Quin sensor de temperatura és millor, criteris de selecció del sensor

Si és la primera vegada que us trobeu amb el problema de triar un sensor per mesurar la temperatura, podeu triar un sensor de baix cost i fiable.

Primer de tot, cal esbrinar els detalls següents: el rang de temperatures esperat de mesures, la precisió necessària, si el sensor estarà situat dins del medi (si no, caldrà un termòmetre de radiació), les condicions són presumptes normals o agressives, és important la possibilitat de desmantellar periòdicament el sensor i, finalment, és necessari la graduació és en graus o és acceptable rebre un senyal que després es convertirà en un valor de temperatura.

No es tracta de preguntes ocioses, que responen al consumidor que tingui l’oportunitat de triar un sensor de temperatura més adequat amb el que el seu equip funcionarà de la millor manera. Per descomptat, és impossible donar una resposta senzilla i inequívoca a la pregunta de quin sensor de temperatura és millor, encara cal triar el consumidor, havent-se familiaritzat amb les característiques de cada tipus de sensor.

Aquí donarem una breu visió general dels tres tipus principals de sensors de temperatura (els més habituals): termòmetre de resistència, termistor o termopar. Mentrestant, és important que el consumidor entengui immediatament que la precisió de les dades de temperatura obtingudes depèn tant del sensor com del convertidor de senyal, tant el sensor principal com el convertidor contribueixen a la incertesa.

De vegades, a l’hora d’escollir els dispositius només presten atenció a les característiques del convertidor, oblidant que diferents sensors donaran diferents components addicionals (segons el tipus de sensor seleccionat), que caldrà tenir en compte a l’hora de rebre dades.

Termòmetres de resistència: si necessiteu alta precisió

En aquest cas, l’element detector és una resistència de filme o filferro, amb una coneguda dependència de la resistència a la temperatura, col·locada en una caixa de ceràmica o metall. Els més populars són el platí (coeficient d’alta temperatura), però també s’utilitza níquel i coure. Es poden trobar intervalles i toleràncies, així com les dependències estàndard de resistència a la temperatura dels termòmetres de resistència llegint GOST 6651-2009.

L’avantatge d’aquest tipus de termòmetres és un rang de temperatures ampli, alta estabilitat, una bona intercanviabilitat. Els termòmetres de resistència a les pel·lícules de platí, especialment resistents a les vibracions, però ja disposen d'un marge de treball.

Els elements segellats del TS es produeixen com a elements sensibles separats per als sensors en miniatura, no obstant això, tant els termòmetres de resistència com els sensors es caracteritzen per tenir un relatiu menys: necessiten un sistema de tres fils o de quatre fils per funcionar, i les mesures seran precises.

No obstant això, el vidre de la caixa de segellat hauria de ser adequat per a les condicions seleccionades de manera que les fluctuacions de temperatura no comportessin la destrucció de la capa de segellat del sensor. La tolerància estàndard dels termòmetres de platí no és superior a 0,1 ° C, però és possible obtenir una precisió individual per obtenir una precisió de 0,01 ° C.

Els termòmetres de referència de platí (GOST R 51233-98) tenen una precisió més elevada, la seva precisió arriba a 0,002 ° C, però s’han de manejar amb cura, perquè no poden suportar la sacsejada. A més, el seu cost és deu vegades superior als termòmetres estàndards de resistència al platí.

Un termòmetre de resistència al ferro-rodi és adequat per a mesures a temperatures criogèniques. La dependència anormal de la temperatura de l'aliatge i el baix TCR permeten que aquest termòmetre funcioni a temperatures de 0,5 K a 500 K i l'estabilitat a 20 K arriba a 0,15 mK / any.

L’element sensible estructuralment del termòmetre de resistència són quatre peces d’espiral col·locades al voltant d’un tub d’òxid d’alumini, recobert de pols d’òxid d’alumini pur. Els girs estan aïllats els uns dels altres i l'espiral mateixa és, en principi, a prova de vibracions. Segellat amb esmalt o ciment especialment seleccionat a base de la mateixa alúmina. Un interval típic per a elements de filferro és de -196 ° C a +660 ° C.

La segona versió de l’element (més cara, usada a les instal·lacions nuclears) és una estructura buida, caracteritzada per una estabilitat molt alta dels paràmetres. Un element s’enrotlla sobre un cilindre metàl·lic, cobrint la superfície del cilindre amb una capa d’òxid d’alumini. El cilindre propi està fabricat amb un metall especial similar al coeficient d'expansió tèrmica al platí. El cost dels termòmetres d’elements buits és molt elevat.

La tercera opció és un element de pel·lícula fina. S’aplica una capa fina de platí (de l’ordre de 0,01 micres) al substrat ceràmic, que està recobert amb vidre o epoxi.

Aquest és el tipus d’element més barat per als termòmetres de resistència. Petita mida i pes lleuger: l’avantatge principal d’un element de pel·lícula fina. Aquests sensors tenen una alta resistència d’uns 1 kΩ, cosa que nega el problema de la connexió de dos fils. Tanmateix, l’estabilitat d’elements prims és inferior al filferro. Un rang típic per a elements de pel·lícula és de -50 ° C a +600 ° C.

Una espiral fabricada amb filferro de platí recobert de vidre és l’opció d’un termòmetre de resistència de fil molt car, molt tancat, resistent a la humitat elevada, però l’interval de temperatures de funcionament és relativament estret.

Termocopis: per mesurar temperatures altes

Thomas Seebeck, descobert el principi de funcionament del termopar, es pot descriure de la manera següent: al conductor d’un material homogeni amb portadors de càrrega gratuïta, quan s’escalfa un dels contactes de mesura, apareixerà un emf. O així: en un circuit tancat de materials diferents, en condicions de diferència de temperatura entre les juntes, es produeix un corrent.

La segona formulació proporciona una comprensió més precisa. principi de termopar, mentre que el primer reflecteix l’essència mateixa de la generació de termoelectricitat i indica les limitacions de precisió associades a l’heterogeneïtat termoelèctrica: per a tota la longitud del termoelectrode, el factor decisiu és la presència d’un gradient de temperatura, de manera que la immersió al medi durant la calibració hauria de ser la mateixa que el futur treball. posició del sensor.

Els termocopis proporcionen el rang de temperatura de funcionament més ampli i, el que és més important, tenen la temperatura de funcionament més elevada de tots els tipus de sensors de temperatura de contacte. La unió pot ser posada a terra o en contacte proper amb l'objecte estudiat. Senzill, fiable i durador: es tracta d’un sensor basat en un termopar. Els límits i les toleràncies, es poden trobar paràmetres termoelèctrics de les termoparelles llegint GOST R 8.585-2001.

Els termoparells també presenten alguns desavantatges únics:

• la potència termoelèctrica és no lineal, cosa que crea dificultats per al desenvolupament de convertidors per a ells;

• el material dels elèctrodes necessita un bon segellat per la seva inertitat química, per la seva vulnerabilitat als ambients agressius;

• heterogeneïtat termoelèctrica per corrosió o altres processos químics, a causa dels quals la composició canvia lleugerament, obliga a canviar la calibració; la gran longitud dels conductors dóna lloc a l’efecte de l’antena i fa que el termopar sigui vulnerable als camps EM;

• La qualitat d’aïllament del transmissor esdevé un aspecte molt important si es requereix poca inèrcia d’un termopar amb unió a terra.

Els termocopis de metall noble (PP-platí-rodi-platí, PR-platí-rodi-platí-rodi) es caracteritzen per la màxima precisió, la menor heterogeneïtat termoelèctrica que els termoparells de metalls base. Aquests termoparells són resistents a l’oxidació, per tant tenen una gran estabilitat.

A temperatures de fins a 50 ° C, pràcticament donen una sortida de 0, de manera que no cal supervisar la temperatura de les cruïlles fredes. El cost és elevat, la sensibilitat baixa - 10 μV / K a 1000 ºC. Inhomogeneïtat a 1100 ° С - a la regió de 0,25 ° С. La contaminació i l’oxidació dels elèctrodes creen inestabilitat (el rodi s’oxida a temperatures de 500 a 900 ºC), i per tant encara apareix una inhomogeneïtat elèctrica. Els parells de metalls purs (platí-pal·ladi, platí-or) tenen una millor estabilitat.

Els termocopis que s’utilitzen àmpliament a la indústria sovint són de metalls base. Són barats i resistents a les vibracions. Els elèctrodes estan especialment segellats amb un cable amb aïllament mineral. Es poden instal·lar en llocs difícils. Els termoparells són altament sensibles, però l’heterogeneïtat termoelèctrica és un desavantatge dels models barats: l’error pot arribar als 5 ºC.

La calibració periòdica dels equips al laboratori no té sentit; és més útil comprovar la termopar en el lloc de la instal·lació. Els parells més termoelèctricament inhomogens són nisil / nichrosil. El principal component de la incertesa és tenir en compte la temperatura de la unió freda.

Les temperatures altes de l'ordre de 2500 ° C es mesuren mitjançant termoparells de tungstè-reni. Aquí és important eliminar els factors oxidants, pels quals recorren a cobertes especials de gas inert tancades, així com a cobertes de molibdè i tàntal amb aïllament amb òxid de magnesi i òxid de berili. I, per descomptat, l’àrea d’aplicació més important del tungstè-reni són les termoparles per a l’energia nuclear en condicions de flux de neutrons.

Per a les termoparells, per descomptat, no caldrà un sistema de tres fils o de quatre fils, però caldrà utilitzar cables de compensació i extensió, cosa que permetrà que el senyal es transmeti 100 metres a l’equip de mesura amb mínims errors.

Els cables d'extensió són del mateix metall que la termopar, i els cables de compensació (coure) s'utilitzen per a termoparells de metalls preciosos (per al platí). Els cables de compensació es convertiran en una font d'incertesa de l'ordre de 1-2 ° C amb una gran diferència de temperatura. Tanmateix, hi ha una norma IEC 60584-3 per als cables de compensació.

Termistors: per a intervals de temperatura petits i aplicacions especials

Termistors Són termòmetres de resistència peculiars, però no de filferro, sinó sinteritzats en forma d’estructures multifase, basades en òxids metàl·lics de transició mixta. El seu principal avantatge és la mida petita, una varietat de formes diverses, poca inèrcia, baix cost.

Els termistors tenen coeficient de resistència de temperatura negativa (NTC) o positiu (PTC). El NTC i RTS més comuns s’utilitzen per a intervals de temperatura molt estrets (unitats de graus) en sistemes de vigilància i alarma. La millor estabilitat dels termistors es troba entre 0 i 100 ºC.

Els termistors tenen forma de disc (fins a 18 mm), de bola (fins a 1 mm), de pel·lícula (gruix fins a 0,01 mm), cilíndrics (fins a 40 mm). Els petits sensors de termistor permeten als investigadors mesurar la temperatura fins i tot dins de les cèl·lules i els vasos sanguinis.

Els termistors requereixen principalment mesuraments de temperatures baixes per la seva relativa insensibilitat als camps magnètics. Alguns tipus de termistors tenen temperatures de funcionament fins a menys de 100 ºC.

Bàsicament, els termistors són estructures complexes multifàsiques sinteritzades a una temperatura d'aproximadament 1200 ºC en aire a partir de nitrats granulars i òxids metàl·lics. Els més estables a temperatures inferiors a 250 ºC són els termistors NTC fets de níquel i òxids de magnesi o níquel, magnesi i cobalt.

La conductivitat específica d’un termistor depèn de la seva composició química, del grau d’oxidació, de la presència d’additius en forma de metalls com el sodi o el liti.

Els termistors de perles minúsculs s'apliquen a dos terminals de platí, després es recobren de vidre.Per a termistors de disc, els cables són soldats al recobriment de platí del disc.

La resistència dels termistors és superior a la dels termòmetres de resistència, normalment es troba en un rang d’1 a 30 kOhm, per la qual cosa és adequat un sistema de dos fils. La dependència de la temperatura de la resistència és propera a l'exponencial.

Els termistors de disc són intercanviables millor entre 0 i 70 ° C amb un error de 0,05 ° C. Bead: requereix la calibració individual del transductor per a cada instància. Els termistors estan graduats en termòstats líquids, comparant els seus paràmetres amb un termòmetre ideal de resistència al platí en passos de 20 ° C en el rang de 0 a 100 ° C. Així, s’arriba a un error de no més de 5 mK.