Cảm biến nhiệt độ nào tốt hơn, tiêu chí lựa chọn cảm biến

Nếu đây là lần đầu tiên bạn gặp phải vấn đề chọn cảm biến để đo nhiệt độ, thì việc chọn cảm biến giá rẻ và đáng tin cậy có thể là một vấn đề thực sự đối với bạn.

Trước hết, cần phải tìm hiểu các chi tiết sau: phạm vi đo nhiệt độ dự kiến, độ chính xác cần thiết, liệu cảm biến sẽ được đặt bên trong môi trường (nếu không, sẽ cần một nhiệt kế bức xạ), điều kiện được cho là bình thường hoặc hung hăng, là khả năng tháo dỡ định kỳ của cảm biến, và cuối cùng, có cần thiết không? tốt nghiệp bằng độ hoặc chấp nhận được tín hiệu, sau đó sẽ được chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ.

Đây không phải là những câu hỏi nhàn rỗi, trả lời mà người tiêu dùng có cơ hội lựa chọn cho mình một cảm biến nhiệt độ phù hợp hơn mà thiết bị của anh ta sẽ hoạt động theo cách tốt nhất. Tất nhiên, không thể đơn giản và dứt khoát đưa ra câu trả lời cho câu hỏi cảm biến nhiệt độ nào tốt hơn, lựa chọn vẫn được đưa ra cho người tiêu dùng, trước tiên phải làm quen với các tính năng của từng loại cảm biến.

Ở đây chúng tôi sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về ba loại cảm biến nhiệt độ chính (phổ biến nhất): nhiệt kế điện trở, nhiệt điện trở hoặc cặp nhiệt điện. Trong khi đó, điều quan trọng là người tiêu dùng phải hiểu ngay rằng độ chính xác của dữ liệu nhiệt độ nhận được phụ thuộc vào cả cảm biến và bộ chuyển đổi tín hiệu - cả cảm biến chính và bộ chuyển đổi đều góp phần không chắc chắn.

Đôi khi, khi chọn thiết bị, họ chỉ chú ý đến các đặc điểm của bộ chuyển đổi, quên rằng các cảm biến khác nhau sẽ cung cấp các thành phần bổ sung khác nhau (tùy thuộc vào loại cảm biến được chọn), sẽ cần được tính đến khi nhận dữ liệu.

Nhiệt kế điện trở - nếu bạn cần độ chính xác cao

Trong trường hợp này, phần tử cảm biến là một điện trở màng hoặc dây, với sự phụ thuộc đã biết của điện trở vào nhiệt độ, được đặt trong vỏ gốm hoặc kim loại. Phổ biến nhất là bạch kim (hệ số nhiệt độ cao), nhưng niken và đồng cũng được sử dụng. Phạm vi và dung sai, cũng như sự phụ thuộc tiêu chuẩn của điện trở vào nhiệt độ đối với nhiệt kế điện trở có thể được tìm thấy bằng cách đọc GOST 6651-2009.

Ưu điểm của loại nhiệt kế này là dải nhiệt độ rộng, độ ổn định cao, khả năng thay thế tốt. Đặc biệt chống rung, nhiệt kế kháng màng bạch kim, tuy nhiên, chúng đã có một phạm vi làm việc.

Các phần tử kín của TS được sản xuất dưới dạng các phần tử nhạy cảm riêng biệt cho các cảm biến thu nhỏ, tuy nhiên, cả nhiệt kế và cảm biến đều được đặc trưng bởi một điểm trừ tương đối - chúng yêu cầu hệ thống ba dây hoặc bốn dây để hoạt động, sau đó các phép đo sẽ chính xác.

Chưa hết, lớp men của vỏ niêm phong phải phù hợp với các điều kiện đã chọn để sự dao động nhiệt độ sẽ không dẫn đến sự phá hủy lớp niêm phong của cảm biến. Dung sai tiêu chuẩn của nhiệt kế bạch kim không quá 0,1 ° C, nhưng tốt nghiệp cá nhân có thể đạt được độ chính xác 0,01 ° C.

Nhiệt kế bạch kim tham chiếu (GOST R 51233-98) có độ chính xác cao hơn, độ chính xác của chúng đạt 0,002 ° C, nhưng chúng phải được xử lý cẩn thận, vì chúng không thể đứng lắc. Ngoài ra, giá thành của chúng cao gấp mười lần so với nhiệt kế kháng bạch kim tiêu chuẩn.

Một nhiệt kế kháng sắt-rhodium thích hợp cho các phép đo dưới nhiệt độ đông lạnh. Sự phụ thuộc nhiệt độ bất thường của hợp kim và TCR thấp cho phép một nhiệt kế như vậy hoạt động ở nhiệt độ từ 0,5 K đến 500 K, và độ ổn định ở 20 K đạt 0,15 mK / năm.

Yếu tố cấu trúc nhạy cảm của nhiệt kế điện trở là bốn mảnh xoắn ốc được đặt xung quanh một ống oxit nhôm, được phủ bằng bột oxit nhôm nguyên chất. Các ngã rẽ được cách ly với nhau, và theo nguyên tắc, xoắn ốc là chống rung. Niêm phong bằng men hoặc xi măng được lựa chọn đặc biệt dựa trên cùng một alumina. Phạm vi điển hình cho các phần tử dây là từ -196 ° C đến +660 ° C.

Phiên bản thứ hai của nguyên tố (đắt hơn, được sử dụng tại các cơ sở hạt nhân) là một cấu trúc rỗng, được đặc trưng bởi độ ổn định của các tham số rất cao. Một phần tử được quấn trên một hình trụ kim loại, bề mặt của hình trụ được phủ một lớp oxit nhôm. Bản thân xi lanh được làm bằng một kim loại đặc biệt tương tự hệ số giãn nở nhiệt với bạch kim. Chi phí của nhiệt kế phần tử rỗng là rất cao.

Tùy chọn thứ ba là một yếu tố màng mỏng. Một lớp bạch kim mỏng (theo thứ tự 0,01 micron) được áp dụng cho chất nền gốm, được phủ bằng thủy tinh hoặc epoxy trên đầu.

Đây là loại yếu tố rẻ nhất cho nhiệt kế điện trở. Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ - lợi thế chính của yếu tố màng mỏng. Các cảm biến như vậy có điện trở cao khoảng 1 kΩ, điều này phủ nhận vấn đề kết nối hai dây. Tuy nhiên, độ ổn định của các phần tử mỏng kém hơn dây. Phạm vi điển hình cho các yếu tố phim là từ -50 ° C đến +600 ° C.

Một xoắn ốc làm bằng dây bạch kim phủ thủy tinh là một lựa chọn của nhiệt kế điện trở dây rất đắt tiền, được niêm phong cực kỳ tốt, chịu được độ ẩm cao, nhưng phạm vi nhiệt độ tương đối hẹp.

Cặp nhiệt điện - để đo nhiệt độ cao

Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện được Thomas Seebeck phát hiện vào năm 1822, nó có thể được mô tả như sau: trong dây dẫn của vật liệu đồng nhất với các hạt mang điện miễn phí, khi một trong các tiếp điểm đo được nung nóng, một emf sẽ xuất hiện. Hoặc như vậy: trong một mạch kín của các vật liệu khác nhau, trong điều kiện chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm nối, một dòng điện xảy ra.

Công thức thứ hai cung cấp một sự hiểu biết chính xác hơn. nguyên lý cặp nhiệt điện, trong khi lần đầu tiên phản ánh chính bản chất của việc tạo nhiệt điện và chỉ ra các giới hạn độ chính xác liên quan đến tính không đồng nhất nhiệt điện: đối với toàn bộ chiều dài của nhiệt điện, yếu tố quyết định là sự hiện diện của độ dốc nhiệt độ, do đó, việc ngâm trong môi trường trong quá trình hiệu chuẩn sẽ giống như hoạt động trong tương lai. vị trí cảm biến.

Cặp nhiệt điện cung cấp phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng nhất và quan trọng nhất là có nhiệt độ hoạt động cao nhất trong tất cả các loại cảm biến nhiệt độ tiếp xúc. Điểm nối có thể được nối đất hoặc tiếp xúc gần với đối tượng nghiên cứu. Đơn giản, đáng tin cậy, bền - đây là về một cảm biến dựa trên cặp nhiệt điện. Phạm vi và dung sai, thông số nhiệt điện của cặp nhiệt điện có thể được tìm thấy bằng cách đọc GOST R 8.585-2001.

Cặp nhiệt điện cũng có một số nhược điểm độc đáo:

• năng lượng nhiệt điện là phi tuyến, điều này tạo ra những khó khăn trong việc phát triển các bộ biến đổi cho chúng;

• vật liệu của các điện cực cần được niêm phong tốt do tính trơ hóa học của chúng, vì tính dễ bị tổn thương của chúng đối với môi trường xâm thực;

• sự không đồng nhất nhiệt điện do ăn mòn hoặc các quá trình hóa học khác, do thành phần này thay đổi một chút, buộc phải thay đổi hiệu chuẩn; chiều dài lớn của dây dẫn làm phát sinh hiệu ứng của ăng ten và làm cho cặp nhiệt điện dễ bị tổn thương trong trường EM;

• Chất lượng cách điện của máy phát trở thành một khía cạnh rất quan trọng nếu cần quán tính thấp từ một cặp nhiệt điện có mối nối nối đất.

Cặp nhiệt kim loại quý (PP-platinum-rhodium-platinum, PR-platinum-rhodium-platinum-rhodium) được đặc trưng bởi độ chính xác cao nhất, độ không đồng nhất nhiệt điện thấp nhất so với cặp nhiệt điện của kim loại cơ bản. Những cặp nhiệt điện này có khả năng chống oxy hóa, do đó chúng có độ ổn định cao.

Ở nhiệt độ lên tới 50 ° C, thực tế chúng cho đầu ra bằng 0, do đó không cần phải theo dõi nhiệt độ của các mối nối lạnh. Chi phí cao, độ nhạy thấp - 10 VV / K ở 1000 ° C. Tính không đồng nhất ở 1100 ° С - trong khu vực 0,25 ° С. Sự ô nhiễm và oxy hóa các điện cực tạo ra sự không ổn định (rhodium oxy hóa ở nhiệt độ từ 500 đến 900 ° C), và do đó vẫn không xuất hiện điện không đồng nhất. Các cặp kim loại nguyên chất (bạch kim-palađi, bạch kim-vàng) có độ ổn định tốt hơn.

Cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thường được làm bằng kim loại cơ bản. Chúng không tốn kém và chống rung. Đặc biệt thuận tiện là các điện cực được bịt kín bằng một dây cáp có lớp cách điện khoáng sản - chúng có thể được lắp đặt ở những nơi khó khăn. Cặp nhiệt điện có độ nhạy cao, nhưng tính không đồng nhất nhiệt điện là nhược điểm của các mẫu rẻ tiền - sai số có thể đạt tới 5 ° C.

Hiệu chuẩn định kỳ của thiết bị trong phòng thí nghiệm là vô nghĩa, sẽ hữu ích hơn khi kiểm tra cặp nhiệt điện tại nơi lắp đặt. Các cặp không đồng nhất nhiệt điện nhất là nisil / nichrosil. Thành phần chính của sự không chắc chắn là có tính đến nhiệt độ của mối nối lạnh.

Nhiệt độ cao ở mức 2500 ° C được đo bằng cặp nhiệt điện vonfram-rheni. Điều quan trọng ở đây là loại bỏ các yếu tố oxy hóa, mà chúng sử dụng các vỏ khí trơ kín đặc biệt, cũng như các lớp phủ molypden và tantalum với lớp cách nhiệt với magiê oxit và oxit beryllium. Và tất nhiên, lĩnh vực quan trọng nhất của ứng dụng vonfram-rheni là cặp nhiệt điện cho năng lượng hạt nhân trong điều kiện thông lượng neutron.

Tất nhiên, đối với cặp nhiệt điện, sẽ không yêu cầu hệ thống ba dây hoặc bốn dây, nhưng sẽ cần sử dụng dây bù và dây nối dài, điều này sẽ cho phép tín hiệu được truyền 100 mét đến thiết bị đo với sai số tối thiểu.

Dây nối dài được làm bằng kim loại giống như cặp nhiệt điện và dây bù (đồng) được sử dụng cho cặp nhiệt điện làm bằng kim loại quý (đối với bạch kim). Các dây bù sẽ trở thành một nguồn không chắc chắn ở mức 1-2 ° C với chênh lệch nhiệt độ lớn, tuy nhiên, có một tiêu chuẩn IEC 60584-3 cho các dây bù.

Nhiệt điện - cho phạm vi nhiệt độ nhỏ và các ứng dụng đặc biệt

Bình giữ nhiệt Chúng là các nhiệt kế điện trở đặc biệt, nhưng không phải là các dây, mà được thiêu kết ở dạng cấu trúc đa pha, dựa trên các oxit kim loại chuyển tiếp hỗn hợp. Ưu điểm chính của chúng là kích thước nhỏ, nhiều dạng khác nhau, quán tính thấp, chi phí thấp.

Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm (NTC) hoặc dương (PTC). NTC và RTS phổ biến nhất được sử dụng cho các phạm vi nhiệt độ rất hẹp (đơn vị độ) trong các hệ thống giám sát và báo động. Độ ổn định tốt nhất của nhiệt điện trở nằm trong khoảng từ 0 đến 100 ° C.

Nhiệt điện ở dạng đĩa (lên đến 18 mm), hạt (lên đến 1 mm), màng (độ dày lên đến 0,01 mm), hình trụ (lên đến 40 mm). Cảm biến nhiệt điện trở nhỏ cho phép các nhà nghiên cứu đo nhiệt độ ngay cả bên trong tế bào và mạch máu.

Nhiệt điện chủ yếu là nhu cầu đo nhiệt độ thấp do độ nhạy cảm tương đối của chúng với từ trường. Một số loại nhiệt điện có nhiệt độ hoạt động lên tới âm 100 ° C.

Về cơ bản, thermistors là cấu trúc đa pha phức tạp thiêu kết ở nhiệt độ khoảng 1200 ° C trong không khí từ nitrat dạng hạt và oxit kim loại. Ổn định nhất ở nhiệt độ dưới 250 ° C là nhiệt điện NTC làm từ niken và magiê oxit hoặc niken, magiê và coban.

Độ dẫn điện cụ thể của nhiệt điện trở phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó, vào mức độ oxy hóa, vào sự hiện diện của các chất phụ gia ở dạng kim loại như natri hoặc lithium.

Nhiệt điện hạt nhỏ được áp dụng cho hai thiết bị đầu cuối bạch kim, sau đó được phủ bằng thủy tinh.Đối với nhiệt điện đĩa, các đạo trình được hàn vào lớp phủ bạch kim của đĩa.

Điện trở của nhiệt điện trở cao hơn nhiệt kế điện trở, thông thường nó nằm trong phạm vi từ 1 đến 30 kOhm, vì vậy một hệ thống hai dây là phù hợp ở đây. Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở gần với cấp số nhân.

Nhiệt kế đĩa có thể hoán đổi cho nhau tốt nhất trong khoảng từ 0 đến 70 ° C trong phạm vi sai số 0,05 ° C. Hạt - yêu cầu hiệu chuẩn riêng của đầu dò cho từng trường hợp. Nhiệt điện trở được chia độ trong các bộ điều nhiệt lỏng, so sánh các thông số của chúng với một nhiệt kế kháng bạch kim lý tưởng ở các bước 20 ° C trong khoảng từ 0 đến 100 ° C. Do đó, một lỗi không quá 5 mK là đạt được.