Temperaturno tipalo: princip delovanja, merjenje in temperaturno območje

Sodobna proizvodnja je preprosto nepredstavljiva brez avtomatizacije različnih tehnoloških procesov. Od jedrske elektrarne in konča z avtomobili, povsod najdete elemente avtomatskega nadzora in regulacije potrebnih parametrov. Za učinkovitejše delovanje celotne proizvodnje ali stroja je potrebno nadzorovati tlačno, kotno in linearno hitrost, temperaturo in mnoge druge parametre.

Med skupno vrsto nadzorovanih parametrov, približno polovico zaseda merjenje in nadzor temperature. In eno Od najpomembnejših podrobnosti celotnega sistema je senzor. Glede na to, da se pogoji in temperaturni razpon močno razlikujejo, se senzorji in primarni pretvorniki izvajajo z različnimi lastnostmi in lastnostmi, odvisno od tehnoloških zahtev.

Senzor temperature je naprava, ki lahko pridobi izmerjeno vrednost in jo pretvori v signal za naknadno obdelavo in nadzor z nadzorno napravo. Preprosto povedano, gre za pretvornik ene vrednosti (temperature) v drugo količino (električni tok, upor), ki ga naprava lahko obdeluje (na primer temperaturni regulator) in na podlagi pridobljenih podatkov izvede ukrepe, za katere je ta naprava ustvarjena. Na primer, če je temperatura višja od nastavljene temperature, lahko naprava izključi pogon, da ustavi vir ogrevanja (medij).

Vrste temperaturnih senzorjev

Glede na dejstvo, da se pogoji in merilni obseg za različne naloge močno razlikujejo, in zahteve za merjenje različnih temperaturnih parametrov se razlikujejo, in za izvajanje različnih nalog toplotnega pretvornika morajo izpolnjevati te pogoje in nekatere zahteve. Zato so lahko drugačni in uporabljajo različne lastnosti materialov. Senzorji so torej:

• Polprevodniki;
• Termorezistivni;
• Akustična;
• Termoelektrični;
• Piezoelektrični;
• Pirometri.

Na kratko opišite značilnosti vsake od njih, tako da si lahko predstavljate, v katerih primerih je treba uporabljati to ali to napravo.

Polprevodniški termoelektrični

Toplotni pretvorniki te vrste so v povpraševanju v proizvodnji, saj so poceni in dokaj natančni instrumenti z nizko napako. Pod vplivom temperature takšen senzor zazna spremembe v lastnostih povezave p-n. Tu se lahko uporabi skoraj vse diode ali bipolarne tranzistorje. Visoka natančnost polprevodniških temperaturnih senzorjev je dosežena zaradi odvisnosti napetosti na tranzistorju na absolutni temperaturi.

Termorezistivni termoelektrični pretvorniki

Glavne prednosti takšnih temperaturnih senzorjev so njihova trajnost, stabilnost in visoka občutljivost. Odlično se prilegajo skoraj vsaki shemi.

Delovanje takšnih termoelementov temelji na spremembi odpornosti, ki jo povzroča temperatura, na vodnik ali polprevodnik. Preprosto rečeno, oni v svoji zasnovi vsebujejo termistor, ki reagira na spremembo v mediju, ki ga je treba meriti.

Odvisno od materiala, uporabljenega v termorezističnih temperaturnih senzorjih, so razdeljeni na:

1. Silicijeve uporovne, za katere je značilna dolgotrajna stabilnost in visoka natančnost.
2. Odporni detektorji temperature, za katere je značilna visoka stabilnost, moč in natančnost. Njihovo delo temelji na sposobnosti kovin, da spremenijo svojo odpornost, kadar so izpostavljeni temperaturi. V takšnih senzorjih se pogosteje uporablja platina ali baker, pri nadzorovanju posebej visokih temperatur pa se uporablja volfram. Njihova edina pomanjkljivost je razmeroma visok strošek.
3. Delo termistorjev temelji na uporabi kovinskih oksidnih spojin. Uporabljajo se le za absolutne meritve temperature. Glavna pomanjkljivost je potreba po umerjanju in krhkosti.

Akustične brezkontaktne naprave

Ta tip temperaturnega senzorja se uporablja predvsem za merjenje visokih temperatur. Načelo njihovega delovanja temelji na spreminjanju značilnosti zvoka pri različnih temperaturah. Je tako senzor temperature iz sprejemnika in radiatorja. Zvok, ki poteka skozi preučevani medij, vstopi v sprejemnik, kjer so nastavljeni njeni parametri in temperatura se določi na njihovi podlagi.

Akustični termični senzorji se pogosto uporabljajo v medicini in kjer je nemogoče meriti temperaturo s kontaktnimi metodami. Ena od njihovih glavnih pomanjkljivosti je nizka natančnost izmerjenih temperatur in visoka napaka zaradi dodatnih funkcij.

Termoelektrični senzorji

Termoelektrični senzorji ali, bolj preprosto, termočlenji so značilni za širok razpon merjenih vrednosti - od -200 do 2200 stopinj Celzija. Hkrati so njihove zmogljivosti odvisne od uporabljenih materialov. Tako lahko termoelementi iz navadnih kovin omogočajo merjenje temperatura do 1100 ° C, z žlahtnim na 1600 ° C, in za merjenje zelo visokih toplotnih načinov, se uporabljajo termočleni z neodzivnimi kovinami, kot je volfram.

Načelo delovanja termoelektričnih senzorjev temelji na efektu Seebeck-a, to je spojih različnih kovin, ki tvorijo zaprto zanko, v kateri nastane električni tok, ko imajo križišča različne temperature. Termoelement je sestavljen iz dveh delov: delovnega in prostega. Prvi je potopljen neposredno v delovno okolje, drugi pa ni. Tako se pojavi razlika v temperaturi, ki je prikazana kot izhodna napetost, ki jo določi multivoltmeter, ki je pogosto opremljen s termoelektričnim senzorjem.

Piezoelektrične kvarčne naprave

Načelo delovanja piezoelektričnega temperaturnega senzorja temelji na uporabi kvarčnega piezorezonatorja. Piezo-material, ki se uporablja v njej, igra vlogo resonatorja. Ko se za to uporabi električni tok, to material začne nihati pod vplivom različnih termičnih načinov, pa tudi sprememba frekvence nihanja, ki je osnova za piezoelektrične senzorje.

Brezkontaktni pirometri za termopare

Brezkontaktni senzorji, ki zaznavajo toplotno sevanje iz ogrevanih teles, se imenujejo pirometri. Udobje takšnih naprav je v tem, da ga ni treba postaviti neposredno v okolje. Vendar brez neposrednega stika natančnost njihovih indikacij je relativno nizka, ker lahko pride do neželenih učinkov, ki vplivajo na odčitke.

Obstajajo tri vrste pirometrov:

1. Interferometrični pirometri oddajajo dva žarke, ki prehajajo skozi medij, druga pa nadzorna. Dva od teh žarkov spadata na silikonski senzor, po katerem se primerja refrakcija in dolžina žarkov, ki sta neposredno odvisna od segrevanja medija.
2. Fluorescenčni termični senzorji delati na bolj zapleteno načelo: na površini, kjer je potrebno meriti količino toplote, se uporabljajo komponente na osnovi fosforja. Po tem objektu pride do ultravijoličnega pulznega sevanja, zaradi česar pride do določenih reakcij, sevanja pa se analizira.
3. Senzorji, ki vsebujejo rešitve, lahko spremeni barvo pod vplivom temperature. Kobaltov klorid, ki se uporablja pri takih pirometrih, ko je v stiku z izmerjenim medijem, lahko spreminja barvni spekter, odvisno od stopnje ogrevanja. Tako lahko količina svetlobe skozi raztopino omogoča merjenje potrebnih termo-parametrov.

Izbirna pravila

Vsi zgoraj navedeni senzorji popolnoma izvajajo svoje funkcije v določenih mejah. Vendar pa je treba razumeti, da jih je treba izbrati in uporabiti na podlagi zahtev v določenem primeru.

Zato je pri izbiri določenega termočlana upoštevati naslednje točke:

1. Vrednost temperaturnega območja.
2. Možnost potopitve senzorja v medij, ki ga je treba meriti. Če to ni mogoče, se morate zateči k pirometrom ali akustičnim senzorjem.
3. Pogoji merjenja so ena od najpomembnejših točk pri izbiri senzorja. Pri tem je treba upoštevati ne le agresivnost okolja, temveč tudi parametre, kot so tlak, vlaga itd. Zato je treba izbrati bodisi brezkontaktne senzorje bodisi v korozijsko odpornih ohišjih.
4. Vedno je treba upoštevati naravo izhodnega signala. Navsezadnje lahko nekateri termočleni takoj pretvorijo signal v stopinje, drugi pa le v obsegu toka.
5. Nekateri senzorji so precej nestabilni in kratkotrajni, kar je tudi vredno upoštevati. Zato, če je potrebno dolgo delo brez zamenjave in kalibracije, je treba upoštevati tudi ta odtenek.
6. To bo nepotrebno pri izbiri senzorja za določene potrebe, da se upošteva odzivni čas, ločljivost in napaka, delovna napajalna napetost, vrsta ohišja.

Glede na vse zgoraj navedene nianse je mogoče izbrati senzor, ki popolnoma izpolnjuje njegove značilnosti v določeni situaciji in za določene naloge.