Zalety i wady różnych czujników temperatury

W wielu procesach technologicznych jedną z najważniejszych wielkości fizycznych jest temperatura. W przemyśle do pomiaru wykorzystywane są czujniki temperatury. Czujniki te przetwarzają informacje o temperaturze na sygnał elektryczny, który jest następnie przetwarzany i interpretowany przez elektronikę i automatykę. W rezultacie wartość temperatury jest albo po prostu wyświetlana na wyświetlaczu, albo służy jako podstawa do automatycznej zmiany trybu pracy jednego lub drugiego urządzenia.

Tak czy inaczej, czujniki temperatury są dziś nieodzowne, zwłaszcza w przemyśle. I ważne jest, aby wybrać odpowiedni czujnik do swojego celu, dobrze rozumiejąc cechy wyróżniające różne typy czujników temperatury. Porozmawiamy o tym później.

Różne czujniki do różnych celów

Technologicznie czujniki temperatury dzielą się na dwie duże grupy: stykowe i bezdotykowe. Czujniki bezdotykowe wykorzystują w swojej pracy zasadę pomiaru parametry podczerwienipochodzących z odległej powierzchni.

Czujniki kontaktowe natomiast szerzej dostępne na rynku różnią się tym, że ich element sensoryczny w procesie pomiaru temperatury ma bezpośredni kontakt z powierzchnią lub medium, którego temperatura ma być mierzona. Dlatego najbardziej celowe będzie szczegółowe zbadanie czujników kontaktowych, porównanie ich typów, właściwości, ocena zalet i wad różnych typów czujników temperatury.

Wybierając czujnik temperatury, pierwszą rzeczą do zrobienia jest ustalenie, w jaki sposób będzie konieczny pomiar temperatury. Czujnik podczerwieni będzie w stanie mierzyć temperaturę w pewnej odległości od powierzchni, dlatego fundamentalne znaczenie ma to, aby między czujnikiem a powierzchnią, na którą zostanie skierowany, atmosfera była jak najbardziej przezroczysta i czysta, w przeciwnym razie temperatura dane będą zniekształcone (patrz - Bezkontaktowy pomiar temperatury podczas pracy urządzeń).

Czujnik kontaktowy umożliwi bezpośredni pomiar temperatury powierzchni lub otoczenia, z którym się styka, więc czystość otaczającej atmosfery nie jest na ogół istotna. Tutaj kluczowe znaczenie ma bezpośredni i wysokiej jakości kontakt między czujnikiem a badanym materiałem.

Sonda kontaktowa może być wyprodukowana przy użyciu jednej z kilku technologii: termistora, termometru rezystancyjnego lub termopary. Każda technologia ma swoje zalety i wady.

Termistor jest bardzo czuły, jego cena plasuje się pośrodku między termoparami a termometrami rezystancyjnymi, ale nie różni się dokładnością i liniowością.

Termopara jest droższa, szybciej reaguje na zmiany temperatury, pomiary będą bardziej liniowe niż termistora, ale dokładność i czułość nie są wysokie.

Termometr rezystancyjny jest najdokładniejszy z tych trzech, jest liniowy, ale mniej czuły, chociaż jest tańszy niż termopara w cenie.

Dodatkowo przy wyborze czujnika należy zwrócić uwagę na zakres mierzonych temperatur, w przypadku termopar i termometrów rezystancyjnych jest to uzależnione od materiału zastosowanego elementu czułego. Trzeba więc znaleźć jakiś kompromis.

Termoelement

Czujniki temperatury termoelement pracować dzięki Efekt Seebekova… Dwa druty z różnych metali są przylutowane na jednym końcu — jest to tak zwane gorące złącze termopary, które jest wystawione na działanie mierzonej temperatury. Po przeciwnej stronie drutów temperatura ich końców nie zmienia się, w tym miejscu podłączony jest czuły woltomierz.

Napięcie mierzone woltomierzem zależy od różnicy temperatur między gorącym złączem a przewodami podłączonymi do woltomierza. Termopary różnią się metalami tworzącymi ich spoiny gorące, co determinuje zakres mierzonych temperatur dla konkretnego czujnika termopary.

Poniżej znajduje się tabela różnych typów czujników tej odmiany. Typ czujnika dobierany jest w zależności od wymaganego zakresu temperatur oraz charakteru otoczenia.

Czujniki typu E nadają się do stosowania w środowiskach utleniających lub obojętnych. Typ J — do pracy w próżni, środowisku obojętnym lub redukującym. Typ K — odpowiedni do środowisk utleniających lub neutralnych. Typ N — ma dłuższą żywotność w porównaniu do typu K.

Czujniki typu T są odporne na korozję, dzięki czemu mogą być stosowane w wilgotnych środowiskach utleniających, redukujących, obojętnych, a także w próżni. Typy R (przemysłowe) i S (laboratoryjne) to czujniki wysokotemperaturowe, które muszą być chronione specjalnymi izolatorami ceramicznymi lub niemetalowymi rurkami. Typ B ma jeszcze wyższą temperaturę niż typy R i S.

Zaletą czujników termoparowych jest stabilność ich parametrów pracy w wysokich temperaturach oraz względna szybkość reakcji na zmiany temperatury spoin. Czujniki tego typu prezentowane są w szerokim zakresie dostępnych średnic. Mają niską cenę.

Jeśli chodzi o wady, termopary charakteryzują się małą dokładnością, mają wyjątkowo niskie mierzone napięcie, a ponadto czujniki te zawsze wymagają układów kompensacyjnych.

Termometry rezystancyjne

Termometr oporowy lub czujnik temperatury reostatu jest określany skrótem RTD. Działa na zasadzie zmiany rezystancji metalu w zależności od zmiany jego temperatury. Zastosowane metale: platyna (od -200°C do +600°C), nikiel (od -60°C do +180°C), miedź (od -190°C do +150°C), wolfram (od -100°C) ° C do +1400 ° C) — w zależności od wymaganego zakresu mierzonych temperatur.

Częściej niż inne metale platyna jest stosowana w termometrach rezystancyjnych, co daje dość szeroki zakres temperatur i pozwala na dobór czujników o różnej czułości. Tak więc czujnik Pt100 ma rezystancję 100 Ohm przy 0°C, a czujnik Pt1000 ma 1 kOhm w tej samej temperaturze, czyli jest bardziej czuły i pozwala dokładniej mierzyć temperaturę.

W porównaniu z termoparą, termometr rezystancyjny ma większą dokładność, jego parametry są bardziej stabilne, a zakres mierzonych temperatur szerszy. Jednak czułość jest mniejsza, a czas reakcji dłuższy niż w przypadku termopar.

termistory

Inny rodzaj kontaktowych czujników temperatury — termistory… Wykorzystują tlenki metali, które mogą znacznie zmieniać ich odporność w zależności od temperatury. Termistory są dwojakiego rodzaju: PTC — PTC i NTC — NTC.

W pierwszym rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury w pewnym zakresie roboczym, w drugim wraz ze wzrostem temperatury rezystancja maleje. Termistory charakteryzują się szybszą reakcją na zmiany temperatury i niskim kosztem, ale są dość delikatne i mają wąski zakres temperatur pracy niż te same termometry rezystancyjne i termopary.

Czujniki podczerwieni

Jak wspomniano na początku artykułu, czujniki podczerwieni interpretują promieniowanie podczerwone emitowane przez odległą powierzchnię - cel. Ich zaletą jest to, że pomiar temperatury odbywa się w sposób bezdotykowy, czyli nie ma potrzeby dociskania czujnika do przedmiotu ani zanurzania go w otoczeniu.

Reagują bardzo szybko na zmiany temperatury, dlatego znajdują zastosowanie do badania powierzchni nawet poruszających się obiektów np. na przenośniku.Tylko za pomocą czujników podczerwieni możliwy jest pomiar temperatury próbek znajdujących się np. bezpośrednio w piekarniku lub w jakiejkolwiek strefie agresywnej.

Wadami czujników podczerwieni są ich wrażliwość na stan powierzchni emitującej ciepło, a także na czystość własnej optyki i atmosfery na drodze między czujnikiem a celem. Kurz i dym znacznie utrudniają dokładne pomiary.