίων. Ωστόσο, η σταθερότητα των λεπτών στοιχείων είναι κατώτερη από το σύρμα. Μια τυπική περιοχή για τα στοιχεία φιλμ είναι από -50 ° C έως + 600 ° C.

Μια σπείρα από καλώδιο πλατίνας επικαλυμμένη με γυαλί είναι μια επιλογή ενός πολύ ακριβού θερμικού μετρητή αντοχής καλωδίου, το οποίο είναι εξαιρετικά καλά σφραγισμένο, ανθεκτικό στην υψηλή υγρασία, αλλά το εύρος θερμοκρασίας είναι σχετικά στενό.

Θερμοστοιχεία - για μέτρηση υψηλών θερμοκρασιών

Η αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου ανακαλύφθηκε το 1822 από τον Thomas Seebeck, μπορεί να περιγραφεί ως εξής: στον αγωγό ενός ομοιογενούς υλικού με φορείς ελεύθερου φορτίου, όταν μία από τις επαφές μέτρησης θερμαίνεται, θα εμφανιστεί ένας emf. Οπότε: σε ένα κλειστό κύκλωμα διαφορετικών υλικών, υπό συνθήκες διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των συνδέσεων, συμβαίνει ένα ρεύμα.

Η δεύτερη διατύπωση παρέχει μια πιο ακριβή κατανόηση. αρχή θερμοστοιχείου, ενώ ο πρώτος αντικατοπτρίζει την ίδια την ουσία της παραγωγής θερμοηλεκτρικής ενέργειας και υποδηλώνει τους περιορισμούς ακρίβειας που συνδέονται με τη θερμοηλεκτρική ετερογένεια: για ολόκληρο το μήκος του θερμοηλεκτροδίου ο αποφασιστικός παράγοντας είναι η παρουσία κλίματος θερμοκρασίας, έτσι ώστε η εμβάπτιση στο μέσο κατά τη βαθμονόμηση πρέπει να είναι ίδια με την μελλοντική εργασία θέση αισθητήρα.

Τα θερμοστοιχεία παρέχουν την ευρύτερη περιοχή θερμοκρασίας λειτουργίας και, το σημαντικότερο, έχουν την υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας όλων των τύπων αισθητήρων θερμοκρασίας επαφής. Η σύνδεση μπορεί να γειωθεί ή να έρθει σε στενή επαφή με το αντικείμενο που μελετήθηκε. Απλή, αξιόπιστη, ανθεκτική - πρόκειται για αισθητήρα που βασίζεται σε θερμοστοιχείο. Περιοχές και ανοχές, οι θερμοηλεκτρικές παράμετροι των θερμοστοιχείων μπορούν να βρεθούν με ανάγνωση του GOST R 8.585-2001.

Τα θερμοστοιχεία έχουν επίσης μερικά μοναδικά μειονεκτήματα:

• η θερμοηλεκτρική ισχύς είναι μη γραμμική, γεγονός που δημιουργεί δυσκολίες στην ανάπτυξη των μετατροπέων γι 'αυτούς.

• το υλικό των ηλεκτροδίων χρειάζεται καλή σφράγιση λόγω της χημικής αδράνειας τους, λόγω της ευαισθησίας τους σε επιθετικά περιβάλλοντα.

• η θερμοηλεκτρική ετερογένεια λόγω διάβρωσης ή άλλων χημικών διεργασιών, λόγω της οποίας η σύνθεση μεταβάλλεται ελαφρώς, οι δυνάμεις να αλλάξουν τη βαθμονόμηση. το μεγάλο μήκος των αγωγών δημιουργεί το φαινόμενο της κεραίας και καθιστά το θερμοστοιχείο ευάλωτο σε EM πεδία.

• Η ποιότητα μόνωσης του μετατροπέα γίνεται πολύ σημαντική αν απαιτείται χαμηλή αδράνεια από ένα θερμοστοιχείο με μια γειωμένη σύνδεση.

Τα θερμοστοιχεία ευγενών μετάλλων (ΡΡ-πλατίνα-ρόδιο-πλατίνα, PR-λευκόχρυσο-ρόδιο-λευκόχρυσο-ρόδιο) χαρακτηρίζονται από την υψηλότερη ακρίβεια, τη μικρότερη θερμοηλεκτρική ετερογένεια από τα θερμοστοιχεία των βασικών μετάλλων. Αυτά τα θερμοστοιχεία είναι ανθεκτικά στην οξείδωση, επομένως έχουν μεγάλη σταθερότητα.

Σε θερμοκρασίες έως και 50 ° C, δίνουν σχεδόν έξοδο 0, επομένως δεν χρειάζεται να παρακολουθείται η θερμοκρασία των ψυχρών διασταυρώσεων. Το κόστος είναι υψηλό, η ευαισθησία είναι χαμηλή - 10 μV / K στους 1000 ° C. Η ομοιογένεια στους 1100 ° C - στην περιοχή των 0,25 ° C. Η μόλυνση και η οξείδωση των ηλεκτροδίων δημιουργούν αστάθεια (το ρόδιο οξειδώνεται σε θερμοκρασίες από 500 έως 900 ° C) και επομένως εξακολουθεί να εμφανίζεται μια ηλεκτρική ανομοιογένεια. Ζεύγη καθαρών μετάλλων (πλατίνα-παλλάδιο, λευκόχρυσος-χρυσός) έχουν καλύτερη σταθερότητα.

Τα θερμοστοιχεία που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία είναι συχνά κατασκευασμένα από κοινά μέταλλα. Είναι φθηνά και ανθεκτικά στις δονήσεις. Ιδιαίτερα βολικό είναι τα ηλεκτρόδια σφραγισμένα με ένα καλώδιο με μεταλλική μόνωση - μπορούν να εγκατασταθούν σε δύσκολες περιοχές. Τα θερμοστοιχεία είναι εξαιρετικά ευαίσθητα, αλλά η θερμοηλεκτρική ετερογένεια είναι μειονέκτημα των φθηνών μοντέλων - το σφάλμα μπορεί να φτάσει τους 5 ° C.

Η περιοδική βαθμονόμηση του εξοπλισμού στο εργαστήριο είναι άσκοπη · είναι πιο χρήσιμο να ελέγξετε το θερμοστοιχείο στον τόπο εγκατάστασης. Τα περισσότερα θερμοηλεκτρικά ανομοιογενή ζευγάρια είναι nisil / nikrosil. Το κύριο συστατικό της αβεβαιότητας είναι να ληφθεί υπόψη η θερμοκρασία της ψυχρής διασταύρωσης.

Οι υψηλές θερμοκρασίες της τάξεως των 2500 ° C μετρούνται με θερμοστοιχεία βολφραμίου-ρηνίου. Είναι σημαντικό εδώ να εξαλειφθούν οι οξειδωτικοί παράγοντες, για τους οποίους καταφεύγουν σε ειδικά σφραγισμένα καλύμματα αδρανούς αερίου, καθώς και σε καλύμματα μολυβδαινίου και τανταλίου με μόνωση με οξείδιο του μαγνησίου και οξείδιο του βηρυλλίου. Και φυσικά, η πιο σημαντική περιοχή εφαρμογής του βολφραμίου-ρηνίου είναι θερμοστοιχεία για την πυρηνική ενέργεια υπό συνθήκες ροής νετρονίων.

Για τα θερμοζεύγη, βεβαίως, δεν θα απαιτείται σύστημα τριών ή τεσσάρων συρμάτων, αλλά θα χρειαστεί να χρησιμοποιηθούν καλώδια αντιστάθμισης και επέκτασης, τα οποία θα επιτρέπουν τη μετάδοση του σήματος σε μετρητή με ελάχιστα σφάλματα 100 μέτρα.

Τα καλώδια επέκτασης είναι κατασκευασμένα από το ίδιο μέταλλο με το θερμοστοιχείο και τα καλώδια αντιστάθμισης (χαλκού) χρησιμοποιούνται για θερμοστοιχεία από πολύτιμα μέταλλα (για πλατίνα). Τα καλώδια αντιστάθμισης θα αποτελέσουν πηγή αβεβαιότητας της τάξης των 1-2 ° C με μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας, ωστόσο υπάρχει πρότυπο IEC 60584-3 για καλώδια αντιστάθμισης.

Θερμοστάτες - για μικρές κλίμακες θερμοκρασίας και ειδικές εφαρμογές

Θερμοστάτες Είναι ιδιόμορφα θερμόμετρα αντίστασης, αλλά όχι σύρματα, αλλά συντηγμένα με τη μορφή πολυφασικών δομών, με βάση μικτά οξείδια μετάλλων μεταπτώσεως. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι το μικρό μέγεθος, η ποικιλία διαφόρων μορφών, η χαμηλή αδράνεια, το χαμηλό κόστος.

Οι θερμίστορ έρχονται σε αρνητικό (NTC) ή θετικό (PTC) συντελεστή θερμοκρασίας αντίστασης. Τα πιο συνηθισμένα NTC και RTS χρησιμοποιούνται για πολύ στενά εύρη θερμοκρασιών (μονάδες βαθμών) στα συστήματα παρακολούθησης και συναγερμού. Η καλύτερη σταθερότητα των θερμίστορ κυμαίνεται από 0 έως 100 ° C.

Τα θερμίστορ έχουν τη μορφή δίσκου (μέχρι 18 mm), χάντρα (έως 1 mm), μεμβράνη (πάχος έως 0,01 mm), κυλινδρικό (έως 40 mm). Οι μικροί αισθητήρες θερμίστορ επιτρέπουν στους ερευνητές να μετρήσουν τη θερμοκρασία ακόμα και μέσα στα κύτταρα και τα αιμοφόρα αγγεία.

Οι θερμίστορες είναι κυρίως σε ζήτηση για τη μέτρηση χαμηλών θερμοκρασιών λόγω της σχετικής αντοχής τους στα μαγνητικά πεδία. Ορισμένοι τύποι θερμίστορ έχουν θερμοκρασίες λειτουργίας έως και τους 100 ° C.

Βασικά, οι θερμοστάτες είναι σύνθετες πολυφασικές δομές που συντήκονται σε θερμοκρασία περίπου 1200 ° C σε αέρα από κοκκώδη νιτρικά και μεταλλικά οξείδια. Τα πιο σταθερά σε θερμοκρασίες κάτω από τους 250 ° C είναι θερμοστάτες NTC κατασκευασμένοι από οξείδια νικελίου και μαγνησίου ή νικέλιο, μαγνήσιο και κοβάλτιο.

Η ειδική αγωγιμότητα ενός θερμίστορ εξαρτάται από τη χημική του σύνθεση, από τον βαθμό οξείδωσης, από την παρουσία προσθέτων με τη μορφή μετάλλων όπως το νάτριο ή το λίθιο.

Μικροί θερμίστορες σφαιριδίων εφαρμόζονται σε δύο ακροδέκτες πλατίνας, κατόπιν επικαλυμμένα με γυαλί.Για τους θερμοστάτες δίσκου, τα καλώδια είναι συγκολλημένα στην επικάλυψη πλατίνας του δίσκου.

Η αντίσταση των θερμίστορ είναι υψηλότερη από αυτή των θερμόμετρων αντίστασης, συνήθως κυμαίνεται από 1 έως 30 kOhm, επομένως είναι κατάλληλο ένα σύστημα δύο συρμάτων. Η εξάρτηση από την θερμοκρασία της αντίστασης είναι κοντά στην εκθετική.

Τα θερμοστάτες δίσκων είναι καλύτερα εναλλάξιμα για μια περιοχή από 0 έως 70 ° C σε σφάλμα 0,05 ° C. Χάντρα - απαιτεί ατομική βαθμονόμηση του μορφοτροπέα για κάθε περίπτωση. Οι θερμίστορ βαθμολογούνται σε υγρούς θερμοστάτες, συγκρίνοντας τις παραμέτρους τους με ένα ιδανικό θερμόμετρο αντίστασης πλατίνα σε βήματα των 20 ° C στην περιοχή από 0 έως 100 ° C. Έτσι επιτυγχάνεται σφάλμα όχι μεγαλύτερο από 5 mK.