Wie Verschiedene Temperaturfühler Funktionieren
Unter Temperaturfühler (Temperatur wandler) versteht man einen Sensor, der die Temperatur erfassen und in ein nutzbares Ausgangssignal umwandeln kann. Temperatursensoren sind der Kernbestandteil von Temperaturmessgeräten und in vielen Varianten erhältlich. Mit dem Eintritt ins 21. Jahrhundert bewegen sich Temperatursensoren in Richtung hoher Präzision, Multifunktionalität, Busstandardisierung, hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit. High-Tech-Richtungen wie die Entwicklung virtueller Temperatursensoren und Netzwerk sensoren sowie die Entwicklung von Einzelchip-Temperaturmess systemen entwickeln sich rasant. Auch die Bustechnologie des Temperatursensors wurde standardisiert und kann über eine dedizierte Busschnittstelle als Slave zur Kommunikation mit dem Host genutzt werden. Je nach Messmethode kann es in zwei Kategorien unterteilt werden: Kontakttyp und berührungsloser Typ. Entsprechend den Eigenschaften von Sensor materialien und elektronischen Bauteilen werden sie in zwei Kategorien unterteilt: Thermowiderstände und Thermoelemente.
So funktioniert der Temperaturfühler
Es gibt vier Haupttypen von Temperatursensoren: Thermoelemente, Thermistoren, Widerstand temperatur detektoren (RTDs) und IC-Temperatursensoren. IC-Temperatursensoren umfassen zwei Typen: Analogausgang und Digitalausgang.
1. Funktionsprinzip des Thermoelements
Wenn zwei verschiedene Leiter und Halbleiter A und B eine Schleife bilden und die beiden Enden miteinander verbunden sind, beträgt die Temperatur an einem Ende T, was als Arbeitstemperatur bezeichnet wird, solange die Temperaturen an den beiden Knoten unterschiedlich sind Ende oder heißes Ende. Die Temperatur des anderen Endes beträgt TO, das als freies Ende (auch Referenzende genannt) oder kaltes Ende bezeichnet wird. Dann fließt Strom in die Schleife, das heißt, die in der Schleife vorhandene elektromotorische Kraft wird thermische elektromotorische Kraft genannt. Dieses Phänomen der durch Temperaturunterschiede erzeugten elektromotorischen Kraft wird Seebeck-Effekt genannt. Im Zusammenhang mit Seebeck gibt es zwei Effekte: Erstens wird beim Fließen eines Stroms durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter Wärme aufgenommen oder abgegeben (abhängig von der Richtung des Stroms), was als Peltier-Effekt bezeichnet wird. Zweitens: Wenn ein Strom durch einen Leiter mit einem Temperaturgradienten fließt, absorbiert oder gibt der Leiter Wärme ab (abhängig von der Richtung des Stroms relativ zum Temperaturgradienten), was als Thomson-Effekt bezeichnet wird. Eine Kombination aus zwei verschiedenen Leitern oder Halbleitern wird als Thermoelement bezeichnet. Das thermoelektrische Potenzial EAB (T, T0) des Thermoelements setzt sich aus dem Kontaktpotenzial und dem Temperaturdifferenzpotenzial zusammen. Unter Kontaktpotential versteht man das Potential, das beim Kontakt zwischen zwei unterschiedlichen Leitern oder Halbleitern entsteht. Dieses Potenzial hängt von den Eigenschaften der beiden Leiter oder Halbleiter und der Temperatur am Kontaktpunkt ab.
Unter thermoelektrischem Potenzial versteht man das Potenzial, das von demselben Leiter oder Halbleiter an zwei Enden mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugt wird. Dieses Potenzial hängt nur von den Eigenschaften des Leiters oder Halbleiters und der Temperatur an beiden Enden ab, hat jedoch nichts mit der Länge, der Querschnittsgröße des Leiters oder der Temperaturverteilung entlang seiner Länge zu tun. Sowohl das Kontaktpotential als auch das thermoelektrische Potential sind Potentiale, die aufgrund der unterschiedlichen Anzahl der an den Endpunkten des Kontakts konzentrierten Elektronen entstehen. Das von einem Thermoelement gemessene thermoelektrische Potenzial setzt sich aus beiden zusammen. Wenn die Schleife getrennt wird, gibt es eine elektromotorische Kraftdifferenz ΔV zwischen den Trennpunkten a und b, und ihre Polarität und Größe stimmen mit dem thermoelektrischen Potenzial in der Schleife überein. Und es ist festgelegt, dass am kalten Ende, wenn der Strom von A nach B fließt, A als positive Elektrode und B als negative Elektrode bezeichnet wird. Experimente zeigen, dass △V direkt proportional zu △T ist, wenn △V sehr klein ist. Das differenzielle thermoelektrische Potenzial von △V gegenüber △T wird als thermoelektrische Potenzialrate definiert, auch bekannt als Seebeck-Koeffizient. Das Vorzeichen und die Größe des Seebeck-Koeffizienten hängen von den thermoelektrischen Eigenschaften der beiden Leiter, aus denen das Thermoelement besteht, und der Temperaturdifferenz an der Verbindungsstelle ab.
Derzeit empfiehlt die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) 8 Arten von Thermoelementen als standardisierte Thermoelemente, nämlich Typ T, Typ E, Typ J, Typ K, Typ N, Typ B, Typ R und Typ S.
2. Funktionsprinzip des Wärmewiderstands
Der Widerstand wert des Leiters ändert sich mit der Temperaturänderung, und durch Messung seines Widerstandswerts kann auf die Temperatur des Messobjekts geschlossen werden. Der nach diesem Prinzip aufgebaute Sensor ist ein Widerstandstemperatursensor. Diese Art von Sensor wird hauptsächlich zur Temperaturmessung im Temperaturbereich von -200–500 °C verwendet. Reines Metall ist das Hauptmaterial für die Herstellung von Thermowiderständen. Das Material des Wärmewiderstands sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: ① Der Temperaturkoeffizient des Widerstands sollte groß und stabil sein und es sollte eine gute lineare Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Temperatur bestehen.
②Hoher Widerstand, geringe Wärmekapazität und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit.
③Das Material weist eine gute Reproduzierbarkeit und Verarbeitbarkeit auf und der Preis ist niedrig.
④Die chemischen und physikalischen Eigenschaften sind innerhalb des Temperaturmessbereichs stabil.
Derzeit werden Platin und Kupfer in der Industrie am häufigsten verwendet und zu Standard-Thermowiderständen zur Temperaturmessung verarbeitet.Wie verschiedene Temperatursensoren funktionieren
Temperaturfühler
Unter Temperatursensor (Temperaturwandler) versteht man einen Sensor, der die Temperatur erfassen und in ein nutzbares Ausgang signal umwandeln kann. Temperatursensoren sind der Kernbestandteil von Temperaturmessgeräten und in vielen Varianten erhältlich. Mit dem Eintritt ins 21. Jahrhundert bewegen sich Temperatursensoren in Richtung hoher Präzision, Multifunktionalität, Busstandardisierung, hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit. High-Tech-Richtungen wie die Entwicklung virtueller Temperatursensoren und Netzwerksensoren sowie die Entwicklung von Einzelchip-Temperaturmesssystemen entwickeln sich rasant. Auch die Bustechnologie des Temperatursensors wurde standardisiert und kann über eine dedizierte Busschnittstelle als Slave zur Kommunikation mit dem Host genutzt werden. Je nach Messmethode kann es in zwei Kategorien unterteilt werden: Kontakttyp und berührungsloser Typ. Entsprechend den Eigenschaften von Sensormaterialien und elektronischen Bauteilen werden sie in zwei Kategorien unterteilt: Thermowiderstände und Thermoelemente.
So funktioniert der Temperatursensor
Es gibt vier Haupttypen von Temperatursensoren: Thermoelemente, Thermistoren, Widerstand temperatur detektoren (RTDs) und IC-Temperatursensoren. IC-Temperatursensoren umfassen zwei Typen: Analog ausgang und Digital ausgang.
1. Funktionsprinzip des Thermoelements
Wenn zwei verschiedene Leiter und Halbleiter A und B eine Schleife bilden und die beiden Enden miteinander verbunden sind, beträgt die Temperatur an einem Ende T, was als Arbeitstemperatur bezeichnet wird, solange die Temperaturen an den beiden Knoten unterschiedlich sind Ende oder heißes Ende. Die Temperatur des anderen Endes beträgt TO, das als freies Ende (auch Referenzende genannt) oder kaltes Ende bezeichnet wird. Dann fließt Strom in die Schleife, das heißt, die in der Schleife vorhandene elektromotorische Kraft wird thermische elektromotorische Kraft genannt. Dieses Phänomen der durch Temperaturunterschiede erzeugten elektromotorischen Kraft wird Seebeck-Effekt genannt. Im Zusammenhang mit Seebeck gibt es zwei Effekte: Erstens wird beim Fließen eines Stroms durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter Wärme aufgenommen oder abgegeben (abhängig von der Richtung des Stroms), was als Peltier-Effekt bezeichnet wird. Zweitens: Wenn ein Strom durch einen Leiter mit einem Temperaturgradienten fließt, absorbiert oder gibt der Leiter Wärme ab (abhängig von der Richtung des Stroms relativ zum Temperaturgradienten), was als Thomson-Effekt bezeichnet wird. Eine Kombination aus zwei verschiedenen Leitern oder Halbleitern wird als Thermoelement bezeichnet. Das thermoelektrische Potenzial EAB (T, T0) des Thermoelements setzt sich aus dem Kontaktpotenzial und dem Temperaturdifferenzpotenzial zusammen. Unter Kontaktpotential versteht man das Potential, das beim Kontakt zwischen zwei unterschiedlichen Leitern oder Halbleitern entsteht. Dieses Potenzial hängt von den Eigenschaften der beiden Leiter oder Halbleiter und der Temperatur am Kontaktpunkt ab.
Unter thermoelektrischem Potenzial versteht man das Potenzial, das von demselben Leiter oder Halbleiter an zwei Enden mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugt wird. Dieses Potenzial hängt nur von den Eigenschaften des Leiters oder Halbleiters und der Temperatur an beiden Enden ab, hat jedoch nichts mit der Länge, der Querschnittsgröße des Leiters oder der Temperaturverteilung entlang seiner Länge zu tun. Sowohl das Kontaktpotential als auch das thermoelektrische Potential sind Potentiale, die aufgrund der unterschiedlichen Anzahl der an den Endpunkten des Kontakts konzentrierten Elektronen entstehen. Das von einem Thermoelement gemessene thermoelektrische Potenzial setzt sich aus beiden zusammen. Wenn die Schleife getrennt wird, gibt es eine elektromotorische Kraftdifferenz ΔV zwischen den Trennpunkten a und b, und ihre Polarität und Größe stimmen mit dem thermoelektrischen Potenzial in der Schleife überein. Und es ist festgelegt, dass am kalten Ende, wenn der Strom von A nach B fließt, A als positive Elektrode und B als negative Elektrode bezeichnet wird. Experimente zeigen, dass △V direkt proportional zu △T ist, wenn △V sehr klein ist. Das differenzielle thermoelektrische Potenzial von △V gegenüber △T wird als thermoelektrische Potenzialrate definiert, auch bekannt als Seebeck-Koeffizient. Das Vorzeichen und die Größe des Seebeck-Koeffizienten hängen von den thermoelektrischen Eigenschaften der beiden Leiter, aus denen das Thermoelement besteht, und der Temperaturdifferenz an der Verbindungsstelle ab.
Derzeit empfiehlt die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) 8 Arten von Thermoelementen als standardisierte Thermoelemente, nämlich Typ T, Typ E, Typ J, Typ K, Typ N, Typ B, Typ R und Typ S.
2. Funktionsprinzip des Wärmewiderstands
Der Widerstandswert des Leiters ändert sich mit der Temperaturänderung, und durch Messung seines Widerstandswerts kann auf die Temperatur des Messobjekts geschlossen werden. Der nach diesem Prinzip aufgebaute Sensor ist ein Widerstand Temperaturfühler. Diese Art von Sensor wird hauptsächlich zur Temperaturmessung im Temperaturbereich von -200–500 °C verwendet. Reines Metall ist das Hauptmaterial für die Herstellung von Thermowiderständen. Das Material des Wärmewiderstands sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: ① Der Temperaturkoeffizient des Widerstands sollte groß und stabil sein und es sollte eine gute lineare Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Temperatur bestehen.
②Hoher Widerstand, geringe Wärmekapazität und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit.
③Das Material weist eine gute Reproduzierbarkeit und Verarbeitbarkeit auf und der Preis ist niedrig.
④Die chemischen und physikalischen Eigenschaften sind innerhalb des Temperaturmessbereichs stabil.
Derzeit werden Platin und Kupfer in der Industrie am häufigsten verwendet und zu Standard-Thermowiderständen zur Temperaturmessung verarbeitet.
3. Infrarot-Temperatursensor
Wenn in der Natur die Temperatur eines Objekts aufgrund der inneren thermischen Bewegung höher als der absolute Nullpunkt ist, strahlt es kontinuierlich elektromagnetische Wellen in die Umgebung ab, einschließlich Infrarotstrahlen mit einem Wellenlängenbereich von 0,75 bis 100 μm. Nach diesem Prinzip werden Infrarot-Temperatursensoren hergestellt.
SMTIR9901/02 ist ein Infrarotsensor, der von der Smartec Company in den Niederlanden hergestellt wird und auf dem Markt weit verbreitet ist. Es handelt sich um einen siliziumbasierten Infrarotsensor, der auf einer Thermosäule basiert. Auf der darunter liegenden Siliziumbasis sind zahlreiche Thermoelemente gestapelt. Die Hochtemperatur- und Niedertemperaturkontakte auf der unteren Schicht werden durch eine hauchdünne Folie von ihrer Hitze isoliert. Die schwarze absorbierende Schicht auf dem Hochtemperaturkontakt wandelt einfallende Strahlung in Wärmeenergie um. Aus dem thermoelektrischen Effekt lässt sich erkennen, dass die Ausgangsspannung proportional zur Strahlung ist. Normalerweise verwenden Thermosäulen BiSb und NiCr als Thermoelemente. Darüber hinaus ist im SMT9902sil ein Ni1000-Temperatursensor und ein Siliziumfilter mit kleinem Betrachtungswinkel eingebettet, wodurch die Temperaturmessung genauer wird. Da die Eigenschaften der Infrarotstrahlung temperaturabhängig sind, können unterschiedliche Filter zur Messung unterschiedlicher Temperaturbereiche verwendet werden. Ausgereifte Halbleitertechnologie ermöglicht Produktminiaturisierung und niedrige Kosten. Um bestimmten Anwendungen gerecht zu werden, kann der Öffnungswinkel des Infrarotsensors auf nur 7° ausgelegt werden.
4. Analoger Temperaturfühler
Zu den gängigen analogen Temperatursensoren gehören LM3911, LM335, LM45, der Spannungsausgang typ AD22103 und der Stromausgang typ AD590.
AD590 ist ein Temperatursensor mit Stromausgang von Analog Devices. Der Spannungsbereich der Stromversorgung beträgt 3 bis 30 V, der Ausgangsstrom beträgt 223 μA (-50 °C) bis 423 μA (+150 °C) und die Empfindlichkeit beträgt 1 μA/℃. Wenn der Abtastwiderstand R im Schaltkreis in Reihe geschaltet ist, kann die Spannung an R als Ausgangsspannung verwendet werden. Beachten Sie, dass der Widerstandswert von R nicht zu groß sein darf, um sicherzustellen, dass die Spannung an beiden Enden des AD590 nicht weniger als 3 V beträgt. Die Übertragungsentfernung des Ausgangsstrom signals des AD590 kann mehr als 1 km erreichen. Da es sich um eine hochohmige Stromquelle mit bis zu 20 MΩ handelt, müssen keine Fehler berücksichtigt werden, die durch zusätzlichen Widerstand verursacht werden, der durch Wahlschalter oder CMOS-Multiplexer entsteht. Geeignet für Mehrpunkt-Temperaturmessung und Fernsteuerung der Temperaturmessung.
5. Logikausgangs-Temperaturfühler
Stellen Sie einen Temperaturbereich ein. Sobald die Temperatur den angegebenen Bereich überschreitet, wird ein Alarmsignal gesendet, um den Lüfter, die Klimaanlage, die Heizung oder andere Steuergeräte zu starten oder abzuschalten. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Temperatursensor mit Logikausgang verwendet werden. LM56, MAX6501-MAX6504 und MAX6509/6510 sind typische Vertreter.
LM56 ist ein hochpräziser Niederspannungs-Temperaturschalter der NS Company mit integriertem 1,25-V-Referenz spannungsausgang. Es kann nur eine maximale Last von 50 μA tragen. Die Versorgungsspannung liegt zwischen 2,7 und 10 V, der maximale Betriebsstrom beträgt 230 μA, die Empfindlichkeit des eingebauten Sensors beträgt 6,2 mV/℃ und die Sensor ausgangsspannung beträgt 6,2 mV/℃ (T+395 mV).
6. Digitaler Temperaturfühler
Es verwendet einen digitalen Temperatursensor, der in Siliziumtechnologie hergestellt wird, und verwendet eine PTAT-Struktur. Diese Halbleiterstruktur verfügt über präzise, gute temperaturabhängige Ausgang eigenschaften. Der Ausgang des PTAT wird über einen Tastverhältniskomparator in ein digitales Signal moduliert. Die Beziehung zwischen Arbeitszyklus und Temperatur ist wie folgt: DC=0,32+0,0047*t, t ist Grad Celsius. Das digitale Ausgangssignal ist mit dem Mikroprozessor MCU kompatibel. Durch die Hochfrequenzabtastung des Prozessors kann das Tastverhältnis des Ausgangsspannungs-Rechteckwellen signals berechnet und die Temperatur ermittelt werden. Aufgrund seines speziellen Prozesses hat dieser Temperatursensor eine Auflösung von besser als 0,005K. Der Messtemperaturbereich liegt zwischen -45 und 130 °C und wird daher häufig bei hochpräzisen Anlässen eingesetzt.
Gründe und Lösungen für den Bruch des Gehäuses und der Hülse des Temperatursensorfühlers
Bei vielen technischen Anwendungen haben wir festgestellt, dass das Gehäuse und die Hülle der verwendeten Temperaturfühler sonde reißen, was die Sicherheit des Betriebs der Produktionsmaschine beeinträchtigt und in schweren Fällen zu Unfällen führt. Bei der Untersuchung des Bruchs des Sensor sonden gehäuses und der Suche nach den Gründen haben wir herausgefunden, dass die Hauptgründe für den Bruch der Temperatursensorhülse folgende sind:
(1) Die Temperaturfühler sonde wird von Hochgeschwindigkeitsflüssigkeit beeinflusst, die Last ist zu groß und die Spannung überschreitet den Grenzwert, was zum Bruch der Sonde führt;
(2) Die Verarbeitungsfehler der Temperaturfühler sonde selbst führen zu Spannungskonzentrationen und können leicht zum Bruch der Sonde führen;
(3) Die Rohrleitung vibriert zu stark, was zu Ermüdungsschäden an der Temperatursensor sonde führt.
(4) Wenn die Flüssigkeit durch die Temperaturfühler sonde fließt, induziert sie eine Vibration der Temperaturfühler sonde. Das heißt, die Eigenfrequenz der Temperatursensor sonde stimmt mit der Frequenz der Wirbelablösung des Fluids überein. Dieses Resonanzphänomen führt dazu, dass die Sonde des Temperatursensors schneller beschädigt wird und sogar bricht.
Basierend auf den oben genannten Situationen, die leicht zum Bruch der Temperaturfühler sonde führen können, haben wir zusammen mit führenden Unternehmen im Bereich Thermokontrolle und Metallforschung Untersuchungen durchgeführt und festgestellt, dass das Auftreten eines Bruchs der Temperaturfühler sonde durch die folgenden Methoden reduziert werden kann.
(1) Kontrollieren Sie die Einführtiefe der Sensorsonde genau. Mit zunehmender Einstecktiefe nimmt die Kraft auf die Schutzsonde deutlich zu. Wenn wir die Temperatur messen, müssen wir daher nur die Temperaturfühler sonde in die isotherme Zone der Flüssigkeit einführen, ohne sie in den Mittelpunkt des Rohrs einzuführen. Dies trägt dazu bei, die Länge des Auslegers des Thermometerbeutels zu verkürzen und die Amplitude seines Endpunkts zu verringern.
(2) Optimieren Sie den Durchmesser der Temperaturfühler sonde und stellen Sie gleichzeitig die erforderliche Sensorsonden stärke sicher. Denn wenn der Durchmesser der Temperaturfühler sonde zunimmt, nimmt die Kraft auf die Uhrentasche linear zu. Daher ist es bei der Auswahl des Durchmessers der Uhrentasche notwendig, die Stärke der Sonde angemessen zu gewährleisten und den Resonanzgefahrenbereich so weit wie möglich zu schwanken.
(3) Ändern Sie die Querschnittsform und bearbeiten Sie ihre Oberfläche in eine strukturelle Form, sodass die Flüssigkeit keine Wirbelablösung erzeugt.
(4) Kontrollieren Sie die Qualität der Wartung streng, führen Sie eine gute Inspektion des Materials der Sensorsonde durch und führen Sie auch eine Fehlererkennungsprüfung durch, um das Auftreten anormaler Unfälle wie Risse und Brüche in den Schweißverbindungen strikt zu verhindern.
(5) Vermeiden Sie bei Inbetriebnahme der Anlage ein plötzliches vollständiges Öffnen der Ventile an der Rohrleitung. Wenn das Ventil zum ersten Mal in Betrieb genommen und geöffnet wird, übt die Temperaturfühler sonde eine große Einwegkraft aus. Daher sollte bei der ersten Inbetriebnahme des Systems das Ventil langsam geöffnet werden, um einen allmählichen Anstieg des Systemdrucks zu ermöglichen und den Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite des Temperatursensorgehäuses zu minimieren. Verhindern Sie, dass die Sonde aufgrund übermäßiger einseitiger Krafteinwirkung auf das Gehäuse bricht.
Bei der Verwendung eines Sensors kann es immer zu unerwarteten Situationen kommen. Wir müssen Theorie mit Praxis verbinden und entsprechende Lösungen für konkret auftretende Situationen vorschlagen.
So funktioniert der Temperaturfühler
Es gibt vier Haupttypen von Temperatursensoren: Thermoelemente, Thermistoren, Widerstand temperatur detektoren (RTDs) und IC-Temperatursensoren. IC-Temperatursensoren umfassen zwei Typen: Analogausgang und Digitalausgang.
1. Funktionsprinzip des Thermoelements
Wenn zwei verschiedene Leiter und Halbleiter A und B eine Schleife bilden und die beiden Enden miteinander verbunden sind, beträgt die Temperatur an einem Ende T, was als Arbeitstemperatur bezeichnet wird, solange die Temperaturen an den beiden Knoten unterschiedlich sind Ende oder heißes Ende. Die Temperatur des anderen Endes beträgt TO, das als freies Ende (auch Referenzende genannt) oder kaltes Ende bezeichnet wird. Dann fließt Strom in die Schleife, das heißt, die in der Schleife vorhandene elektromotorische Kraft wird thermische elektromotorische Kraft genannt. Dieses Phänomen der durch Temperaturunterschiede erzeugten elektromotorischen Kraft wird Seebeck-Effekt genannt. Im Zusammenhang mit Seebeck gibt es zwei Effekte: Erstens wird beim Fließen eines Stroms durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter Wärme aufgenommen oder abgegeben (abhängig von der Richtung des Stroms), was als Peltier-Effekt bezeichnet wird. Zweitens: Wenn ein Strom durch einen Leiter mit einem Temperaturgradienten fließt, absorbiert oder gibt der Leiter Wärme ab (abhängig von der Richtung des Stroms relativ zum Temperaturgradienten), was als Thomson-Effekt bezeichnet wird. Eine Kombination aus zwei verschiedenen Leitern oder Halbleitern wird als Thermoelement bezeichnet. Das thermoelektrische Potenzial EAB (T, T0) des Thermoelements setzt sich aus dem Kontaktpotenzial und dem Temperaturdifferenzpotenzial zusammen. Unter Kontaktpotential versteht man das Potential, das beim Kontakt zwischen zwei unterschiedlichen Leitern oder Halbleitern entsteht. Dieses Potenzial hängt von den Eigenschaften der beiden Leiter oder Halbleiter und der Temperatur am Kontaktpunkt ab.
Unter thermoelektrischem Potenzial versteht man das Potenzial, das von demselben Leiter oder Halbleiter an zwei Enden mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugt wird. Dieses Potenzial hängt nur von den Eigenschaften des Leiters oder Halbleiters und der Temperatur an beiden Enden ab, hat jedoch nichts mit der Länge, der Querschnittsgröße des Leiters oder der Temperaturverteilung entlang seiner Länge zu tun. Sowohl das Kontaktpotential als auch das thermoelektrische Potential sind Potentiale, die aufgrund der unterschiedlichen Anzahl der an den Endpunkten des Kontakts konzentrierten Elektronen entstehen. Das von einem Thermoelement gemessene thermoelektrische Potenzial setzt sich aus beiden zusammen. Wenn die Schleife getrennt wird, gibt es eine elektromotorische Kraftdifferenz ΔV zwischen den Trennpunkten a und b, und ihre Polarität und Größe stimmen mit dem thermoelektrischen Potenzial in der Schleife überein. Und es ist festgelegt, dass am kalten Ende, wenn der Strom von A nach B fließt, A als positive Elektrode und B als negative Elektrode bezeichnet wird. Experimente zeigen, dass △V direkt proportional zu △T ist, wenn △V sehr klein ist. Das differenzielle thermoelektrische Potenzial von △V gegenüber △T wird als thermoelektrische Potenzialrate definiert, auch bekannt als Seebeck-Koeffizient. Das Vorzeichen und die Größe des Seebeck-Koeffizienten hängen von den thermoelektrischen Eigenschaften der beiden Leiter, aus denen das Thermoelement besteht, und der Temperaturdifferenz an der Verbindungsstelle ab.
Derzeit empfiehlt die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) 8 Arten von Thermoelementen als standardisierte Thermoelemente, nämlich Typ T, Typ E, Typ J, Typ K, Typ N, Typ B, Typ R und Typ S.
2. Funktionsprinzip des Wärmewiderstands
Der Widerstand wert des Leiters ändert sich mit der Temperaturänderung, und durch Messung seines Widerstandswerts kann auf die Temperatur des Messobjekts geschlossen werden. Der nach diesem Prinzip aufgebaute Sensor ist ein Widerstandstemperatursensor. Diese Art von Sensor wird hauptsächlich zur Temperaturmessung im Temperaturbereich von -200–500 °C verwendet. Reines Metall ist das Hauptmaterial für die Herstellung von Thermowiderständen. Das Material des Wärmewiderstands sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: ① Der Temperaturkoeffizient des Widerstands sollte groß und stabil sein und es sollte eine gute lineare Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Temperatur bestehen.
②Hoher Widerstand, geringe Wärmekapazität und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit.
③Das Material weist eine gute Reproduzierbarkeit und Verarbeitbarkeit auf und der Preis ist niedrig.
④Die chemischen und physikalischen Eigenschaften sind innerhalb des Temperaturmessbereichs stabil.
Derzeit werden Platin und Kupfer in der Industrie am häufigsten verwendet und zu Standard-Thermowiderständen zur Temperaturmessung verarbeitet.Wie verschiedene Temperatursensoren funktionieren
Temperaturfühler
Unter Temperatursensor (Temperaturwandler) versteht man einen Sensor, der die Temperatur erfassen und in ein nutzbares Ausgang signal umwandeln kann. Temperatursensoren sind der Kernbestandteil von Temperaturmessgeräten und in vielen Varianten erhältlich. Mit dem Eintritt ins 21. Jahrhundert bewegen sich Temperatursensoren in Richtung hoher Präzision, Multifunktionalität, Busstandardisierung, hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit. High-Tech-Richtungen wie die Entwicklung virtueller Temperatursensoren und Netzwerksensoren sowie die Entwicklung von Einzelchip-Temperaturmesssystemen entwickeln sich rasant. Auch die Bustechnologie des Temperatursensors wurde standardisiert und kann über eine dedizierte Busschnittstelle als Slave zur Kommunikation mit dem Host genutzt werden. Je nach Messmethode kann es in zwei Kategorien unterteilt werden: Kontakttyp und berührungsloser Typ. Entsprechend den Eigenschaften von Sensormaterialien und elektronischen Bauteilen werden sie in zwei Kategorien unterteilt: Thermowiderstände und Thermoelemente.
So funktioniert der Temperatursensor
Es gibt vier Haupttypen von Temperatursensoren: Thermoelemente, Thermistoren, Widerstand temperatur detektoren (RTDs) und IC-Temperatursensoren. IC-Temperatursensoren umfassen zwei Typen: Analog ausgang und Digital ausgang.
1. Funktionsprinzip des Thermoelements
Wenn zwei verschiedene Leiter und Halbleiter A und B eine Schleife bilden und die beiden Enden miteinander verbunden sind, beträgt die Temperatur an einem Ende T, was als Arbeitstemperatur bezeichnet wird, solange die Temperaturen an den beiden Knoten unterschiedlich sind Ende oder heißes Ende. Die Temperatur des anderen Endes beträgt TO, das als freies Ende (auch Referenzende genannt) oder kaltes Ende bezeichnet wird. Dann fließt Strom in die Schleife, das heißt, die in der Schleife vorhandene elektromotorische Kraft wird thermische elektromotorische Kraft genannt. Dieses Phänomen der durch Temperaturunterschiede erzeugten elektromotorischen Kraft wird Seebeck-Effekt genannt. Im Zusammenhang mit Seebeck gibt es zwei Effekte: Erstens wird beim Fließen eines Stroms durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter Wärme aufgenommen oder abgegeben (abhängig von der Richtung des Stroms), was als Peltier-Effekt bezeichnet wird. Zweitens: Wenn ein Strom durch einen Leiter mit einem Temperaturgradienten fließt, absorbiert oder gibt der Leiter Wärme ab (abhängig von der Richtung des Stroms relativ zum Temperaturgradienten), was als Thomson-Effekt bezeichnet wird. Eine Kombination aus zwei verschiedenen Leitern oder Halbleitern wird als Thermoelement bezeichnet. Das thermoelektrische Potenzial EAB (T, T0) des Thermoelements setzt sich aus dem Kontaktpotenzial und dem Temperaturdifferenzpotenzial zusammen. Unter Kontaktpotential versteht man das Potential, das beim Kontakt zwischen zwei unterschiedlichen Leitern oder Halbleitern entsteht. Dieses Potenzial hängt von den Eigenschaften der beiden Leiter oder Halbleiter und der Temperatur am Kontaktpunkt ab.
Unter thermoelektrischem Potenzial versteht man das Potenzial, das von demselben Leiter oder Halbleiter an zwei Enden mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugt wird. Dieses Potenzial hängt nur von den Eigenschaften des Leiters oder Halbleiters und der Temperatur an beiden Enden ab, hat jedoch nichts mit der Länge, der Querschnittsgröße des Leiters oder der Temperaturverteilung entlang seiner Länge zu tun. Sowohl das Kontaktpotential als auch das thermoelektrische Potential sind Potentiale, die aufgrund der unterschiedlichen Anzahl der an den Endpunkten des Kontakts konzentrierten Elektronen entstehen. Das von einem Thermoelement gemessene thermoelektrische Potenzial setzt sich aus beiden zusammen. Wenn die Schleife getrennt wird, gibt es eine elektromotorische Kraftdifferenz ΔV zwischen den Trennpunkten a und b, und ihre Polarität und Größe stimmen mit dem thermoelektrischen Potenzial in der Schleife überein. Und es ist festgelegt, dass am kalten Ende, wenn der Strom von A nach B fließt, A als positive Elektrode und B als negative Elektrode bezeichnet wird. Experimente zeigen, dass △V direkt proportional zu △T ist, wenn △V sehr klein ist. Das differenzielle thermoelektrische Potenzial von △V gegenüber △T wird als thermoelektrische Potenzialrate definiert, auch bekannt als Seebeck-Koeffizient. Das Vorzeichen und die Größe des Seebeck-Koeffizienten hängen von den thermoelektrischen Eigenschaften der beiden Leiter, aus denen das Thermoelement besteht, und der Temperaturdifferenz an der Verbindungsstelle ab.
Derzeit empfiehlt die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) 8 Arten von Thermoelementen als standardisierte Thermoelemente, nämlich Typ T, Typ E, Typ J, Typ K, Typ N, Typ B, Typ R und Typ S.
Der Widerstandswert des Leiters ändert sich mit der Temperaturänderung, und durch Messung seines Widerstandswerts kann auf die Temperatur des Messobjekts geschlossen werden. Der nach diesem Prinzip aufgebaute Sensor ist ein Widerstand Temperaturfühler. Diese Art von Sensor wird hauptsächlich zur Temperaturmessung im Temperaturbereich von -200–500 °C verwendet. Reines Metall ist das Hauptmaterial für die Herstellung von Thermowiderständen. Das Material des Wärmewiderstands sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: ① Der Temperaturkoeffizient des Widerstands sollte groß und stabil sein und es sollte eine gute lineare Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Temperatur bestehen.
②Hoher Widerstand, geringe Wärmekapazität und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit.
③Das Material weist eine gute Reproduzierbarkeit und Verarbeitbarkeit auf und der Preis ist niedrig.
④Die chemischen und physikalischen Eigenschaften sind innerhalb des Temperaturmessbereichs stabil.
Derzeit werden Platin und Kupfer in der Industrie am häufigsten verwendet und zu Standard-Thermowiderständen zur Temperaturmessung verarbeitet.
3. Infrarot-Temperatursensor
Wenn in der Natur die Temperatur eines Objekts aufgrund der inneren thermischen Bewegung höher als der absolute Nullpunkt ist, strahlt es kontinuierlich elektromagnetische Wellen in die Umgebung ab, einschließlich Infrarotstrahlen mit einem Wellenlängenbereich von 0,75 bis 100 μm. Nach diesem Prinzip werden Infrarot-Temperatursensoren hergestellt.
SMTIR9901/02 ist ein Infrarotsensor, der von der Smartec Company in den Niederlanden hergestellt wird und auf dem Markt weit verbreitet ist. Es handelt sich um einen siliziumbasierten Infrarotsensor, der auf einer Thermosäule basiert. Auf der darunter liegenden Siliziumbasis sind zahlreiche Thermoelemente gestapelt. Die Hochtemperatur- und Niedertemperaturkontakte auf der unteren Schicht werden durch eine hauchdünne Folie von ihrer Hitze isoliert. Die schwarze absorbierende Schicht auf dem Hochtemperaturkontakt wandelt einfallende Strahlung in Wärmeenergie um. Aus dem thermoelektrischen Effekt lässt sich erkennen, dass die Ausgangsspannung proportional zur Strahlung ist. Normalerweise verwenden Thermosäulen BiSb und NiCr als Thermoelemente. Darüber hinaus ist im SMT9902sil ein Ni1000-Temperatursensor und ein Siliziumfilter mit kleinem Betrachtungswinkel eingebettet, wodurch die Temperaturmessung genauer wird. Da die Eigenschaften der Infrarotstrahlung temperaturabhängig sind, können unterschiedliche Filter zur Messung unterschiedlicher Temperaturbereiche verwendet werden. Ausgereifte Halbleitertechnologie ermöglicht Produktminiaturisierung und niedrige Kosten. Um bestimmten Anwendungen gerecht zu werden, kann der Öffnungswinkel des Infrarotsensors auf nur 7° ausgelegt werden.
4. Analoger Temperaturfühler
Zu den gängigen analogen Temperatursensoren gehören LM3911, LM335, LM45, der Spannungsausgang typ AD22103 und der Stromausgang typ AD590.
AD590 ist ein Temperatursensor mit Stromausgang von Analog Devices. Der Spannungsbereich der Stromversorgung beträgt 3 bis 30 V, der Ausgangsstrom beträgt 223 μA (-50 °C) bis 423 μA (+150 °C) und die Empfindlichkeit beträgt 1 μA/℃. Wenn der Abtastwiderstand R im Schaltkreis in Reihe geschaltet ist, kann die Spannung an R als Ausgangsspannung verwendet werden. Beachten Sie, dass der Widerstandswert von R nicht zu groß sein darf, um sicherzustellen, dass die Spannung an beiden Enden des AD590 nicht weniger als 3 V beträgt. Die Übertragungsentfernung des Ausgangsstrom signals des AD590 kann mehr als 1 km erreichen. Da es sich um eine hochohmige Stromquelle mit bis zu 20 MΩ handelt, müssen keine Fehler berücksichtigt werden, die durch zusätzlichen Widerstand verursacht werden, der durch Wahlschalter oder CMOS-Multiplexer entsteht. Geeignet für Mehrpunkt-Temperaturmessung und Fernsteuerung der Temperaturmessung.
5. Logikausgangs-Temperaturfühler
Stellen Sie einen Temperaturbereich ein. Sobald die Temperatur den angegebenen Bereich überschreitet, wird ein Alarmsignal gesendet, um den Lüfter, die Klimaanlage, die Heizung oder andere Steuergeräte zu starten oder abzuschalten. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Temperatursensor mit Logikausgang verwendet werden. LM56, MAX6501-MAX6504 und MAX6509/6510 sind typische Vertreter.
LM56 ist ein hochpräziser Niederspannungs-Temperaturschalter der NS Company mit integriertem 1,25-V-Referenz spannungsausgang. Es kann nur eine maximale Last von 50 μA tragen. Die Versorgungsspannung liegt zwischen 2,7 und 10 V, der maximale Betriebsstrom beträgt 230 μA, die Empfindlichkeit des eingebauten Sensors beträgt 6,2 mV/℃ und die Sensor ausgangsspannung beträgt 6,2 mV/℃ (T+395 mV).
6. Digitaler Temperaturfühler
Es verwendet einen digitalen Temperatursensor, der in Siliziumtechnologie hergestellt wird, und verwendet eine PTAT-Struktur. Diese Halbleiterstruktur verfügt über präzise, gute temperaturabhängige Ausgang eigenschaften. Der Ausgang des PTAT wird über einen Tastverhältniskomparator in ein digitales Signal moduliert. Die Beziehung zwischen Arbeitszyklus und Temperatur ist wie folgt: DC=0,32+0,0047*t, t ist Grad Celsius. Das digitale Ausgangssignal ist mit dem Mikroprozessor MCU kompatibel. Durch die Hochfrequenzabtastung des Prozessors kann das Tastverhältnis des Ausgangsspannungs-Rechteckwellen signals berechnet und die Temperatur ermittelt werden. Aufgrund seines speziellen Prozesses hat dieser Temperatursensor eine Auflösung von besser als 0,005K. Der Messtemperaturbereich liegt zwischen -45 und 130 °C und wird daher häufig bei hochpräzisen Anlässen eingesetzt.
Gründe und Lösungen für den Bruch des Gehäuses und der Hülse des Temperatursensorfühlers
Bei vielen technischen Anwendungen haben wir festgestellt, dass das Gehäuse und die Hülle der verwendeten Temperaturfühler sonde reißen, was die Sicherheit des Betriebs der Produktionsmaschine beeinträchtigt und in schweren Fällen zu Unfällen führt. Bei der Untersuchung des Bruchs des Sensor sonden gehäuses und der Suche nach den Gründen haben wir herausgefunden, dass die Hauptgründe für den Bruch der Temperatursensorhülse folgende sind:
(1) Die Temperaturfühler sonde wird von Hochgeschwindigkeitsflüssigkeit beeinflusst, die Last ist zu groß und die Spannung überschreitet den Grenzwert, was zum Bruch der Sonde führt;
(2) Die Verarbeitungsfehler der Temperaturfühler sonde selbst führen zu Spannungskonzentrationen und können leicht zum Bruch der Sonde führen;
(3) Die Rohrleitung vibriert zu stark, was zu Ermüdungsschäden an der Temperatursensor sonde führt.
(4) Wenn die Flüssigkeit durch die Temperaturfühler sonde fließt, induziert sie eine Vibration der Temperaturfühler sonde. Das heißt, die Eigenfrequenz der Temperatursensor sonde stimmt mit der Frequenz der Wirbelablösung des Fluids überein. Dieses Resonanzphänomen führt dazu, dass die Sonde des Temperatursensors schneller beschädigt wird und sogar bricht.
Basierend auf den oben genannten Situationen, die leicht zum Bruch der Temperaturfühler sonde führen können, haben wir zusammen mit führenden Unternehmen im Bereich Thermokontrolle und Metallforschung Untersuchungen durchgeführt und festgestellt, dass das Auftreten eines Bruchs der Temperaturfühler sonde durch die folgenden Methoden reduziert werden kann.
(1) Kontrollieren Sie die Einführtiefe der Sensorsonde genau. Mit zunehmender Einstecktiefe nimmt die Kraft auf die Schutzsonde deutlich zu. Wenn wir die Temperatur messen, müssen wir daher nur die Temperaturfühler sonde in die isotherme Zone der Flüssigkeit einführen, ohne sie in den Mittelpunkt des Rohrs einzuführen. Dies trägt dazu bei, die Länge des Auslegers des Thermometerbeutels zu verkürzen und die Amplitude seines Endpunkts zu verringern.
(2) Optimieren Sie den Durchmesser der Temperaturfühler sonde und stellen Sie gleichzeitig die erforderliche Sensorsonden stärke sicher. Denn wenn der Durchmesser der Temperaturfühler sonde zunimmt, nimmt die Kraft auf die Uhrentasche linear zu. Daher ist es bei der Auswahl des Durchmessers der Uhrentasche notwendig, die Stärke der Sonde angemessen zu gewährleisten und den Resonanzgefahrenbereich so weit wie möglich zu schwanken.
(3) Ändern Sie die Querschnittsform und bearbeiten Sie ihre Oberfläche in eine strukturelle Form, sodass die Flüssigkeit keine Wirbelablösung erzeugt.
(4) Kontrollieren Sie die Qualität der Wartung streng, führen Sie eine gute Inspektion des Materials der Sensorsonde durch und führen Sie auch eine Fehlererkennungsprüfung durch, um das Auftreten anormaler Unfälle wie Risse und Brüche in den Schweißverbindungen strikt zu verhindern.
(5) Vermeiden Sie bei Inbetriebnahme der Anlage ein plötzliches vollständiges Öffnen der Ventile an der Rohrleitung. Wenn das Ventil zum ersten Mal in Betrieb genommen und geöffnet wird, übt die Temperaturfühler sonde eine große Einwegkraft aus. Daher sollte bei der ersten Inbetriebnahme des Systems das Ventil langsam geöffnet werden, um einen allmählichen Anstieg des Systemdrucks zu ermöglichen und den Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite des Temperatursensorgehäuses zu minimieren. Verhindern Sie, dass die Sonde aufgrund übermäßiger einseitiger Krafteinwirkung auf das Gehäuse bricht.
Bei der Verwendung eines Sensors kann es immer zu unerwarteten Situationen kommen. Wir müssen Theorie mit Praxis verbinden und entsprechende Lösungen für konkret auftretende Situationen vorschlagen.
