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Sensori di temperatura Seconda parte termistori
La prima parte dell'articolo ha parlato brevemente storia di varie scale di temperatura e i loro inventori Fahrenheit, Reaumur, Celsius e Kelvin. Ora vale la pena conoscere i sensori di temperatura, i principi del loro funzionamento, i dispositivi per la ricezione di dati da questi sensori.
La proporzione della misurazione della temperatura nelle misurazioni tecnologiche
Nella moderna produzione industriale vengono misurate molte quantità fisiche diverse. Di questi, la portata di massa e volume è del 15%, il livello di liquidi è del 5%, il tempo non è superiore al 4%, la pressione è di circa il 10% e così via. Ma la misurazione della temperatura è quasi il 50% del numero totale di misurazioni tecniche.
Una percentuale così elevata è raggiunta dal numero di punti di misurazione. Quindi, a una dimensione media di una centrale nucleare, la temperatura può essere misurata a circa 1.500 punti e in un grande impianto chimico questo numero raggiunge le venti o più migliaia.
Tale quantità indica non solo un'ampia varietà di strumenti di misura e, di conseguenza, una moltitudine di trasduttori primari e sensori di temperatura, ma anche richieste crescenti di accuratezza, velocità, immunità al rumore e affidabilità degli strumenti di misura della temperatura.
I principali tipi di sensori di temperatura, il principio di funzionamento
Quasi tutti i sensori di temperatura utilizzati nella produzione moderna utilizzano il principio di convertire la temperatura misurata in segnali elettrici. Tale conversione si basa sul fatto che è possibile trasmettere un segnale elettrico ad alta velocità su lunghe distanze, mentre qualsiasi quantità fisica può essere convertita in segnali elettrici. Convertiti in codice digitale, questi segnali possono essere trasmessi con elevata precisione e inseriti anche per l'elaborazione in un computer.
Termocoppie a resistenza
Sono anche chiamati termistori. Il loro principio di funzionamento si basa sul fatto che hanno tutti i conduttori e i semiconduttori Coefficiente di resistenza alla temperatura abbreviato TCS. Questo è approssimativamente lo stesso del coefficiente di espansione termica noto a tutti: quando riscaldato, i corpi si espandono.
Va notato che tutti i metalli hanno un TCS positivo. In altre parole, la resistenza elettrica del conduttore aumenta con l'aumentare della temperatura. Qui possiamo ricordare il fatto che le lampadine a incandescenza si bruciano più spesso al momento dell'accensione, mentre la bobina è fredda e la sua resistenza è piccola. Da qui l'aumento della corrente all'accensione. I semiconduttori hanno un TCS negativo, con l'aumentare della temperatura, la loro resistenza diminuisce, ma questo sarà discusso un po 'più in alto.
Termistori metallici
Sembrerebbe che sia possibile utilizzare qualsiasi conduttore come materiale per termistori, tuttavia, una serie di requisiti per termistori afferma che non è così.
Prima di tutto, il materiale per la produzione di sensori di temperatura dovrebbe avere un TCS sufficientemente grande e la dipendenza della resistenza dalla temperatura dovrebbe essere abbastanza lineare in un ampio intervallo di temperature. Inoltre, il conduttore metallico deve essere inerte alle influenze ambientali e garantire una buona riproducibilità delle proprietà, che consentirà la sostituzione dei sensori senza ricorrere a varie regolazioni di precisione del dispositivo di misurazione nel suo insieme.
Per tutte queste proprietà, il platino è quasi ideale (tranne per l'alto prezzo), così come il rame. Tali termistori nelle descrizioni sono chiamati rame (TCM-Cu) e platino (TSP-Pt).
I termistori TSP possono essere utilizzati nell'intervallo di temperatura -260 - 1100 ° C.Se la temperatura misurata è compresa tra 0 e 650 ° C, i sensori TSP possono essere utilizzati come riferimento e riferimento, poiché l'instabilità delle caratteristiche di calibrazione in questo intervallo non supera 0,001 ° C. Gli svantaggi dei termistori TSP sono l'elevato costo e la non linearità della funzione di conversione in un ampio intervallo di temperature. Pertanto, la misurazione accurata della temperatura è possibile solo nell'intervallo indicato nei dati tecnici.
I termistori in rame più economici del marchio TSM, la dipendenza della resistenza dalla temperatura per la quale è abbastanza lineare, hanno acquisito una pratica più diffusa. Poiché mancano resistori in rame, si può considerare una bassa resistività e una resistenza insufficiente alle alte temperature (facile ossidazione). Pertanto, i termistori in rame hanno un limite di misurazione non superiore a 180 ° C.
Una linea a due fili viene utilizzata per collegare sensori come TCM e TSP, se la distanza del sensore dal dispositivo non supera i 200 m. Se questa distanza è maggiore, viene utilizzata una linea di comunicazione a tre fili, in cui viene utilizzato il terzo filo per compensare la resistenza dei cavi. Tali metodi di connessione sono illustrati in dettaglio nelle descrizioni tecniche dei dispositivi dotati di sensori TCM o TSP.
Gli svantaggi dei sensori considerati sono la loro bassa velocità: l'inerzia termica (costante di tempo) di tali sensori varia da decine di secondi a diversi minuti. Vengono prodotti anche veri e propri termistori a bassa inerzia, la cui costante di tempo non supera i decimi di secondo, che si ottiene grazie alle loro piccole dimensioni. Tali termistori sono realizzati in microonda modellata in un guscio di vetro. Sono altamente stabili, sigillati e con bassa inerzia. Inoltre, con dimensioni ridotte, hanno una resistenza fino a diverse decine di chilo-ohm.
Termistori a semiconduttore
Sono anche spesso chiamati termistori. Rispetto al rame e al platino, hanno una maggiore sensibilità e TCS negativo. Ciò suggerisce che all'aumentare della temperatura, la loro resistenza diminuisce. I termistori TCS hanno un ordine di grandezza superiore alle loro controparti in rame e platino. Con dimensioni molto ridotte, la resistenza dei termistori può raggiungere fino a 1 MΩ, il che elimina l'influenza sul risultato della misurazione della resistenza dei cavi di collegamento.
Per misurare la temperatura, i più utilizzati sono i termistori a semiconduttore KMT (a base di ossidi di manganese e cobalto), nonché MMT (ossidi di manganese e rame). La funzione di conversione dei termistori è abbastanza lineare nell'intervallo di temperature da -100 a 200 ° C, l'affidabilità dei termistori a semiconduttore è molto elevata, le caratteristiche sono stabili per lungo tempo.
L'unico inconveniente è che nella produzione di massa non è possibile riprodurre le caratteristiche necessarie con sufficiente precisione. Un'istanza è significativamente diversa dall'altra, più o meno allo stesso modo dei transistor: sembra provenire dallo stesso pacchetto, ma il guadagno è diverso per tutti, non è possibile trovare due identici su cento. Una tale dispersione di parametri porta al fatto che quando si sostituisce un termistore, è necessario regolare nuovamente l'apparecchiatura.
Molto spesso, un circuito a ponte viene utilizzato per alimentare convertitori termici a resistenza, in cui il ponte viene bilanciato mediante un potenziometro. Quando la resistenza del termistore cambia a causa della temperatura, il ponte può essere bilanciato solo ruotando il potenziometro.
Uno schema simile con regolazione manuale viene utilizzato come dimostrazione nei laboratori didattici. Il motore del potenziometro ha una scala calibrata direttamente in unità di temperatura. Nei circuiti di misura reali, ovviamente, tutto viene fatto automaticamente.
La prossima parte dell'articolo parlerà dell'uso di termocoppie e termometri ad espansione meccanica - Sensori di temperatura termocoppie
Boris Aladyshkin, electro-it.tomathouse.com
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