Temperatuur sensoren. Deel twee thermistors

Het eerste deel van het artikel sprak kort geschiedenis van verschillende temperatuurschalen en hun uitvinders Fahrenheit, Reaumur, Celsius en Kelvin. Nu is het de moeite waard om kennis te maken met temperatuursensoren, de principes van hun werking, apparaten voor het ontvangen van gegevens van deze sensoren.

Het aandeel van temperatuurmeting in technologische metingen

In de moderne industriële productie worden veel verschillende fysieke hoeveelheden gemeten. Hiervan is de massa- en volumestroomsnelheid 15%, het vloeistofniveau is 5%, de tijd is niet meer dan 4%, de druk is ongeveer 10%, enzovoort. Maar de temperatuurmeting is bijna 50% van het totale aantal technische metingen.

Een dergelijk hoog percentage wordt bereikt door het aantal meetpunten. Dus bij een gemiddelde grootte van een kerncentrale kan de temperatuur op ongeveer 1500 punten worden gemeten, en bij een grote chemische fabriek bereikt dit aantal twintig of meer duizend.

Een dergelijke hoeveelheid duidt niet alleen op een breed scala aan meetinstrumenten en, bijgevolg, op een veelvoud van primaire transducers en temperatuursensoren, maar ook op steeds hogere eisen aan de nauwkeurigheid, snelheid, immuniteit voor ruis en betrouwbaarheid van temperatuurmeetinstrumenten.

De belangrijkste soorten temperatuursensoren, het werkingsprincipe

Bijna alle temperatuursensoren die in de moderne productie worden gebruikt, gebruiken het principe van het omzetten van de gemeten temperatuur in elektrische signalen. Een dergelijke conversie is gebaseerd op het feit dat het mogelijk is om een ​​elektrisch signaal met grote snelheid over lange afstanden te verzenden, terwijl fysieke hoeveelheden kunnen worden omgezet in elektrische signalen. Omgezet in digitale code, kunnen deze signalen met hoge nauwkeurigheid worden verzonden en ook worden ingevoerd voor verwerking in een computer.

Weerstandsthermokoppels

Ze worden ook wel genoemd thermistors. Hun werkingsprincipe is gebaseerd op het feit dat alle geleiders en halfgeleiders hebben Temperatuurbestendigheidscoëfficiënt afgekort TCS. Dit is ongeveer hetzelfde als de thermische uitzettingscoëfficiënt die iedereen kent: bij verhitting zetten de lichamen uit.

Opgemerkt moet worden dat alle metalen een positieve TCS hebben. Met andere woorden, de elektrische weerstand van de geleider neemt toe met toenemende temperatuur. Hier kunnen we ons herinneren dat gloeilampen meestal opbranden op het moment van inschakelen, terwijl de spoel koud is en de weerstand klein is. Vandaar de verhoogde stroom wanneer ingeschakeld. Halfgeleiders hebben een negatieve TCS, bij toenemende temperatuur neemt hun weerstand af, maar dit zal iets hoger worden besproken.

Metalen thermistors

Het lijkt erop dat het mogelijk is om elke geleider als materiaal voor thermistoren te gebruiken, maar een aantal vereisten voor thermistoren zegt dat dit niet zo is.

Allereerst moet het materiaal voor de vervaardiging van temperatuursensoren een voldoende grote TCS hebben en de afhankelijkheid van de temperatuurbestendigheid moet redelijk lineair zijn in een breed temperatuurbereik. Bovendien moet de metalen geleider inert zijn voor omgevingsinvloeden en zorgen voor een goede reproduceerbaarheid van eigenschappen, waardoor sensoren kunnen worden vervangen zonder verschillende fijnafstemming van het meetapparaat als geheel.

Voor al deze eigenschappen is platina bijna ideaal (behalve de hoge prijs), evenals koper. Dergelijke thermistors in de beschrijvingen worden koper (TCM-Cu) en platina (TSP-Pt) genoemd.

Thermistors TSP kunnen worden gebruikt in het temperatuurbereik -260 - 1100 ° C.Als de gemeten temperatuur in het bereik 0 - 650 ° C ligt, kunnen de TSP-sensoren als referentie en referentie worden gebruikt, omdat de instabiliteit van de kalibratiekarakteristiek in dit bereik niet groter is dan 0,001 ° C. De nadelen van TSP-thermistoren zijn de hoge kosten en niet-lineariteit van de conversiefunctie in een breed temperatuurbereik. Daarom is nauwkeurige temperatuurmeting alleen mogelijk binnen het bereik dat wordt aangegeven in de technische gegevens.

Goedkopere koperthermistors van het merk TSM, waarvan de afhankelijkheid van temperatuurbestendigheid vrij lineair is, hebben een bredere praktijk gekregen. Als een gebrek aan koperen weerstanden, kan een lage weerstand en onvoldoende weerstand tegen hoge temperaturen (gemakkelijke oxidatie) worden overwogen. Daarom hebben koperthermistors een meetlimiet van niet meer dan 180 ° C.

Een tweedraadslijn wordt gebruikt om sensoren zoals TCM en TSP aan te sluiten, als de afstand van de sensor tot het apparaat niet groter is dan 200 meter. Als deze afstand groter is, wordt een driedraads communicatielijn gebruikt, waarin de derde draad wordt gebruikt om de weerstand van de geleidingsdraden te compenseren. Dergelijke verbindingsmethoden worden gedetailleerd weergegeven in de technische beschrijvingen van apparaten die zijn uitgerust met TCM- of TSP-sensoren.

De nadelen van de sensoren zijn hun lage snelheid: thermische traagheid (tijdconstante) van dergelijke sensoren varieert van tientallen seconden tot enkele minuten. Er worden ook echte thermistors met lage traagheid vervaardigd, waarvan de tijdconstante niet meer dan tienden van een seconde is, wat wordt bereikt vanwege hun kleine afmetingen. Dergelijke thermistors zijn gemaakt van gegoten microwire in een glazen schaal. Ze zijn zeer stabiel, afgedicht en hebben een lage inertie. Bovendien hebben ze met kleine afmetingen een weerstand tot enkele tientallen kilo-ohm.

Halfgeleider thermistoren

Ze worden ook vaak genoemd thermistors. In vergelijking met koper en platina hebben ze een hogere gevoeligheid en negatieve TCS. Dit suggereert dat bij toenemende temperatuur hun weerstand afneemt. TCS-thermistoren zijn een orde van grootte hoger dan hun tegenhangers van koper en platina. Met zeer kleine afmetingen kan de weerstand van thermistors tot 1 MΩ bereiken, waardoor de invloed op het meetresultaat van de weerstand van de verbindingsdraden wordt geëlimineerd.

Voor het meten van de temperatuur worden halfgeleiderthermistoren KMT (op basis van oxiden van mangaan en kobalt) en MMT (oxiden van mangaan en koper) het meest gebruikt. De conversiefunctie van de thermistors is vrij lineair in het temperatuurbereik van -100 - 200 ° C, de betrouwbaarheid van halfgeleider thermistors is zeer hoog, de eigenschappen zijn lang stabiel.

Het enige nadeel is dat het bij massaproductie niet mogelijk is om de nodige kenmerken met voldoende nauwkeurigheid te reproduceren. Het ene exemplaar verschilt aanzienlijk van het andere, op vrijwel dezelfde manier als transistors: het lijkt uit hetzelfde pakket te komen, maar de winst is voor iedereen anders, je zult er geen twee vinden. Een dergelijke spreiding van parameters leidt ertoe dat het bij het vervangen van een thermistor noodzakelijk is om de apparatuur opnieuw aan te passen.

Meestal wordt een brugcircuit gebruikt om thermische weerstandsconverters te voeden, waarbij de brug wordt gebalanceerd met behulp van een potentiometer. Wanneer de weerstand van de thermistor verandert als gevolg van temperatuur, kan de brug alleen worden uitgebalanceerd door de potentiometer te draaien.

Een soortgelijk schema met handmatige aanpassing wordt gebruikt als een demonstratie in educatieve laboratoria. De potentiometer-motor heeft een schaal die rechtstreeks in temperatuureenheden is gekalibreerd. In echte meetcircuits gebeurt alles natuurlijk automatisch.

Het volgende deel van het artikel gaat over het gebruik van thermokoppels en mechanische expansiethermometers - Temperatuur sensoren. thermokoppels

Boris Aladyshkin, bgv.electricianexp.com

Domotica

Praktische elektrotechniek en elektronica