Odporový teploměr - Resistance thermometer

Odporové teploměry, také zvaný odporové teplotní detektory (RTD), jsou senzory slouží k měření teploty. Mnoho prvků RTD sestává z délky jemného drátu omotaného kolem keramického nebo skleněného jádra, ale používají se také jiné konstrukce. Drát RTD je čistý materiál, obvykle platina, nikl nebo měď. Materiál má přesný vztah odpor / teplota, který slouží k indikaci teploty. Protože prvky RTD jsou křehké, jsou často umístěny v ochranných sondách.

RTD, které mají vyšší přesnost a opakovatelnost, se pomalu nahrazují termočlánky v průmyslových aplikacích pod 600 °C.^[1]

Vztah odpor / teplota kovů

Běžné snímací prvky RTD vyrobené z platiny, mědi nebo niklu mají opakovatelný vztah mezi odporem a teplotou (R vs. T) a Provozní teplota rozsah. The R vs. T vztah je definován jako velikost změny odporu snímače na stupeň změny teploty.^[1] Relativní změna odporu (teplotní koeficient odporu) se v použitelném rozsahu senzoru liší jen nepatrně.

Platina byl navržen uživatelem Sir William Siemens jako prvek pro odporový teplotní detektor na Bakeriánská přednáška v roce 1871:^[2] to je ušlechtilý kov a má nejstabilnější vztah odpor - teplota v největším teplotním rozsahu. Nikl prvky mají omezený teplotní rozsah, protože rozsah změny odporu na stupeň změny teploty se stává velmi nelineárním při teplotách nad 300 ° C (572 ° F). Měď má velmi lineární vztah odpor - teplota; měď však oxiduje při mírných teplotách a nelze ji použít při teplotě 150 ° C (302 ° F).

Významnou charakteristikou kovů použitých jako odporové prvky je lineární aproximace vztahu odpor versus teplota mezi 0 a 100 ° C. Tento teplotní koeficient odporu se označuje α a obvykle se udává v jednotkách Ω / (Ω · ° C):

${ displaystyle alpha = { frac {R_ {100} -R_ {0}} {100 , { rm {^ { circ} C}} cdot R_ {0}}},}$

kde

${ displaystyle R_ {0}}$ je odpor snímače při 0 ° C,

${ displaystyle R_ {100}}$ je odpor snímače při 100 ° C.

Čistý Platina má α = 0,003925 Ω / (Ω · ° C) v rozsahu 0 až 100 ° C a používá se při konstrukci laboratorních RTD. Naopak dva široce uznávané standardy pro průmyslové RTD IEC 60751 a ASTM E-1137 specifikují α = 0,00385 Ω / (Ω · ° C). Než byly tyto standardy široce přijaty, bylo použito několik různých hodnot α. Stále je možné najít starší sondy vyrobené z platiny, které mají α = 0,003916 Ω / (Ω · ° C) a 0,003902 Ω / (Ω · ° C).

Těchto různých hodnot α pro platinu je dosaženo pomocí doping - pečlivé zavádění nečistot, které se začleňují do mřížkové struktury platiny a vedou k odlišným R vs. T křivka a tedy hodnota α.^{[Citace je zapotřebí ]}

Kalibrace

Charakterizovat R vs. T vztahu jakéhokoli RTD v teplotním rozsahu, který představuje plánovaný rozsah použití, musí být kalibrace provedena při teplotách jiných než 0 ° C a 100 ° C. To je nezbytné pro splnění požadavků na kalibraci. Přestože jsou RTD považovány za lineární v provozu, musí být prokázáno, že jsou přesné s ohledem na teploty, s nimiž budou skutečně použity (viz podrobnosti v možnosti Porovnání kalibrace). Dvě běžné kalibrační metody jsou metoda s pevným bodem a metoda srovnání.^{[Citace je zapotřebí ]}

Kalibrace pevného bodu

se používá pro nejpřesnější kalibrace národními metrologickými laboratořemi.^[3] Využívá trojný bod, bod tuhnutí nebo bod tání čistých látek, jako je voda, zinek, cín a argon, aby vytvořil známou a opakovatelnou teplotu. Tyto buňky umožňují uživateli reprodukovat skutečné podmínky ITS-90 teplotní stupnice. Kalibrace s pevným bodem poskytují extrémně přesné kalibrace (v rozmezí ± 0,001 ° C). Běžnou metodou kalibrace s pevným bodem pro průmyslové sondy je ledová lázeň. Zařízení je levné, snadno použitelné a může pojmout několik senzorů najednou. Ledový bod je označen jako sekundární standard, protože jeho přesnost je ± 0,005 ° C (± 0,009 ° F) ve srovnání s ± 0,001 ° C (± 0,0018 ° F) pro primární pevné body.

Porovnávací kalibrace

se běžně používá se sekundárními SPRT a průmyslovými RTD.^[4] Kalibrované teploměry jsou porovnávány s kalibrovanými teploměry pomocí lázně, jejíž teplota je rovnoměrně stabilní. Na rozdíl od kalibrací s pevným bodem lze porovnávat při jakékoli teplotě mezi -100 ° C a 500 ° C (-148 ° F až 932 ° F). Tato metoda může být nákladově efektivnější, protože několik senzorů lze kalibrovat současně s automatizovaným zařízením. Tyto elektricky vyhřívané a dobře míchané lázně používají silikonové oleje a roztavené soli jako médium pro různé kalibrační teploty.

Typy prvků

Tři hlavní kategorie snímačů RTD jsou tenkovrstvé, drátové a vinuté prvky. Zatímco tyto typy jsou v průmyslu nejrozšířenější, používají se i jiné exotičtější tvary; například uhlíkové odpory se používají při ultranízkých teplotách (-273 ° C až -173 ° C).^[5]

Uhlíkové odporové prvky

jsou levné a široce používané. Mají velmi reprodukovatelné výsledky při nízkých teplotách. Jsou nejspolehlivější formou při extrémně nízkých teplotách. Obecně netrpí významnými hystereze nebo tenzometrické efekty.

Prvky bez napětí

použijte drátovou cívku minimálně nesenou v utěsněném pouzdře naplněném inertním plynem. Tyto senzory pracují až do 961,78 ° C a používají se v SPRT, které definují ITS-90. Skládají se z platinového drátu volně stočeného přes nosnou konstrukci, takže prvek se může volně rozpínat a smršťovat při teplotě. Jsou velmi náchylné k otřesům a vibracím, protože smyčky platiny se mohou kývat sem a tam a způsobit deformaci.

Tenký film PRT

Tenkovrstvé prvky

mají snímací prvek, který je vytvořen nanesením velmi tenké vrstvy odporového materiálu, obvykle platiny, na keramický podklad (pokovování ). Tato vrstva má obvykle tloušťku jen 10 až 100 ångströmů (1 až 10 nanometrů).^[6] Tento film je poté potažen epoxidem nebo sklem, které pomáhá chránit uložený film a také působí jako odlehčení tahu pro vnější vodiče. Nevýhody tohoto typu spočívají v tom, že nejsou tak stabilní jako jejich drátové nebo vinuté protějšky. Mohou být také použity pouze v omezeném teplotním rozsahu kvůli různým rychlostem roztažnosti podkladu a nanesenému odporu dává "tenzometr "účinek, který je patrný v odporovém teplotním koeficientu. Tyto prvky pracují s teplotami do 300 ° C (572 ° F) bez dalšího balení, ale mohou fungovat až do 600 ° C (1112 ° F), pokud jsou vhodně zapouzdřeny ve skle nebo keramice . Speciální vysokoteplotní prvky RTD lze použít se správným zapouzdřením až do 900 ° C (1652 ° F).

Drátové PRT

Drátové prvky

může mít větší přesnost, zejména pro široký rozsah teplot. Průměr cívky poskytuje kompromis mezi mechanickou stabilitou a umožněním roztažení drátu, aby se minimalizovalo napětí a následný drift. Snímací vodič je omotán kolem izolačního trnu nebo jádra. Navíjecí jádro může být kulaté nebo ploché, ale musí to být elektrický izolátor. Koeficient tepelné roztažnosti materiálu jádra vinutí je přizpůsoben snímacímu drátu, aby se minimalizovalo jakékoli mechanické namáhání. Toto napětí na vodiči prvku způsobí chybu tepelného měření. Snímací vodič je připojen k většímu vodiči, který se obvykle označuje jako vodič prvku nebo vodič. Tento vodič je vybrán tak, aby byl kompatibilní se snímacím vodičem, takže kombinace nevytváří emf, který by narušil tepelné měření. Tyto prvky pracují s teplotami do 660 ° C.

Cívkový prvek PRT

Navinuté prvky

do značné míry nahradily drátem navinuté prvky v průmyslu. Tento design má drátovou cívku, která se může volně rozpínat při teplotě, drženou na místě nějakou mechanickou podporou, která umožňuje, aby si cívka udržovala svůj tvar. Tato konstrukce „bez napětí“ umožňuje snímacímu drátu expandovat a stahovat se bez vlivu jiných materiálů; v tomto ohledu je to podobné jako SPRT, primární standard, na kterém ITS-90 je založen a přitom poskytuje odolnost potřebnou pro průmyslové použití. Základem snímacího prvku je malá cívka platinového snímacího drátu. Tato cívka připomíná vlákno ve žárovce. Pouzdro nebo trn je tvrdě vypalovaná trubka z keramického oxidu s rovnoměrně rozmístěnými otvory, které probíhají příčně k osám. Cívka se vloží do otvorů trnu a poté se naplní velmi jemně mletým keramickým práškem. To umožňuje pohyb snímacího drátu a přitom zůstává v dobrém tepelném kontaktu s procesem. Tyto prvky pracují s teplotami do 850 ° C.

Současná mezinárodní norma, která specifikuje toleranci a vztah mezi teplotou a elektrickým odporem platinových odporových teploměrů (PRT), je IEC 60751: 2008; ASTM E1137 se používá také ve Spojených státech. Zdaleka nejběžnější zařízení používaná v průmyslu mají nominální odpor 100 ohm při 0 ° C a nazývají se senzory Pt100 („Pt“ je symbol pro platinu, „100“ pro odpor v ohmech při 0 ° C). Je také možné získat snímače Pt1000, kde 1000 je pro odpor v ohmech při 0 ° C. Citlivost standardního senzoru 100 Ω je nominálně 0,385 Ω / ° C. K dispozici jsou také RTD s citlivostí 0,375 a 0,392 Ω / ° C a řada dalších.

Funkce

Odporové teploměry jsou konstruovány v mnoha formách a nabízejí větší stabilitu, přesnost a opakovatelnost v některých případech než termočlánky. Zatímco termočlánky používají Seebeckův efekt pro generování napětí používají odporové teploměry elektrický odpor a k provozu vyžadují zdroj energie. Odpor se v ideálním případě téměř liší lineárně s teplotou na Callendar – Van Dusenova rovnice.

Platinový detekční vodič musí být udržován bez kontaminace, aby zůstal stabilní. Platinový drát nebo film je na formovacím zařízení podepřen takovým způsobem, že od něj získává minimální diferenciální roztažnost nebo jiné napětí, a přesto je přiměřeně odolný vůči vibracím. V některých aplikacích se také používají sestavy RTD vyrobené ze železa nebo mědi. Komerční platinové třídy vykazují a teplotní koeficient odporu 0,00385 / ° C (0,385% / ° C) (Evropský základní interval).^[7] Senzor je obvykle vyroben tak, aby měl odpor 100 Ω při 0 ° C. To je definováno v BS EN 60751: 1996 (převzato z IEC 60751: 1995). Americký základní interval je 0,00392 / ° C,^[8] založené na použití čistší platiny, než je evropský standard. Americký standard pochází od asociace výrobců vědeckých přístrojů (SAMA), která již v této oblasti norem není. Ve výsledku je „americký standard“ stěží standardem i v USA.

Odpor olověného drátu může být také faktorem; přijetí tří- a čtyřvodičových namísto dvouvodičových připojení může eliminovat účinky odporu připojovacích vodičů z měření (viz níže ); třívodičové připojení je pro většinu účelů dostačující a je téměř univerzální průmyslovou praxí. Pro nejpřesnější aplikace se používají čtyřvodičová připojení.

Výhody a omezení

Mezi výhody platinových odporových teploměrů patří:

• Vysoká přesnost
• Nízký drift
• Široký provozní rozsah
• Vhodnost pro přesné aplikace.

Omezení:

RTD v průmyslových aplikacích se zřídka používají nad 660 ° C. Při teplotách nad 660 ° C je stále obtížnější zabránit kontaminaci platiny nečistotami z kovového pláště teploměru. Proto laboratorní standardní teploměry nahrazují kovový plášť skleněnou konstrukcí. Při velmi nízkých teplotách, řekněme pod −270 ° C (3 K), protože jich je velmi málo fonony, je odpor RTD určen hlavně nečistoty a rozptyl hranic a tedy v zásadě nezávislý na teplotě. V důsledku toho citlivost RTD je v podstatě nulová, a proto není užitečná.^{[Citace je zapotřebí ]}

Ve srovnání s termistory, platinové RTD jsou méně citlivé na malé teplotní změny a mají pomalejší dobu odezvy. Termistory však mají menší teplotní rozsah a stabilitu.

RTD vs termočlánky

Dva nejběžnější způsoby měření teploty pro průmyslové aplikace jsou s odporovými teplotními detektory (RTD) a termočlánky. Volba mezi nimi je obvykle určena čtyřmi faktory.

Teplota

Pokud jsou procesní teploty mezi -200 a 500 ° C (-328,0 až 932,0 ° F), upřednostňuje se průmyslový RTD. Termočlánky mít rozsah -180 až 2 320 ° C (-292,0 až 4 208,0 ° F),^[9] takže pro teploty nad 500 ° C (932 ° F) | text = je to zařízení pro měření kontaktní teploty běžně používané ve fyzikálních laboratořích.}}

Doba odezvy

Pokud proces vyžaduje velmi rychlou reakci na změny teploty (zlomky sekundy na rozdíl od sekund), pak je nejlepší volbou termočlánek. Časová odezva se měří ponořením senzoru do vody pohybující se rychlostí 1 m / s (3,3 ft / s) se skokovou změnou 63,2%.

Velikost

Standardní plášť RTD má průměr 3,175 až 6,35 mm (0,1250 až 0,2500 palce); průměry pláště pro termočlánky mohou být menší než 1,6 mm (0,063 palce).

Požadavky na přesnost a stabilitu

Pokud je přijatelná tolerance 2 ° C a není požadována nejvyšší úroveň opakovatelnosti, bude sloužit termočlánek. RTD jsou schopné vyšší přesnosti a mohou udržovat stabilitu po mnoho let, zatímco termočlánky se mohou driftovat během prvních několika hodin používání.

Konstrukce

Tyto prvky téměř vždy vyžadují připojení izolovaných vodičů. PVC, silikonová guma nebo PTFE izolátory se používají při teplotách pod asi 250 ° C. Kromě toho se používají skleněná vlákna nebo keramika. Měřicí bod a obvykle většina vodičů vyžadují pouzdro nebo ochranné pouzdro, často vyrobené ze slitiny kovů, která je chemicky inertní vůči sledovanému procesu. Výběr a návrh ochranných pouzder může vyžadovat větší péči než skutečný senzor, protože pouzdro musí odolat chemickému nebo fyzickému napadení a poskytovat pohodlné připevňovací body.

Konfigurace zapojení

Dvouvodičová konfigurace

Nejjednodušší konfigurace odporového teploměru používá dva vodiče. Používá se pouze tehdy, když není požadována vysoká přesnost, protože odpor připojovacích vodičů je přidán k odporu snímače, což vede k chybám měření. Tato konfigurace umožňuje použití 100 metrů kabelu. To platí stejně pro vyvážený můstek i systém pevných můstků.

Pro vyvážený můstek je obvyklé nastavení s R2 = R1 a R3 kolem středu rozsahu RTD. Například pokud budeme měřit mezi 0 a 100 ° C (32 až 212 ° F), odpor RTD se bude pohybovat od 100 Ω do 138,5 Ω. Zvolili bychom R1 = 120 Ω. Tímto způsobem dostaneme do můstku malé naměřené napětí.

Konfigurace se třemi vodiči

Aby se minimalizovaly účinky odporů elektrod, lze použít třívodičovou konfiguraci. Navrhované nastavení zobrazené konfigurace je s R1 = R2 a R3 kolem středu rozsahu RTD. Při pohledu na Wheatstoneův most zobrazený obvod, pokles napětí na levé dolní straně je V_rtd + V_lead a na pravé dolní velikosti je V_R3 + V_lead, proto je napětí mostu (V_b) rozdíl, V_rtd - V_R3. Pokles napětí v důsledku odporu elektrody byl zrušen. To platí vždy, když R1 = R2 a R1, R2 >> RTD, R3. R1 a R2 mohou sloužit k použití omezení proudu přes RTD, například pro PT100, omezení na 1 mA a 5 V, by navrhovalo omezující odpor přibližně R1 = R2 = 5 / 0,001 = 5 000 Ohmů.

Čtyřvodičová konfigurace

Konfigurace čtyřvodičového odporu zvyšuje přesnost měření odporu. Čtyřkoncové snímání eliminuje pokles napětí v měřicích vodičích jako příspěvek k chybě. Pro další zvýšení přesnosti jsou veškerá zbytková termoelektrická napětí generovaná různými typy vodičů nebo šroubovanými spoji eliminována obrácením směru proudu 1 mA a vodičů k DVM (digitální voltmetr). Termoelektrická napětí budou vyráběna pouze v jednom směru. Zprůměrováním obrácených měření se termoelektrická chybová napětí zruší.^{[Citace je zapotřebí ]}

Klasifikace RTD

Nejvyšší přesnost všech PRT je Ultra přesné platinové odporové teploměry (UPRT). Této přesnosti je dosaženo na úkor životnosti a nákladů. Prvky UPRT jsou navinuty z platinového drátu referenční kvality. Vnitřní olověné dráty jsou obvykle vyrobeny z platiny, zatímco vnitřní podpěry jsou vyrobeny z křemene nebo taveného oxidu křemičitého. Pláště jsou obvykle vyrobeny z křemene nebo někdy z inconelu, v závislosti na teplotním rozsahu. Používá se platinový drát o větším průměru, který zvyšuje náklady a vede k nižšímu odporu sondy (obvykle 25,5 Ω). UPRT mají široký teplotní rozsah (-200 ° C až 1000 ° C) a jsou přibližně přesné v rozmezí teplot ± 0,001 ° C. UPRT jsou vhodné pouze pro laboratorní použití.

Další klasifikace laboratorních PRT je Standardní platinové odporové teploměry (Standardní SPRT). Jsou konstruovány jako UPRT, ale materiály jsou nákladově efektivnější. SPRT běžně používají platinový drát o vysoké čistotě s menším průměrem, kovové pláště a keramické izolátory. Vnitřní olověné dráty jsou obvykle slitina na bázi niklu. Standardní PRT jsou omezenější v teplotním rozsahu (-200 ° C až 500 ° C) a jsou přibližně přesné v rozmezí teplot ± 0,03 ° C.

Průmyslové PRT jsou navrženy tak, aby odolaly průmyslovému prostředí. Mohou být téměř stejně odolné jako termočlánek. V závislosti na aplikaci mohou průmyslové PRT používat tenkovrstvé nebo svinuté prvky. Vnitřní přívodní vodiče se mohou pohybovat od lankových niklovaných měděných vodičů s izolací z PTFE po stříbrné vodiče, v závislosti na velikosti snímače a použití. Materiál pláště je obvykle nerezová ocel; aplikace s vyšší teplotou mohou vyžadovat Inconel. Pro speciální aplikace se používají jiné materiály.

Dějiny

Uplatnění tendence elektrické vodiče zvýšit jejich elektrický odpor s rostoucí teplotou poprvé popsal Sir William Siemens na Bakeriánská přednáška z roku 1871 před královská společnost z Velká Británie. Potřebné způsoby výstavby byly stanoveny Callendar, Griffiths, Holborn a Wein v letech 1885 až 1900.

The Raketoplán rozsáhle využívaly platinové odporové teploměry. Jediné vypnutí letadla za letu Hlavní motor raketoplánu - mise STS-51F - bylo způsobeno několika poruchami RTD, které se staly křehkými a nespolehlivými v důsledku více cyklů zahřívání a ochlazování. (Poruchy senzorů falešně naznačovaly, že se palivové čerpadlo kriticky přehřívalo a motor se automaticky vypnul.) Po incidentu s poruchou motoru byly RTD nahrazeny termočlánky. ^[10]

Standardní odporový teploměr

Teplotní senzory se obvykle dodávají s tenkovrstvými prvky. Odporové prvky jsou v souladu s BS EN 60751: 2008 hodnoceny jako:

Lze dodat prvky odporového teploměru do 1000 ° C. Vztah mezi teplotou a odporem je dán vztahem Callendar-Van Dusen rovnice:

${ displaystyle R_ {T} = R_ {0} doleva [1 + AT + BT ^ {2} + CT ^ {3} (T-100) doprava] ; (- 200 ; {} ^ { circ} mathrm {C}$

${ displaystyle R_ {T} = R_ {0} vlevo [1 + AT + BT ^ {2} vpravo] ; (0 ; {} ^ { circ} mathrm {C} leq T <850 ; {} ^ { circ} mathrm {C}).}$

Tady ${ displaystyle R_ {T}}$ je odpor při teplotě T, ${ displaystyle R_ {0}}$ je odpor při 0 ° C a konstanty (pro α = 0,00385 platinový RTD) jsou:

${ displaystyle A = 3,9083 krát 10 ^ {- 3} ~ ^ { circ} { text {C}} ^ {- 1},}$

${ displaystyle B = -5,775 krát 10 ^ {- 7} ~ ^ { circ} { text {C}} ^ {- 2},}$

${ displaystyle C = -4,183 krát 10 ^ {- 12} ~ ^ { circ} { text {C}} ^ {- 4}.}$

Protože B a C koeficienty jsou relativně malé, odpor se mění téměř lineárně s teplotou.

Pro kladnou teplotu poskytuje řešení kvadratické rovnice následující vztah mezi teplotou a odporem:

${ displaystyle T = { frac {-A + { sqrt {A ^ {2} -4B vlevo (1 - { frac {R_ {T}} {R_ {0}}} vpravo)}}} { 2B}}.}$

Pak pro čtyřvodičovou konfiguraci se zdrojem přesného proudu 1 mA^[11] vztah mezi teplotou a měřeným napětím ${ displaystyle V_ {T}}$ je

${ displaystyle T = { frac {-A + { sqrt {A ^ {2} -40B (0,1-V_ {T})}}} {2B}}.}$

Odolnosti závislé na teplotě pro různé populární odporové teploměry

Viz také

• Jímka
• Termistor
• Termostat
• Termočlánek

Reference