Principii de funcționare

1. Prezentare

Puteţi alege dintr-o varietate de senzori pentru a transforma fenomenul temperatură întrun semnal măsurabil. Trei varietăţi de senzori comuni sunt termocuplu, RTD şi termistor. Fiecare dintre ei are propriile principii de operare, beneficii, consideraţii şi dezavantaje.

In plus la caracteristicile senzorilor înşişi—gama de operare, sensibilitatea, linearitatea, timpul de răspuns ş.a.m.d.—trebuie luate în considerare cerinţele fiecărui tip de senzor impuse de hardware-ul de măsurare. De exemplu, termocuplele nu necesită curent de excitaţie (ca termistoarele) dar necesită compensarea joncţiunii reci, care este disponibilă numai în unele sisteme hardware de măsurare. Pentru o mai bună familiarizare cu hardware de măsurare necesar pentru măsurarea temperaturii, încărcaţi Engineer's Guide to Accurate Sensor Measurements.

Tabelul 1 furnizează o comparaţie de înalt nivel al acestor tipuri de senzori de temperatură:

Tabelul 1: Avantajele şi dezavantajele tipurilor de senzori de temperatură

2. Paşi pentru selectarea unui senzor de temperatură

1. Înţelegeţi perfect aplicaţia şi cerinţele de măsurare.

   • Cât de repede se va schimba temperatura? Determinaţi un timp de răspuns adecvat.

   • Cât este de lungă implementarea/la ce preţ va fi senzorul în stare de funcţionare? Selectaţi un tip de senzor destul de durabil pentru a reduce mentenanţa.

   • Cât de mare acurateţe este cerută? Consideraţi impactul acurateţei senzorului pe întreaga acurateţe a măsurării.

2. Determinaţi gamele de temperatură pe care trebuie să le măsuraţi.

   • Selectaţi un tip de senzor care operează dincolo de gama maximă a temperaturilor posibile.

   • Consideraţi linearitatea fiecărui tip care îndeplineşte cerinţele de gamă; selectaţi tipul cu cel mai liniar răspuns pe gama de interes pentru îmbunătăţirea acurateţei conversiei tensiune-sau rezistenţă-la-temperatură.

3. Luaţi în considerare mediul în care montaţi senzorii.

   • Alegeţi un material de acoperire potrivit pentru a reziste oricărei expuneri chimice.

   • Determinaţi dacă necesită izolare pentru a preveni buclele de masă/zgomotul.

   • Asigurați-vă că senzorii dvs. sunt evaluați pentru a rezista vibrațiilor sau abraziunii, dacă îi expuneți la acestea.

4. Luați în considerare cum sunt montați senzorii și selectați un stil de montare adecvat pentru a maximiza contactul termic.

5. Selectați hardware de măsurare necesar pentru condiționare, achiziționare, analiză și afișare/salvare a semnalelor de temperatură. Invățați mai multe în Engineer's Guide to Accurate Sensor Measurements.

3. Caracteristicile senzorului de temperatură

Utilizați caracteristicile următoare pentru a defini capabilitățile și performanța senzorului de temperatură. Acestea se aplică la toate tipurile de senzori de temperatură dar cu unele prudențe și cazuri de colț. Când selectați un senzor, înțelegeți impactul fiecărei caracteristici asupra măsurătorilor și asigurați-vă să selectați un senzor care se aliniază foarte aproape de cerințele proiectului vostru.

Gama de temperatură

Gama de temperatură a unui senzor definește temperaturile la care senzorul este evaluat să funcționeze în siguranță și oferă măsurători exacte. Fiecare tip de termocuplu are un interval de temperatură specificat, bazat pe proprietățile metalelor folosite la crearea respectivului termocuplu. RTD oferă o gamă mai mică de temperatură în schimbul unei liniare și acuratețe mai bune, iar termistorii oferă cele mai scăzute temperaturi, dar o sensibilitate excelentă. Cunoașterea gamei maxime de temperaturi la care se expune senzorul dvs. poate ajuta la prevenirea deteriorării senzorului, asigurând în același timp o mai bună măsurare.

Linearitatea

Un senzor ideal ar avea un răspuns perfect liniar: o schimbare de temperatură a unității ar duce la o schimbare a unității de tensiune în întreaga gamă de temperatură a senzorului. În realitate, totuși, niciun senzor nu este perfect liniar. Figura 1 oferă o idee despre răspunsul temperatură-tensiune al celor trei senzori pe care le examinează această lucrare.

Sensibilitatea

Sensibilitatea unui senzor dat indică schimbarea procentuală a puterii măsurate pentru o anumită modificare a temperaturii. Un senzor mai sensibil, ca un termistor, poate detecta cu ușurință modificări mici ale temperaturii decât un senzor mai puțin sensibil, cum ar fi termocuplul. Această sensibilitate, totuși, se face în detrimentul liniarității. Acesta poate fi un factor important în determinarea alegerii ideale a senzorului pentru temperaturile pe care le măsurați. Dacă intenționați să captați schimbări de fracții de grade pe un interval mic de temperatură, un termistor sau un RTD este mai ideal. Pentru a capta schimbări de temperatură mai mari într-o gamă mai largă de temperaturi, poate fi suficient un termocuplu. Figura 2 oferă o imagine relativă a tensiunii.

Figura 2: Sensibilitatea tipurilor variate de senzori de temperatură.

Timpul de răspuns

Timpul de răspuns reprezintă măsura de timp pe care un senzor o ia pentru a răspunde la o modificare a temperaturii. Mulți factori pot determina creșterea sau scăderea timpilor de răspuns. Un RTD mai mare sau un termistor, de exemplu, are un timp de răspuns mai lent decât cel mai mic. În schimbul acestui dezavantaj și al manevrării termice mai slabe, un RTD mai mare sau un termistor este mai puțin susceptibil de erori de auto-încălzire. În mod similar, joncțiunile de termocuple neîmpământate asigură un timp de răspuns mai lent în schimbul izolației electrice. Figura 3 prezintă diferența relativă a timpilor de răspuns pentru termocuple neîmpământate și împământate.

Figura 3: Timpul de răspuns al termocuplelor împământate versus neîmpământate

Stabilitatea

Stabilitatea unui senzor de temperatură este o indicație a capacității sale de a menține o producție consistentă la o temperatură dată. Materialul joacă un rol-cheie în stabilitatea unui senzor dat. RTD-urile sunt adesea construite din platină pentru acest motiv, precum și pentru a asigura reactivitate scăzută. Substratul la care este legată platina, cu toate acestea, se poate deforma sub expunere prelungită la temperaturi ridicate, ceea ce poate provoca tulpina suplimentară și neașteptată care conduce la o schimbare a rezistenței măsurate.

Acurateţea

Ca și în cazul oricărei aplicații de măsurare, înțelegerea necesităților dvs. de acuratețe este esențială pentru asigurarea unor rezultate fiabile. Selecția senzorilor și a echipamentelor de măsurare joacă un rol semnificativ în precizia absolută a măsurătorilor, dar detalii mai mici, cum ar fi cablarea, apropierea relativă de alte echipamente, ecranarea, împământarea și așa mai departe, pot afecta și acuratețea. Când selectați un senzor, rețineți toleranțele specificate și eventualii factori care ar putea influența această specificație (de exemplu expunerea prelungită la temperaturi ridicate). De asemenea, aveți grijă să selectați un senzor și un dispozitiv de măsurare cu acuratețe similară. Un RTD cu toleranță redusă vine la un cost mai mare, dar este posibil să nu obțineți precizia suplimentară dacă utilizați un dispozitiv de măsurare de calitate scăzută.

Durabilitatea

Pentru a vă asigura că senzorii dvs. de temperatură rămân operațional pe toată durata aplicației, trebuie să înțelegeți mediul în care le desfășurați. Unii senzori (termocuple, de exemplu) sunt în mod inerent mai rezistenți datorită construcției lor. Metalele selectate pentru un anumit termocuplu au totuși rezistențe diferite la coroziune. Mai mult, un senzor încapsulat într-o manta de izolare minerală și un metal protector este mai rezistent la uzură și coroziune în timp, dar costă mai mult și oferă o sensibilitate mai mică. De asemenea, trebuie să aveți în vedere faptul că configurațiile diferite ale senzorilor pot avea cerințe speciale de montare pentru a asigura o conexiune fizică și termică solidă.

Cost

Ca și în cazul oricărui aspect al unui proiect, costul poate fi un factor limitator cheie. În aplicațiile cu număr mare de canale, de exemplu, beneficiile de liniaritate ale RTD pot fi depășite de creșterea relativă a costurilor față de termocuple. De asemenea, trebuie să luați în considerare costul suplimentar al cablării, montajului și condiționării semnalului atunci când luați în considerare costul total al sistemului.

Cerinţele de condiţionare a semnalului

Fiecare tip de senzor de temperatură necesită un anumit nivel de condiționare a semnalului pentru a obține și digitiza în mod adecvat semnalul măsurat pentru procesare. Hardware-ul de măsurare selectat poate fi la fel de important în asigurarea măsurătorilor exacte ca și senzorul și poate atenua sau exacerba deficiențele fiecărui tip de senzor. Aceste caracteristici de condiționare a semnalului includ următoarele:

• Amplificarea

• Compensarea joncțiunii reci (numai termocuple)

• Filtrarea

• Excitați (numai RTD-uri și termistoare)

• Ajustarea erorii de offset

• Scalarea la unități de temperatură

• Corecția rezistenței legăturilor

• Izolare canal-la-canal

• Detectare termocuplu deschis (numai termocuple)

Pentru a afla mai multe despre aceste considerații și despre alte aspecte legate de hardware pentru măsurători de temperatură, descărcați Ghidul inginerului pentru măsurători precise ale senzorilor.

4. Următorii paşi

Pentru specificații privind teoria funcționării și variațiile fiecărui tip de senzor, consultați secțiunile de mai jos:

• Mai multe despre termocuple

• Mai multe despre RTD-uri

• Mai multe despre termistoare

5. Referinţe

http://www.omega.co.uk/temperature/Z/pdf/z019-020.pdf

http://www.engineeringtoolbox.com/temperature-sensors-d_448.html

http://www.itsirl.com/admin/pdfmanual/1420797923pt100acc.pdf