Qual sensor de temperatura é melhor, critérios de seleção do sensor

Se é a primeira vez que se depara com a questão de escolher um sensor para medir temperatura, a escolha de um sensor confiável e de baixo custo pode ser um problema real para você.

Antes de tudo, é necessário descobrir os seguintes detalhes: a faixa de temperatura esperada das medições, a precisão necessária, se o sensor estará localizado dentro do meio (caso contrário, será necessário um termômetro de radiação), as condições são assumidas normais ou agressivas, é a possibilidade de desmontagem periódica do sensor importante e, finalmente, é necessário a graduação é em graus ou é aceitável receber um sinal, que será convertido em um valor de temperatura.

Essas não são perguntas ociosas, respondendo à qual o consumidor tem a oportunidade de escolher por si mesmo um sensor de temperatura mais adequado com o qual seu equipamento funcionará da melhor maneira. Obviamente, é impossível dar uma resposta simples e inequívoca à questão de qual sensor de temperatura é melhor, a escolha ainda precisa ser feita ao consumidor, depois de se familiarizar com as características de cada tipo de sensor.

Aqui daremos uma breve visão geral dos três principais tipos de sensores de temperatura (os mais comuns): termômetro de resistência, termistor ou termopar. Enquanto isso, é importante que o consumidor entenda imediatamente que a precisão dos dados de temperatura recebidos depende do sensor e do conversor de sinal - o sensor primário e o conversor contribuem para a incerteza.

Às vezes, ao escolher os dispositivos, eles prestam atenção apenas às características do conversor, esquecendo que sensores diferentes fornecerão componentes adicionais diferentes (dependendo do tipo de sensor selecionado), que deverão ser levados em consideração ao receber dados.

Termômetros de resistência - se você precisar de alta precisão

Nesse caso, o elemento sensor é um resistor de filme ou fio, com uma dependência conhecida da resistência à temperatura, colocada em uma caixa de cerâmica ou metal. Os mais populares são platina (coeficiente de alta temperatura), mas níquel e cobre também são usados. Intervalos e tolerâncias, bem como dependências padrão de resistência à temperatura para termômetros de resistência, podem ser encontradas na leitura GOST 6651-2009.

A vantagem deste tipo de termômetro é uma ampla faixa de temperatura, alta estabilidade, boa permutabilidade. Especialmente resistentes à vibração, os termômetros de resistência ao filme de platina, no entanto, eles já possuem uma faixa de trabalho.

Os elementos selados do TS são produzidos como elementos sensíveis separados para sensores em miniatura; no entanto, os termômetros de resistência e os sensores são caracterizados por um parente negativo - eles exigem um sistema de três ou quatro fios para a operação; as medições serão precisas.

E, no entanto, o esmalte da caixa de vedação deve ser adequado para as condições selecionadas, de modo que as flutuações de temperatura não levem à destruição da camada de vedação do sensor. A tolerância padrão dos termômetros de platina não é superior a 0,1 ° C, mas é possível obter uma graduação individual para obter uma precisão de 0,01 ° C.

Os termômetros de referência de platina (GOST R 51233-98) têm maior precisão, atingem 0,002 ° C, mas devem ser manuseados com cuidado, pois não agitam. Além disso, seu custo é dez vezes maior que os termômetros de resistência de platina padrão.

Um termômetro de resistência ao ferro-ródio é adequado para medições sob temperaturas criogênicas. A dependência anormal de temperatura da liga e o baixo TCR permitem que esse termômetro opere a temperaturas de 0,5 K a 500 K, e a estabilidade a 20 K atinge 0,15 mK / ano.

O elemento estruturalmente sensível do termômetro de resistência são quatro pedaços de espiral dispostos em torno de um tubo de óxido de alumínio, coberto com pó de óxido de alumínio puro. As voltas são isoladas uma da outra, e a própria espiral é, em princípio, à prova de vibração. Vedação com esmalte ou cimento especialmente selecionado, à base da mesma alumina. Uma faixa típica para elementos de arame é de -196 ° C a +660 ° C.

A segunda versão do elemento (mais cara, usada em instalações nucleares) é uma estrutura oca, caracterizada por uma estabilidade muito alta de parâmetros. Um elemento é enrolado em um cilindro de metal, a superfície do cilindro sendo coberta com uma camada de óxido de alumínio. O próprio cilindro é feito de um metal especial semelhante em coeficiente de expansão térmica à platina. O custo dos termômetros de elemento oco é muito alto.

A terceira opção é um elemento de filme fino. Uma fina camada de platina (da ordem de 0,01 mícrons) é aplicada ao substrato de cerâmica, que é revestido com vidro ou epóxi por cima.

Este é o tipo mais barato de elemento para termômetros de resistência. Tamanho pequeno e peso leve - a principal vantagem de um elemento de película fina. Esses sensores têm uma alta resistência de cerca de 1 kΩ, o que nega o problema da conexão com dois fios. No entanto, a estabilidade dos elementos finos é inferior ao fio. Uma faixa típica para elementos de filme é de -50 ° C a +600 ° C.

Uma espiral feita de arame de platina revestido com vidro é uma opção de um termômetro de resistência de arame muito caro, extremamente bem vedado, resistente à alta umidade, mas a faixa de temperatura é relativamente estreita.

Termopares - para medir altas temperaturas

O princípio de operação do termopar foi descoberto em 1822 por Thomas Seebeck, e pode ser descrito da seguinte forma: no condutor de um material homogêneo com transportadores de carga livre, quando um dos contatos de medição é aquecido, uma fem aparece. Ou seja: em um circuito fechado de materiais diferentes, sob condições de diferença de temperatura entre as junções, ocorre uma corrente.

A segunda formulação fornece uma compreensão mais precisa. princípio do termopar, enquanto o primeiro reflete a própria essência da geração termoeletricidade e indica as limitações de precisão associadas à heterogeneidade termoelétrica: para todo o comprimento do termoeletrodo, o fator decisivo é a presença de um gradiente de temperatura; portanto, a imersão no meio durante a calibração deve ser a mesma do trabalho futuro posição do sensor.

Os termopares oferecem a faixa de temperatura operacional mais ampla e, mais importante, têm a temperatura operacional mais alta de todos os tipos de sensores de temperatura de contato. A junção pode ser aterrada ou colocada em contato próximo com o objeto estudado. Simples, confiável, durável - trata-se de um sensor baseado em um termopar. Intervalos e tolerâncias, parâmetros termoelétricos de termopares podem ser encontrados lendo GOST R 8.585-2001.

Os termopares também têm algumas desvantagens exclusivas:

• a energia termoelétrica é não linear, o que cria dificuldades no desenvolvimento de conversores para eles;

• o material dos eletrodos precisa de boa vedação devido à sua inércia química, devido à sua vulnerabilidade a ambientes agressivos;

• heterogeneidade termoelétrica devido à corrosão ou outros processos químicos, devido aos quais a composição muda ligeiramente, força a alteração da calibração; o grande comprimento dos condutores dá origem ao efeito da antena e torna o termopar vulnerável aos campos EM;

• A qualidade do isolamento do transmissor se torna um aspecto muito importante se for necessária baixa inércia de um termopar com uma junção aterrada.

Os termopares de metais nobres (PP-platina-ródio-platina, PR-platina-ródio-platina-ródio) são caracterizados pela maior precisão, a menor heterogeneidade termoelétrica que os termopares de metais comuns. Esses termopares são resistentes à oxidação, portanto, possuem alta estabilidade.

Em temperaturas de até 50 ° C, eles praticamente fornecem uma saída de 0, então não há necessidade de monitorar a temperatura de junções frias. O custo é alto, a sensibilidade é baixa - 10 μV / K a 1000 ° C. Inomogeneidade a 1100 ° С - na região de 0,25 ° С. A contaminação e a oxidação dos eletrodos criam instabilidade (o ródio é oxidado a temperaturas de 500 a 900 ° C) e, portanto, a homogeneidade elétrica ainda aparece. Pares de metais puros (platina-paládio, platina-ouro) têm melhor estabilidade.

Os termopares amplamente utilizados na indústria geralmente são feitos de metais comuns. Eles são baratos e resistentes a vibrações. Especialmente convenientes são os eletrodos selados com um cabo com isolamento mineral - eles podem ser instalados em locais difíceis. Os termopares são altamente sensíveis, mas a heterogeneidade termoelétrica é uma desvantagem dos modelos baratos - o erro pode chegar a 5 ° C.

A calibração periódica do equipamento no laboratório é inútil; é mais útil verificar o termopar no local da instalação. Os pares mais heterogêneos termoeletricamente são nisil / nichrosil. O principal componente da incerteza é levar em consideração a temperatura da junção fria.

Altas temperaturas da ordem de 2500 ° C são medidas por termopares de tungstênio-rênio. É importante aqui eliminar fatores oxidantes, para os quais eles recorrem a coberturas especiais seladas de gás inerte, bem como a coberturas de molibdênio e tântalo com isolamento com óxido de magnésio e óxido de berílio. E, claro, a área de aplicação mais importante do tungstênio-rênio são os termopares para energia nuclear sob condições de fluxo de nêutrons.

Para termopares, é claro, não será necessário um sistema de três ou quatro fios, mas será necessário usar fios de compensação e extensão que permitam que o sinal seja transmitido 100 metros para o equipamento de medição com o mínimo de erros.

Os fios de extensão são feitos do mesmo metal que o termopar, e os fios de compensação (cobre) são usados ​​para termopares feitos de metais preciosos (para platina). Os fios de compensação se tornarão uma fonte de incerteza da ordem de 1-2 ° C com uma grande diferença de temperatura; no entanto, existe um padrão IEC 60584-3 para fios de compensação.

Termistores - para pequenas faixas de temperatura e aplicações especiais

Termistores São termômetros de resistência peculiares, mas não de fio, mas sinterizados na forma de estruturas multifásicas, baseadas em óxidos de metais de transição mistos. Sua principal vantagem é o tamanho pequeno, uma variedade de formas, baixa inércia e baixo custo.

Os termistores apresentam coeficiente de temperatura negativo (NTC) ou positivo (PTC). O NTC mais comum e o RTS são usados ​​para faixas de temperatura muito estreitas (unidades de graus) em sistemas de monitoramento e alarme. A melhor estabilidade dos termistores está na faixa de 0 a 100 ° C.

Os termistores têm a forma de disco (até 18 mm), cordão (até 1 mm), filme (espessura até 0,01 mm), cilíndrico (até 40 mm). Pequenos sensores de termistor permitem que os pesquisadores medam a temperatura mesmo dentro das células e vasos sanguíneos.

Os termistores são os mais procurados para medir baixas temperaturas devido à sua insensibilidade relativa aos campos magnéticos. Alguns tipos de termistores têm temperaturas operacionais de até menos de 100 ° C.

Basicamente, os termistores são estruturas multifásicas complexas sinterizadas a uma temperatura de cerca de 1200 ° C no ar a partir de nitratos granulares e óxidos metálicos. Os mais estáveis ​​a temperaturas abaixo de 250 ° C são os termistores NTC feitos de óxidos de níquel e magnésio ou níquel, magnésio e cobalto.

A condutividade específica de um termistor depende de sua composição química, do grau de oxidação, da presença de aditivos na forma de metais como sódio ou lítio.

Pequenos termistores de esferas são aplicados a dois terminais de platina e depois revestidos com vidro.Para termistores de disco, os fios são soldados ao revestimento de platina do disco.

A resistência dos termistores é maior do que a dos termômetros de resistência, geralmente ela fica na faixa de 1 a 30 kOhm, portanto, um sistema de dois fios é adequado aqui. A dependência da temperatura da resistência é quase exponencial.

Os termistores de disco são melhor intercambiáveis ​​para uma faixa de 0 a 70 ° C, com um erro de 0,05 ° C. Cordão - requer calibração individual do transdutor para cada instância. Os termistores são graduados em termostatos líquidos, comparando seus parâmetros com um termômetro de resistência de platina ideal em etapas de 20 ° C na faixa de 0 a 100 ° C. Assim, é atingido um erro não superior a 5 mK.