Температурата е един от най-важните физически параметри в промишленото производство, гражданското строителство, мониторинга на околната среда, енергийните системи, селското стопанство и ежедневието. От домакински термометри и хладилници до бетонни язовири, мостове, резервоари за вода, силози за зърно и електроцентрали, температурните сензори помагат на хората да разберат дали даден материал, структура, машина или среда работят в безопасни и стабилни граници.
Температурният сензор е устройство, използвано за откриване на топлина или студ и преобразуване на тази информация в четим сигнал. В зависимост от принципа на отчитане, този сигнал може да се генерира чрез промяна на съпротивлението, промяна на напрежението, промяна на честотата, топлинно излъчване или механично движение. След преобразуване и обработка стойността на температурата може да се покаже на индикатор, да се предаде на регистратор на данни или да се интегрира в платформа за мониторинг.
В много инженерни приложения измерването на температурата не се използва само за просто наблюдение. Той също така е тясно свързан с оценката на безопасността, структурния мониторинг на здравето, контрола на процесите, проверката на качеството и дългосрочната поддръжка. Например в бетонни конструкции температурните сензори могат да помогнат за наблюдение на топлината на хидратация и термичния стрес. Във водни резервоари и сондажи те могат да измерват температурните промени на водата. В системите за съхранение на зърно многоточковите температурни сензори могат да помогнат за откриване на необичайно нагряване вътре в съхраняваното зърно и да осигурят ранно предупреждение, преди да настъпи разваляне.
Какво е температурен сензор?
Температурният сензор е инструмент, който измерва степента на горещина или студеност на обект, материал, повърхност, течност, газ или среда. В повечето индустриални и инженерни приложения сензорът не просто показва температурата директно като традиционния стъклен термометър. Вместо това, той преобразува температурните промени в електрически или измерим сигнал, който може да бъде прочетен, записан, предаден и анализиран.
Обичайните температурни сензори включват термодвойки, съпротивителни температурни детектори, термистори, полупроводникови температурни сензори, термостати, вибриращи жични температурни сензори и безконтактни инфрачервени сензори. Всеки тип има собствен принцип на измерване, температурен диапазон, ниво на точност, скорост на реакция, метод на инсталиране и подходяща среда за приложение.
Термометърът може да се счита за една от най-простите форми на инструменти за измерване на температура. В съвременните системи за мониторинг обаче температурните сензори обикновено са свързани към модули за отчитане, регистратори на данни, PLC системи, RTU устройства, комуникационни мрежи Modbus или облачни платформи. Това прави възможен непрекъснат мониторинг на температурата, особено в големи структури или индустриални обекти, където ръчното измерване е трудно.
В геотехническия и структурен мониторинг температурните сензори често се използват в бетонни язовири, мостове, тунели, основи, почва, скали, железопътни релси, водни обекти и големи граждански конструкции. Тези сензори предоставят ценни данни за оценка на сезонните температурни промени, термично разширение, свиване, просмукване, движение на подпочвените води и структурно поведение във времето.
При съхранение на зърно и селскостопански приложения температурните сензори обикновено се инсталират в купчини зърно, плоски складове, стоманени силози, бетонни силози и резервоари за съхранение. Чрез подреждане на множество точки за измерване на температурата вертикално или в решетка, операторите могат да наблюдават разпределението на вътрешната температура и да идентифицират рано скритите зони на отопление.
Какво прави температурен сензор?
Основната функция на температурния сензор е да отчита температурата и да я преобразува в измерим изход. Този изход може да бъде електрическо съпротивление, напрежение, ток, цифрови данни, честота или друга форма на сигнал. След обработка сигналът се превръща в четлива температурна стойност, обикновено показвана в Целзий, Фаренхайт или Келвин.
При много типове сензори промяната на температурата влияе директно върху електрическото свойство. Например, в сензорите, базирани на съпротивление, съпротивлението се променя с промяната на температурата. При термодвойките напрежението се генерира, когато два различни метала са изложени на температурна разлика. В полупроводниковите сензори характеристиките на напрежението и тока на полупроводниковите преходи варират в зависимост от температурата. При вибриращи телени температурни сензори температурните вариации променят напрежението на жицата, което след това променя нейната естествена честота на вибрации.
Температурните сензори се използват за предоставяне на данни в реално време, откриване на необичайни температурни промени, поддържане на автоматично управление и защита на оборудването или конструкциите от повреда. В промишлени системи те могат да задействат аларми, да управляват нагреватели, да активират охладителни системи или да изпращат данни до софтуер за наблюдение. В структурното инженерство те помагат на инженерите да разберат как температурата влияе върху напрежението, деформацията и дългосрочната работа.
Например, когато наблюдавате бетонен язовир, температурни сензори могат да бъдат вградени на различни дълбочини и позиции, за да проследяват вътрешната температура на масовия бетон. Тази информация е важна, тъй като температурните промени могат да създадат топлинен стрес, който може да доведе до напукване или деформация. По същия начин в силозите за зърно температурните сензори помагат за откриване на горещи точки, причинени от влага, дейност на насекоми, растеж на мухъл или лоша вентилация.
Основни функции на температурните сензори
Температурните сензори изпълняват няколко важни функции в зависимост от приложението. Най-основната функция е измерване на температурата, но в инженерните системи тяхната роля често е по-широка.
Първо, те осигуряват непрекъснат мониторинг. Вместо да разчитат на случайни ръчни показания, сензорите могат да събират данни за температурата на редовни интервали. Това е особено важно в големи структури, системи за съхранение и индустриални среди, където температурните промени могат да настъпят бавно, но да имат сериозни последствия.
Второ, те помагат за ранно предупреждение. Когато температурата превиши предварително зададен праг, системата може да задейства аларма. При съхранение на зърно това може да предупреди операторите за възможно нагряване на зърното. В електроцентрали или промишлено оборудване може да предотврати прегряване. При втвърдяване на бетон може да помогне за избягване на температурни разлики, които могат да причинят пукнатини.
Трето, температурните сензори поддържат анализ на данни. Дългосрочните температурни записи позволяват на инженерите да изучават сезонните вариации, хидратационната топлина, движението на подпочвените води, топлинния стрес и тенденциите в работата на оборудването.
Четвърто, температурните сензори могат да бъдат интегрирани със системи за управление. Когато са свързани към контролери, PLC, RTU или софтуерни платформи, те могат да помогнат за регулиране на процесите на отопление, охлаждане, вентилация, охлаждане или сушене.
Контактни и безконтактни температурни сензори
Температурните сензори често се разделят на две основни категории: контактни температурни сензори и безконтактни температурни сензори.
Контактните температурни сензори трябва да докосват измервания обект, повърхност, течност, газ или материал. Термодвойки, термистори, RTD, термостати и много сензори от тип сонда принадлежат към тази категория. Тези сензори се използват широко, защото могат да осигурят директно и стабилно измерване в много среди. Подходящи са за твърди вещества, течности, газове, бетон, почва, вода, стоманени повърхности, складирано зърно и промишлено оборудване.
Безконтактните температурни сензори не трябва да докосват целта. Вместо това те измерват топлинното излъчване, излъчвано от обекта. Често срещан пример са инфрачервените температурни сензори. Безконтактните сензори са полезни, когато обектът се движи, изключително горещ, електрически опасен, труднодостъпен или се намира в опасна среда. Те често се използват в електроцентрали, високотемпературни промишлени процеси, електрически инспекции и мониторинг на безопасността.
И двата вида имат предимства. Контактните сензори обикновено осигуряват по-добра точност за вградено или вътрешно измерване на температурата, докато безконтактните сензори са по-удобни за дистанционно или повърхностно измерване. Най-добрият избор зависи от целта на измерване, средата на инсталиране, изискваната точност, температурния диапазон, времето за реакция и условията на поддръжка.
Как работи сензорът за температура?
Различните температурни сензори работят според различни физически принципи, но общата идея е една и съща: температурната промяна предизвиква предвидима промяна в сензора и тази промяна се преобразува в четлив сигнал.
При диодно или полупроводниково базирано температурно отчитане, температурата влияе върху напрежението в кръстовището. При промяна на температурата електрическото поведение на диода се променя. Системата измерва тази промяна и я преобразува в температурна стойност.
В сензори, базирани на съпротивление, като RTD и термистори, температурата влияе върху електрическото съпротивление. RTD обикновено увеличава съпротивлението по стабилен и почти линеен начин с повишаване на температурата. Термисторът може да има много по-силна промяна на съпротивлението, особено NTC термистор, чието съпротивление намалява бързо, когато температурата се повишава.
В термодвойките два различни метала са свързани заедно. Когато измервателният преход се нагрява или охлажда спрямо еталонния преход, се генерира малко напрежение. Това напрежение е свързано с температурата и може да се преобразува в показание за температура.
При вибрационните телени температурни сензори принципът на отчитане се основава на напрежение и честота. Сензорът съдържа жица с висока якост, фиксирана към материали с различни коефициенти на топлинно разширение. Когато температурата се промени, разликата в разширението променя напрежението в жицата. Това променя естествената честота на вибрациите, която може да бъде измерена с устройство за отчитане.
Честотната връзка може да се изрази като:
f=1/2 [σg/ρ] / 2l Hz
където:
σ=напрежение на жицата
g=ускорение поради гравитация
ρ=плътност на жицата
l=дължина на проводника
Тъй като честотният сигнал е стабилен и подходящ за предаване на дълги разстояния, температурните сензори с вибриращ проводник често се използват в гражданското строителство и геотехническото наблюдение.
Често срещани типове температурни сензори
Температурните сензори се предлагат в много форми, структури, материали и изходни форми. По-долу са някои от най-често срещаните типове, използвани в индустриални, търговски и инженерни приложения.
1. Термостати
Термостатът е устройство за измерване на температура от контактен тип. Обикновено се използва за контролиране на температурата чрез отваряне или затваряне на електрическа верига, когато се достигне определена температура.
Общата структура на термостата използва биметална лента, направена от два различни метала, като алуминий, мед, никел или волфрам. Тези метали се разширяват с различна скорост при нагряване. Поради тази разлика в линейното разширение, лентата се огъва при промяна на температурата. Това движение на огъване може да се използва за създаване или прекъсване на електрически контакт.
Термостатите се използват широко в домакински уреди, отоплителни системи, охладителни системи, бойлери, фурни и прости промишлени контролни устройства. Те обикновено не са предназначени за измерване с висока точност, но са практични, евтини и надеждни за превключване и управление.
2. Термистори
Термисторът е термично чувствителен резистор. Съпротивлението му се променя значително при промяна на температурата. Термисторите обикновено се правят от керамични материали, като оксиди на никел, манган или кобалт, и често са покрити или капсуловани за защита.
Термисторите са чувствителни и могат да открият малки температурни промени. Това ги прави подходящи за приложения, където са необходими бърза реакция и висока чувствителност. Въпреки това, тяхната връзка съпротивление-температура обикновено е нелинейна, така че често се изисква компенсация или линеаризация.
Има два основни вида термистори: NTC термистори и PTC термистори.
NTC термисторът има отрицателен температурен коефициент, което означава, че съпротивлението му намалява с повишаване на температурата. NTC термисторите са много често срещани при измерване на температурата, температурна компенсация, батерии, HVAC системи, медицински устройства и мониторинг на околната среда.
PTC термисторът има положителен температурен коефициент, което означава, че съпротивлението му се увеличава с повишаване на температурата. PTC термисторите често се използват за защита от свръхток, саморегулиращи се нагреватели и приложения за ограничаване на температурата.
3. Термистор с отрицателен температурен коефициент
NTC термисторът е един от най-чувствителните температурни сензори. При ниска температура осигурява висока устойчивост. Когато температурата се повиши, устойчивостта му бързо пада. Тъй като промяната на съпротивлението на градус Целзий е голяма, дори малка температурна промяна може да бъде отчетена ясно.
NTC термисторите обикновено работят в температурен диапазон от -50 градуса до 250 градуса. Тяхната реакция е бърза и те са полезни в приложения, при които малките температурни промени трябва да бъдат измерени точно. Въпреки това, тъй като тяхната изходна крива е експоненциална, а не линейна, е необходимо допълнително изчисление или компенсация на веригата, за да се преобразува стойността на съпротивлението в точно отчитане на температурата.
NTC термисторите се използват широко в електронни устройства, температурна защита на батерията, климатични системи, температурни сонди, лабораторни инструменти и измерване на повърхностна температура.
4. Резистивни температурни детектори
Резистивен температурен детектор или RTD е прецизен температурен сензор, базиран на връзката между температура и електрическо съпротивление. RTD обикновено се правят от проводими метали с висока чистота като платина, мед или никел. Платиновите RTD са особено разпространени, защото предлагат отлична стабилност, повторяемост и точност.
С повишаване на температурата съпротивлението на RTD се променя по предвидим начин. В сравнение с термисторите, RTD обикновено имат по-добра линейност и дългосрочна стабилност. В сравнение с термодвойките, RTD като цяло осигуряват по-висока точност, особено при умерени температурни диапазони.
Често срещан тип RTD е Pt100, което означава, че сензорът има съпротивление от 100 ома при 0 градуса. RTD сензорите се използват широко в контрол на процеси, лабораторни измервания, промишлено оборудване, ОВК системи, енергийни системи и мониторинг на гражданското строителство.
RTD често се предпочитат, когато точността, повторяемостта и стабилността са по-важни от изключително широкия температурен диапазон или много ниската цена.
5. Термодвойки
Термодвойка е един от най-широко използваните температурни сензори, тъй като е прост, издръжлив, надежден, чувствителен и подходящ за широк температурен диапазон. Състои се от два различни метални проводника, свързани в единия край. Този съединен край се нарича измервателна връзка или гореща връзка.
Когато горещият преход изпитва температура, различна от референтния край, наричан още студен преход, се генерира малко напрежение. Това напрежение е свързано с температурната разлика между двата кръстовища. След това показание на термодвойка или предавател преобразува напрежението в стойност на температурата.
Термодвойките могат да бъдат направени от различни метални комбинации. Например, термодвойка тип Т използва мед и константан. Термодвойките се използват широко в пещи, двигатели, мониторинг на бетон, пещи, химически заводи, обработка на храни, лабораторно оборудване и много други индустриални приложения.
Едно важно предимство на термодвойките е, че те могат да работят в тежки среди и приложения с висока температура. Въпреки това, те обикновено изискват компенсация на студения преход и като цяло са по-малко точни от RTD.
6. Температурни сензори на базата на полупроводници
Базираните на полупроводници температурни сензори използват интегрални схеми за измерване на температурата. Те обикновено съдържат полупроводникови преходи или диодни структури, чиито характеристики на напрежение и ток се променят с температурата.
Тези сензори могат да осигурят сравнително линеен изход и са лесни за интегриране в електронни схеми. Те обикновено се използват в потребителска електроника, компютърни системи, управление на батерии, мониторинг на печатни платки и компактни цифрови устройства.
Полупроводниковите температурни сензори обаче обикновено имат по-тесен работен диапазон в сравнение с термодвойките. Типичен диапазон, споменат за този тип, е от -70 градуса до 150 градуса. Тяхната точност обикновено е около 1 градус до 5 градуса, а времето им за реакция може да варира от 5 секунди до 60 секунди. Поради тези ограничения, те са по-подходящи за електроника и контролни приложения, отколкото за тежки и високотемпературни индустриални среди.
7. Вибриращи телени температурни сензори
Сензорът за температура от вибриращ проводник обикновено се използва в геотехнически и структурен мониторинг на здравето. Работи на принципа, че промяната на температурата създава промяна на напрежението в опънат проводник. Жицата е фиксирана към материали с различни свойства на топлинно разширение. Когато температурата се промени, напрежението в жицата се променя и това променя естествената й честота на вибрация.
След това измерената честота се предава към устройство за четене или регистратор на данни. Тъй като честотните сигнали са стабилни и по-малко засегнати от съпротивлението на кабела на дълги разстояния, сензорите за температура с вибриращ проводник са полезни за дългосрочно наблюдение на бетонни конструкции, язовири, основи, тунели и инженерни проекти, свързани с водата.
Типичен вибриращ сензор за температура може да се използва за измерване на вътрешната температура на бетонни конструкции или вода. Един общ пример за спецификация е температурен диапазон от -20 градуса до 80 градуса и разделителна способност, по-добра от 0,1 градуса. Може да се използва тип сензор Pt100 със стандартна точност от ±0,5% пълна скала и опционална точност от ±0,1% пълна скала. Типичен пример за размери е 34 mm диаметър на 168 mm дължина.
8. Термисторни сонди за съпротивление
Термисторната сонда за съпротивление е водоустойчива температурна сонда с ниска маса, проектирана за бърза реакция. Може да се използва за измерване на температура в бетон, стоманени повърхности и подводна среда. Поради ниската си топлинна маса, той реагира бързо на температурни промени.
Типична съпротивителна термисторна сонда може да използва NTC термистор, съответстващ на RT крива, еквивалентен на YSI 44005. Диапазонът на измерване може да бъде от -20 градуса до 80 градуса, с точност от 1 градус. Материалът на корпуса може да е калайдирана мед, а кабелът може да бъде 4-жилен кабел с PVC обвивка.
Сондата може да бъде епоксидно капсулована в медна тръба, за да се подобри топлинната реакция и да се защити чувствителният елемент. Плосък връх позволява сондата да бъде прикрепена към сравнително плоски метални или бетонни повърхности. Може да се фиксира с помощта на двукомпонентно епоксидно лепило или да се завинти към повърхността, когато е необходимо.
Такива сонди са подходящи за измерване на повърхностна температура, мониторинг на вграден бетон и измерване на температура под вода. Напълно сменяемите сонди позволяват на един индикатор да работи с множество сонди без индивидуално повторно калибриране, като показанията не се различават с повече от 1 градус в определения работен температурен диапазон.
9. RTD температурни сонди
Температурната сонда RTD използва съпротивителен елемент, обикновено Pt100, разположен вътре в защитна тръба. Типична RTD сонда може да използва керамичен съпротивителен елемент с DIN IEC 751 калибриране на европейската крива. Съпротивителният елемент е монтиран в затворена тръба от неръждаема стомана, за да се предпази от влага и механични повреди.
RTD сондите работят на принципа, че съпротивлението на сензора е функция на температурата. Платинените RTD осигуряват отлична точност, линейност, стабилност и повторяемост. Това ги прави подходящи за приложения, където се изисква прецизно и надеждно измерване на температурата.
Типична спецификация на температурна сонда RTD може да включва:
Тип сензор: Pt100
Диапазон: -20 градуса до 80 градуса
Точност: ±(0.3 + 0.005 × t) степен
Калибриране: DIN IEC 751
Европейска крива: 0,00385 ома/ом/градус
Размер: 8 mm диаметър × 135 mm дължина
Кабел: 3-жилен екраниран кабел
Трижилното окабеляване помага за компенсиране на съпротивлението на оловото и температурните промени в кабела. Това подобрява точността на измерване, особено когато сензорът е разположен далеч от отчитащото устройство.
10. Сензори за температура с термодвойка T-тип
Термодвойка тип Т, известна още като термодвойка мед-константан, се използва за измерване на вътрешна температура в бетонни конструкции и други инженерни приложения. Състои се от два различни метала, свързани в единия край. Когато преходът се нагрява или охлажда, се произвежда напрежение. Това напрежение може да се свърже обратно с температурата.
Измервателният край или горещата връзка е запечатан срещу корозия и се поставя на необходимото място за измерване. Другият край се свързва към конектор за термодвойка и образува студения възел. Подходящо показание на термодвойка може да показва директно температурата и автоматично да компенсира температурата на студения преход.
Типична спецификация на термодвойка тип T може да включва:
Тип проводник: Т-тип медно-константан
Изолация на проводника: PFA тефлон
Температура на горещо съединение: максимум до 260 градуса
Тип конектор: миниатюрен найлон със стъкло
Работна температура: -20 градуса до 100 градуса
Температура на студения преход: околна
T-тип термодвойки често се използват, когато е необходим прост, издръжлив и надежден температурен сензор.
Приложения на температурни сензори
Температурните сензори се използват в широк спектър от индустрии и среди. Приложенията им варират от просто показване на температурата до сложни системи за наблюдение и управление.
В гражданското инженерство температурните сензори се използват за проверка на проектните допускания и подпомагане на по-безопасно и по-икономично строителство. Инженерите могат да сравняват действителните данни за температурата на място с очакванията на проекта, за да подобрят строителните методи и дългосрочната оценка на безопасността.
При втвърдяване на бетон температурните сензори измерват топлината, генерирана по време на процеса на хидратация. Бетонът се нуждае от подходяща температурна среда, за да се втвърди и втвърди правилно. Ако температурата се повиши твърде много или се промени твърде бързо, може да възникне вътрешно напрежение и напукване. Наблюдението на температурата помага на инженерите да контролират условията на втвърдяване и да намалят риска.
В масивни бетонни конструкции като язовири, температурните сензори помагат за наблюдение на разпределението на вътрешната температура. Тъй като промяната на температурата е една от основните причини за напрежение в масовия бетон, точните данни за температурата са важни за анализа на топлинния стрес и контрола на изкуственото охлаждане.
При операции по замразяване на скали, почва и почва температурните сензори могат да измерват температурата в близост до резервоари за съхранение на течен газ или зони на замръзване. Това помага да се наблюдава поведението на земята и да се поддържа безопасността по време на строителство или съхранение.
В проекти, свързани с водата, температурните сензори се използват в резервоари, сондажи, мониторинг на просмукване и проучвания на подпочвените води. Температурните вариации могат да предоставят полезна информация за движението на водата, пътищата на просмукване и сезонните промени в околната среда.
В язовирите температурните сензори могат да помогнат при интерпретирането на напрежението и промените в обема, причинени от термично разширение и свиване. Сезонните и дневните температурни промени могат да повлияят по-значително на долната страна на язовира, така че сензорите често се инсталират близо или вътре в долната стена.
В промишлените предприятия сензорите се използват за защита на оборудването, контрол на процеси, отоплителни системи, охладителни системи и мониторинг на безопасността. Данните за температурата могат да бъдат свързани към аларми, контролери и системи за автоматизация.
При съхранение на зърно температурните сензори са от съществено значение за наблюдение на състоянието на зърното. Съхраненото зърно може да генерира топлина поради влага, насекоми, мухъл, лоша вентилация или биологична активност. Многоточковите температурни кабели, инсталирани в купчини зърно, плоски складове, стоманени силози и бетонни силози, могат непрекъснато да наблюдават температурата на различни дълбочини и позиции. Това помага на операторите да идентифицират необичайно нагряване рано и да предприемат навреме мерки за вентилация, обръщане, сушене или проверка.
Температурни сензори в мониторинга на бетонни язовирни стени
Бетонните язовири са силно засегнати от температурните промени. По време на строителството и експлоатацията температурните разлики могат да причинят разширение, свиване и топлинен стрес. Ако тези напрежения не се контролират, те могат да допринесат за напукване или структурни проблеми.
По време на изграждането на язовир е важно да се измерва температурата в много точки вътре в бетона, в околния въздух и във водата. Вградените сензори осигуряват ясна картина на разпределението на температурата в цялата структура.
За голям бетонен язовир типичното оформление може да постави една температурна сонда на всеки 15 до 20 метра по напречното сечение и на всеки 10 метра по надморската височина. За по-малки язовири разстоянието може да бъде намалено в зависимост от изискванията на проекта.
Температурна сонда, поставена на стената нагоре по течението на язовир, може да помогне за оценка на температурата на резервоара през цялата година. Този метод е много по-удобен от многократното ръчно спускане на термометър в резервоара.
По време на експлоатацията на язовира дневните и сезонните промени в температурата на околната среда могат да създадат значителни топлинни колебания. Страната надолу по течението често е по-засегната от бързите дневни и седмични температурни промени. Следователно сензорите обикновено се поставят близо до и вътре в стената надолу по течението, за да наблюдават тези вариации.
Температурен сензор срещу температурен трансмитер
Температурният сензор и температурният трансмитер са свързани, но не са едно и също устройство.
Температурен сензор отчита температурата. Може да е термодвойка, RTD, термистор, полупроводников сензор или друг чувствителен елемент. Неговата задача е да реагира на температурни промени и да генерира сигнал.
Температурен трансмитер получава сигнала от сензора и го преобразува в стандартизиран изход за дистанционно наблюдение или управление. Например, предавател може да преобразува термодвойка или RTD сигнал в 4–20 mA сигнал, RS485 сигнал, Modbus данни или друг индустриален комуникационен формат.
В много системи за мониторинг сензорът е инсталиран в точката на измерване, докато предавателят, регистраторът на данни или устройството за събиране изпраща данните до контролна зала, PLC, компютър или облачна платформа. Тази комбинация позволява дистанционно наблюдение, автоматично управление и дългосрочно записване на данни.
Кой температурен сензор е най-точен?
Сред обикновените температурни сензори, RTD обикновено се считат за една от най-точните опции. Платинените RTD осигуряват отлична точност, линейност, стабилност и повторяемост. Те често се предпочитат, когато се изисква надеждно и прецизно измерване в умерен температурен диапазон.
Термодвойките са здрави и подходящи за широки температурни диапазони, но обикновено са по-малко точни от RTD. Термисторите са много чувствителни и бързи, но техният нелинеен изход изисква компенсация. Полупроводниковите сензори са удобни за електронни схеми, но тяхната точност и температурен диапазон обикновено са ограничени.
Следователно най-добрият сензор не винаги е най-точният сензор. Правилният избор зависи от приложението. За промишлени процеси с висока температура, термодвойка може да е по-добра. За прецизно измерване RTD може да е по-добър. За компактни електронни устройства може да е подходящ полупроводников сензор. За бързо и чувствително измерване може да се предпочете NTC термистор. За дългосрочен структурен мониторинг сензорите с вибрационна тел може да са добър вариант.
Предимства на индустриалните температурни сензори
Индустриалните температурни сензори предлагат много предимства, когато са правилно избрани и инсталирани.
Те осигуряват точно и надеждно измерване на температурата в среди, където ръчното измерване е трудно или небезопасно. Те могат да се използват както за повърхностно монтирани, така и за вградени приложения. Конструкциите с ниска топлинна маса могат да осигурят по-бързо време за реакция. Водоустойчивите и устойчиви на атмосферни влияния конструкции позволяват използване в бетон, вода, почва и външна среда.
Някои дизайни на сензори са подходящи за дистанционно четене, автоматично сканиране и регистриране на данни. Това е особено полезно при големи инженерни проекти, системи за съхранение на зърно, тунели, язовири, резервоари и промишлени предприятия.
Вибриращи телени температурни сензори осигуряват дългосрочна стабилност и са подходящи за приложения, изискващи трайно наблюдение за дълги периоди. Херметически затворените сензори и устойчивите на атмосферни влияния тела могат да подобрят експлоатационния живот в тежки условия. Конструкциите с рейтинг IP68 са особено полезни, когато се очаква влага, потапяне във вода или подземен монтаж.
Температурни сонди с добра линейност, нисък хистерезис и стабилен изход могат да подобрят надеждността на измерването. Напълно сменяемите сонди също намаляват трудностите при поддръжката, тъй като един индикатор може да се използва с различни сензори от същия тип.
Как да тествате температурен сензор
Температурните сензори могат да бъдат тествани чрез сравняване на техните показания с известна референтна температура. Професионалните производители често използват камери за температурни тестове с контролирани и проверени температури. Сензорът се поставя вътре в камерата и неговият изход се сравнява със стандартната референтна стойност.
За полеви тестове потребителите могат да сравняват показанията с калибриран термометър или стандартна сонда. За сензори тип съпротивление може да се използва мултиметър, за да се провери дали съпротивлението се променя правилно с температурата. За термодвойки трябва да се провери изходното напрежение и компенсацията на студения преход. За цифровите сензори също трябва да се провери стабилността на комуникацията, конфигурацията на адреса, окабеляването и захранването.
Когато тествате температурен сензор, важно е да проверите не само чувствителния елемент, но и кабела, конектора, регистратора на данни, устройството за събиране, комуникационната линия и софтуерния дисплей. Много грешки при измерване на температурата са причинени от лошо окабеляване, проникване на вода, разхлабени клеми, електромагнитни смущения, неправилно мащабиране, грешни настройки на типа сензор или проблеми със съпротивлението на кабела.
Как да изберете правилния температурен сензор
Изборът на правилния температурен датчик изисква разглеждане на няколко фактора.
Първият фактор е температурният диапазон. Сензорът трябва безопасно да покрива минималната и максималната температура на приложението.
Вторият фактор е точността. Прецизните приложения може да изискват RTD, докато общото наблюдение може да използва термистори, термодвойки или цифрови сензори.
Третият фактор е инсталационната среда. Сензорите, използвани във вода, бетон, почва, зърно или външни условия, трябва да имат подходяща защита, уплътнение и механична якост.
Четвъртият фактор е времето за реакция. Сондите с ниска маса и термисторите реагират по-бързо, докато защитените сензори с тежка натовареност може да реагират по-бавно.
Петият фактор е предаването на сигнала. За наблюдение на дълги разстояния може да са необходими стабилни изходни сигнали, екранирани кабели, RS485 комуникация, Modbus протокол или системи за регистриране на данни.
Шестият фактор е поддръжката. В тежки условия сменяемите сонди, издръжливите корпуси, водоустойчивите структури и лесното окабеляване могат да намалят разходите за дългосрочна поддръжка.
За мониторинг на съхранението на зърно сензорът също трябва да бъде избран според вида на силоза, дълбочината на зърното, дължината на кабела, броя на точките за измерване, силата на издърпване, метода на комуникация и изискванията за показване на софтуера. Многоточковите температурни кабели обикновено са по-подходящи от едноточковите сензори, защото могат да покажат разпределението на температурата вътре в купчината зърно.
ЧЗВ
В: 1. Каква е разликата между температурен сензор и температурен трансмитер?
О: Температурен сензор измерва температурата. Температурен трансмитер получава сигнала от сензора и го преобразува в стандартен сигнал, който може да бъде предаден към система за дистанционно наблюдение или управление. Например, термодвойка, RTD или термистор може да бъде свързан към регистратор на данни, RTU, PLC или предавател за дистанционно събиране на данни.
Въпрос: 2. Как се измерва температурата в бетонен язовир?
О: Температурата се измерва чрез вграждане на множество температурни сонди в бетонната конструкция и инсталиране на сензори във вода и въздух, когато е необходимо. В голям бетонен язовир типичното оформление може да постави една сонда на всеки 15 до 20 метра по напречното сечение и на всеки 10 метра по надморската височина. По-малките язовири могат да използват по-близко разстояние. Тези сензори помагат на инженерите да анализират топлинния стрес, да наблюдават температурата на втвърдяване и да оценят сезонните температурни промени.
Въпрос: 3. Кой температурен сензор е най-точен?
О: RTD, особено платинените RTD, обикновено са сред най-точните обикновени температурни сензори. Те осигуряват добра линейност, стабилност, повторяемост и точност в сравнение с термодвойките и термисторите. Най-добрият избор на сензор обаче зависи от приложението, температурния диапазон, времето за реакция, цената и средата на инсталиране.
Въпрос: 4. Какво е термодвойка?
О: Термодвойка е температурен сензор, направен от два различни метални проводника, свързани в единия край. Когато съединеният край се нагрява или охлажда, се произвежда напрежение. Това напрежение е свързано с температурата и може да се преобразува в показание за температура. Термодвойките са широко използвани, защото са прости, надеждни, издръжливи и подходящи за широк температурен диапазон.
Въпрос: 5. Какви са трите основни закона на термодвойките?
О: Първият е законът за хомогенния материал. Ако всички проводници са направени от един и същ материал, температурната промяна в окабеляването не създава термоелектрически изход. Следователно са необходими различни материали.
Вторият е законът за междинните материали. Ако се добави трети материал към веригата на термодвойка и всички съединения с този материал са при една и съща температура, не се създава допълнително нетно напрежение.
Третият е законът за последователните или междинните температури. Ако два различни хомогенни материала генерират една топлинна електродвижеща сила между T1 и T2 и друга между T2 и T3, електродвижещата сила между T1 и T3 е равна на сумата от двете.
В: 6. Как се тества температурен сензор?
О: Температурен сензор може да бъде тестван в камера с контролирана температура или чрез сравняване с калибриран референтен термометър. Тестът трябва да провери точността, реакцията, окабеляването, изолацията, комуникацията и стабилността на изхода. В практически полеви системи потребителите трябва също да проверят конектори, кабели, регистратори на данни, захранване и настройки на софтуера.
Заключение
Температурните сензори са основни инструменти за измерване, наблюдение и контрол на температурата в съвременните инженерни и индустриални системи. Използват се в бетонни конструкции, язовири, мостове, тунели, почва, вода, резервоари, сондажи, електроцентрали, машини, електронни устройства и системи за съхранение на зърно.
Различните типове сензори имат различни предимства. Термодвойките са издръжливи и подходящи за широки температурни диапазони. RTD осигуряват висока точност и стабилност. Термисторите предлагат висока чувствителност и бърза реакция. Полупроводниковите сензори са компактни и лесни за интегриране. Вибриращите телени сензори са подходящи за дългосрочен геотехнически и структурен мониторинг. Безконтактните сензори са полезни за опасни, движещи се или недостъпни цели.
Избирайки правилния температурен сензор според обхвата, точността, околната среда, времето за реакция, изходния сигнал и нуждите от поддръжка, потребителите могат да изградят надеждни системи за наблюдение на температурата за безопасност, контрол на качеството, оптимизиране на процесите и дългосрочна защита на активите.