Quale sensore di temperatura è migliore, criteri di selezione del sensore

Se è la prima volta che si incontra il problema di scegliere un sensore per misurare la temperatura, scegliere un sensore economico e affidabile può essere un vero problema per te.

Prima di tutto, è necessario scoprire i seguenti dettagli: l'intervallo di temperatura previsto delle misurazioni, l'accuratezza richiesta, se il sensore sarà posizionato all'interno del mezzo (in caso contrario, sarà necessario un termometro a radiazione), le condizioni sono assunte normali o aggressive, è la possibilità di smantellare periodicamente il sensore importante, e infine, è necessario la graduazione è in gradi o è accettabile ricevere un segnale, che verrà quindi convertito in un valore di temperatura.

Non si tratta di domande inutili, che rispondono al consumatore che ha l'opportunità di scegliere da solo un sensore di temperatura più adatto con il quale le sue apparecchiature funzioneranno nel modo migliore. Naturalmente, è impossibile dare una risposta semplice e inequivocabile alla domanda su quale sensore di temperatura sia migliore, la scelta rimane da fare al consumatore, avendo prima familiarizzato con le caratteristiche di ciascun tipo di sensore.

Qui forniremo una breve panoramica dei tre principali tipi di sensori di temperatura (i più comuni): termometro a resistenza, termistore o termocoppia. Nel frattempo, è importante che il consumatore comprenda immediatamente che l'accuratezza dei dati di temperatura ricevuti dipende sia dal sensore che dal convertitore di segnale; sia il sensore primario che il convertitore contribuiscono all'incertezza.

A volte, quando si scelgono i dispositivi, prestano attenzione solo alle caratteristiche del convertitore, dimenticando che sensori diversi forniranno componenti aggiuntivi diversi (a seconda del tipo di sensore selezionato), che dovranno essere presi in considerazione durante la ricezione dei dati.

Termometri a resistenza - se hai bisogno di alta precisione

In questo caso, l'elemento sensibile è un resistore a film o filo, con una nota dipendenza della resistenza dalla temperatura, collocato in un contenitore di ceramica o metallo. I più popolari sono il platino (coefficiente di temperatura elevata), ma vengono utilizzati anche nichel e rame. Intervalli e tolleranze, nonché le dipendenze standard della resistenza sulla temperatura per i termometri a resistenza sono disponibili leggendo GOST 6651-2009.

Il vantaggio di questo tipo di termometri è un ampio intervallo di temperature, elevata stabilità, buona intercambiabilità. Particolarmente resistenti alle vibrazioni, i termometri di resistenza al film di platino, tuttavia, hanno già un campo di lavoro.

Gli elementi sigillati del TS sono prodotti come elementi sensibili separati per i sensori in miniatura, tuttavia, sia i termometri di resistenza che i sensori sono caratterizzati da un meno relativo: richiedono un sistema a tre o quattro fili per il funzionamento, quindi le misurazioni saranno accurate.

Eppure, lo smalto della custodia sigillante dovrebbe essere adatto alle condizioni selezionate in modo che le fluttuazioni di temperatura non portino alla distruzione dello strato di tenuta del sensore. La tolleranza standard dei termometri al platino non è superiore a 0,1 ° C, ma è possibile ottenere una graduazione individuale per una precisione di 0,01 ° C.

I termometri al platino di riferimento (GOST R 51233-98) hanno una precisione maggiore, la loro precisione raggiunge 0,002 ° C, ma devono essere maneggiati con cura, perché non sopportano le scosse. Inoltre, il loro costo è dieci volte superiore rispetto ai termometri a resistenza al platino standard.

Un termometro a resistenza in ferro-rodio è adatto per misurazioni a temperature criogeniche. L'anormale dipendenza dalla temperatura della lega e il basso TCR consentono a tale termometro di funzionare a temperature comprese tra 0,5 K e 500 K e la stabilità a 20 K raggiunge 0,15 mK / anno.

L'elemento strutturalmente sensibile del termometro a resistenza è costituito da quattro pezzi di spirale disposti attorno a un tubo di ossido di alluminio, ricoperti di polvere di ossido di alluminio puro. Le curve sono isolate l'una dall'altra e la spirale stessa è, in linea di principio, a prova di vibrazioni. Sigillatura con smalto o cemento appositamente selezionati a base della stessa allumina. Una gamma tipica per elementi in filo va da -196 ° C a +660 ° C.

La seconda versione dell'elemento (più costosa, utilizzata negli impianti nucleari) è una struttura cava, caratterizzata da un'altissima stabilità dei parametri. Un elemento è avvolto su un cilindro di metallo, la superficie del cilindro è coperta da uno strato di ossido di alluminio. Il cilindro stesso è realizzato con un metallo speciale simile nel coefficiente di dilatazione termica al platino. Il costo dei termometri ad elementi cavi è molto elevato.

La terza opzione è un elemento a film sottile. Un sottile strato di platino (dell'ordine di 0,01 micron) viene applicato al substrato ceramico, che è rivestito con vetro o resina epossidica sulla parte superiore.

Questo è il tipo di elemento più economico per i termometri a resistenza. Dimensioni contenute e peso ridotto: il vantaggio principale di un elemento a film sottile. Tali sensori hanno un'alta resistenza di circa 1 kΩ, che annulla il problema della connessione a due fili. Tuttavia, la stabilità degli elementi sottili è inferiore al filo. Una gamma tipica per gli elementi del film va da -50 ° C a +600 ° C.

Una spirale fatta di filo di platino rivestito di vetro è un'opzione di un termometro a resistenza di filo molto costoso, che è estremamente ben sigillato, resistente all'umidità elevata, ma l'intervallo di temperatura è relativamente stretto.

Termocoppie - per misurare alte temperature

Il principio di funzionamento della termocoppia fu scoperto nel 1822 da Thomas Seebeck, e può essere descritto come segue: nel conduttore di un materiale omogeneo con portatori di carica liberi, quando uno dei contatti di misurazione viene riscaldato, apparirà un emf. O almeno: in un circuito chiuso di materiali diversi, in condizioni di differenza di temperatura tra le giunzioni, si verifica una corrente.

La seconda formulazione fornisce una comprensione più accurata. principio della termocoppia, mentre il primo riflette l'essenza stessa della generazione della termoelettricità e indica i limiti di precisione associati all'eterogeneità termoelettrica: per l'intera lunghezza del termoelettrodo, il fattore decisivo è la presenza di un gradiente di temperatura, quindi l'immersione nel mezzo durante la calibrazione dovrebbe essere la stessa del lavoro futuro posizione del sensore.

Le termocoppie offrono il più ampio intervallo di temperature operative e, soprattutto, hanno la temperatura operativa più elevata di tutti i tipi di sensori di temperatura a contatto. La giunzione può essere messa a terra o portata a stretto contatto con l'oggetto studiato. Semplice, affidabile, durevole: si tratta di un sensore basato su una termocoppia. Intervalli e tolleranze, i parametri termoelettrici delle termocoppie possono essere trovati leggendo GOST R 8.585-2001.

Le termocoppie presentano anche alcuni svantaggi unici:

• l'energia termoelettrica non è lineare, il che crea difficoltà nello sviluppo di convertitori per loro;

• il materiale degli elettrodi necessita di una buona tenuta a causa della loro inerzia chimica, a causa della loro vulnerabilità agli ambienti aggressivi;

• eterogeneità termoelettrica dovuta alla corrosione o ad altri processi chimici, a causa dei quali la composizione cambia leggermente, costringe a cambiare la calibrazione; la grande lunghezza dei conduttori provoca l'effetto dell'antenna e rende la termocoppia vulnerabile ai campi EM;

• La qualità di isolamento del trasmettitore diventa un aspetto molto importante se è richiesta una bassa inerzia da una termocoppia con una giunzione collegata a terra.

Le termocoppie in metallo nobile (PP-platino-rodio-platino, PR-platino-rodio-platino-rodio) sono caratterizzate dalla massima precisione, dalla minore eterogeneità termoelettrica rispetto alle termocoppie dei metalli di base. Queste termocoppie sono resistenti all'ossidazione, quindi hanno un'alta stabilità.

A temperature fino a 50 ° C, forniscono praticamente un'uscita di 0, quindi non è necessario monitorare la temperatura delle giunzioni fredde. Il costo è alto, la sensibilità è bassa - 10 μV / K a 1000 ° C. Disomogeneità a 1100 ° С - nella regione di 0,25 ° С. La contaminazione e l'ossidazione degli elettrodi creano instabilità (il rodio si ossida a temperature da 500 a 900 ° C), e quindi appare ancora una disomogeneità elettrica. Le coppie di metalli puri (platino-palladio, platino-oro) hanno una migliore stabilità.

Le termocoppie ampiamente utilizzate nell'industria sono spesso realizzate con metalli di base. Sono economici e resistenti alle vibrazioni. Particolarmente convenienti sono gli elettrodi sigillati con un cavo con isolamento minerale - possono essere installati in luoghi difficili. Le termocoppie sono altamente sensibili, ma l'eterogeneità termoelettrica è uno svantaggio dei modelli economici: l'errore può raggiungere i 5 ° C.

La calibrazione periodica delle apparecchiature in laboratorio è inutile; è più utile controllare la termocoppia nel luogo di installazione. Le coppie più termoelettricamente disomogenee sono nisil / nichrosil. Il principale componente dell'incertezza sta prendendo in considerazione la temperatura della giunzione fredda.

Le alte temperature dell'ordine di 2500 ° C sono misurate da termocoppie di tungsteno-renio. È importante qui eliminare i fattori ossidativi, per i quali ricorrono a speciali coperture sigillate con gas inerte, nonché a coperture di molibdeno e tantalio con isolamento con ossido di magnesio e ossido di berillio. E, naturalmente, il più importante campo di applicazione del tungsteno-renio sono le termocoppie per l'energia nucleare in condizioni di flusso di neutroni.

Per le termocoppie, ovviamente, non sarà richiesto un sistema a tre o quattro fili, ma sarà necessario utilizzare fili di compensazione e prolunga, che consentiranno di trasmettere il segnale a 100 metri all'apparecchiatura di misurazione con errori minimi.

I fili di prolunga sono realizzati con lo stesso metallo della termocoppia, mentre i fili di compensazione (rame) vengono utilizzati per le termocoppie di metalli preziosi (per il platino). I cavi di compensazione diventeranno una fonte di incertezza dell'ordine di 1-2 ° C con una grande differenza di temperatura, tuttavia, esiste uno standard IEC 60584-3 per i cavi di compensazione.

Termistori - per piccoli intervalli di temperatura e applicazioni speciali

termistori Sono peculiari termometri a resistenza, ma non a filo, ma sinterizzati sotto forma di strutture multifase, basate su ossidi di metalli di transizione misti. Il loro vantaggio principale sono le dimensioni ridotte, una varietà di forme diverse, bassa inerzia, basso costo.

I termistori sono disponibili con coefficiente di temperatura negativo (NTC) o positivo (PTC). I più comuni NTC e RTS sono utilizzati per intervalli di temperatura molto stretti (unità di gradi) nei sistemi di monitoraggio e allarme. La migliore stabilità dei termistori è nell'intervallo da 0 a 100 ° C.

I termistori sono in forma di disco (fino a 18 mm), tallone (fino a 1 mm), film (spessore fino a 0,01 mm), cilindrico (fino a 40 mm). I piccoli sensori a termistore consentono ai ricercatori di misurare la temperatura anche all'interno di cellule e vasi sanguigni.

I termistori sono principalmente richiesti per misurare basse temperature a causa della loro insensibilità relativa ai campi magnetici. Alcuni tipi di termistori hanno temperature di esercizio fino a meno 100 ° C.

Fondamentalmente, i termistori sono strutture multifase complesse sinterizzate a una temperatura di circa 1200 ° C in aria da nitrati granulari e ossidi metallici. I più stabili a temperature inferiori a 250 ° C sono i termistori NTC costituiti da ossidi di nichel e magnesio o nichel, magnesio e cobalto.

La conduttività specifica di un termistore dipende dalla sua composizione chimica, dal grado di ossidazione, dalla presenza di additivi sotto forma di metalli come sodio o litio.

Piccoli termistori di perle vengono applicati a due terminali in platino, quindi rivestiti con vetro.Per i termistori a disco, i cavi sono saldati al rivestimento in platino del disco.

La resistenza dei termistori è superiore a quella dei termometri a resistenza, di solito si trova nell'intervallo da 1 a 30 kOhm, quindi qui è adatto un sistema a due fili. La dipendenza dalla temperatura della resistenza è prossima all'esponenziale.

I termistori a disco sono intercambiabili al meglio per un intervallo da 0 a 70 ° C entro un errore di 0,05 ° C. Perlina: richiede la calibrazione individuale del trasduttore per ciascuna istanza. I termistori sono graduati in termostati liquidi, confrontando i loro parametri con un termometro a resistenza al platino ideale con incrementi di 20 ° C nell'intervallo da 0 a 100 ° C. Pertanto, si ottiene un errore non superiore a 5 mK.