Sensor suhu

Termometer resistansi,juga disebutdetektor suhu resistansi (RTDs),adalahsensoryang digunakan untuk mengukur suhu dengan menghubungkan resistensi dari elemen RTD dengan suhu.Kebanyakan elemen RTD terdiri dari panjang kawat melingkar halus dibungkus sekitar inti keramik atau kaca.Unsur ini biasanya cukup rapuh, sehingga sering ditempatkan di dalam probe berselubung untuk melindunginya.RTD elemen terbuat dari bahan murni, biasanya platinum, nikel atau tembaga.Materi yang memiliki perubahan diprediksi dalam perlawanan karena perubahan suhu dan perubahan diprediksi ini yang digunakan untuk menentukan suhu.Mereka perlahan menggantikan penggunaantermokopeldalam banyak aplikasi industri di bawah 600 C, karena akurasi yang lebih tinggi dan pengulangan.[1][2]R vs hubungan T dari berbagai logamElemen penginderaan RTD umum terbuat dari platinum, tembaga atau nikel memiliki ketahanan berulang terhadap hubungan suhu (R vs T) dansuhu operasikisaran.R vs hubungan T didefinisikan sebagai jumlah perubahan resistansi dari sensor per derajat perubahan suhu.[3]Perubahan relatif dalam perlawanan (koefisien temperatur resistansi) bervariasi hanya sedikit selama rentang manfaat sensor.Platinumdiusulkan olehSir William Siemenssebagai elemen untuk detektor suhu resistance dikuliah Bakerianpada tahun 1871:[4]itu adalahlogam muliadan memiliki paling stabil hubungan-suhu perlawanan selama rentang temperatur terbesar.Nikelelemen memiliki suhu yang terbatas Kisaran karena jumlah perubahan resistansi per derajat perubahan suhu menjadi sangat non-linear pada suhu lebih dari 572 F (300 C).Tembagamemiliki hubungan suhu resistansi yang sangat linear, namun tembaga mengoksidasi pada suhu moderat dan tidak dapat digunakan lebih dari 302 F (150 C).Platinum adalah logam terbaik untuk RTDs karena mengikuti hubungan-suhu resistansi yang sangat linear dan mengikuti R vs hubungan T dengan cara yang sangat berulang pada rentang temperatur yang luas.Sifat unik dari platinum membuatnya menjadi bahan pilihan untuk standar suhu selama rentang -272,5 C hingga 961,78 C, dan digunakan dalam sensor yang menentukan Suhu Standar Internasional,ITS-90.Platinum dipilih juga karena inertness kimianya.Karakteristik signifikan logam yang digunakan sebagai elemen resistif adalah pendekatan linear dari perlawanan terhadap hubungan suhu antara 0 dan 100 C.Koefisien temperatur ini resistensi disebut alpha, .Persamaan di bawah ini mendefinisikan ;satuannya adalah ohm / ohm / C.

resistansi sensor pada 0 Cresistansi sensor pada 100 CMurniplatinummemiliki alpha dari 0.003925 ohm / ohm / C pada 0 hingga 100 C jangkauan dan digunakan dalam pembangunan RTDs laboratorium kelas.Sebaliknya dua standar yang diakui secara luas untuk industri RTDs IEC 60751 dan ASTM E-1137 menentukan alpha dari 0,00385 ohm / ohm / C.Sebelum standar ini banyak diadopsi beberapa nilai alpha yang berbeda digunakan.Hal ini masih mungkin untuk menemukan probe yang lebih tua yang dibuat dengan platinum yang memiliki nilai alpha dari 0.003916 ohm / ohm / C dan 0.003902 ohm / ohm / C.Nilai-nilai alpha yang berbeda untuk platinum yang dicapai oleh doping;pada dasarnya hati-hati memperkenalkan kotoran ke platina.Kotoran diperkenalkan selama Doping menjadi tertanam dalam struktur kisi platinum dan menghasilkan R yang berbeda vs kurva T dan karenanya nilai alpha.[5]KalibrasiUntuk mencirikan R vs hubungan T dari setiap RTD pada rentang suhu yang mewakili berbagai rencana penggunaan, kalibrasi harus dilakukan pada suhu selain 0 C dan 100 C.Dua metode kalibrasi umum adalah metode titik tetap dan metode perbandingan.[6] Titik kalibrasi tetap,yang digunakan untuk kalibrasi akurasi tertinggi, menggunakan titik tripel, pembekuan titik leleh atau titik zat murni seperti air, seng, timah, dan argon untuk menghasilkan suhu yang dikenal dan berulang.Sel-sel ini memungkinkan pengguna untuk mereproduksi kondisi sebenarnya dariITS-90skala suhu.Titik kalibrasi tetap memberikan kalibrasi sangat akurat (dalam 0.001 C).Sebuah metode kalibrasi umum tetap point untuk probe industri kelas adalah mandi es.Peralatan murah, mudah digunakan, dan dapat menampung beberapa sensor sekaligus.Titik es ditetapkan sebagai standar sekunder karena akurasinya adalah 0,005 C ( 0.009 F), dibandingkan dengan 0.001 C ( 0,0018 F) untuk titik tetap primer. Kalibrasi perbandingan,umumnya digunakan dengan Sprts sekunder dan RTDs industri, termometer yang dikalibrasi dibandingkan dengan termometer dikalibrasi dengan cara mandi yang suhu seragam stabil.Tidak seperti kalibrasi titik tetap, perbandingan dapat dibuat pada suhu apa pun antara -100 C dan 500 C (-148 F hingga 932 F).Metode ini mungkin lebih hemat biaya karena beberapa sensor dapat dikalibrasi secara bersamaan dengan peralatan otomatis.Maskapai mandi dipanaskan dengan listrik dan baik diaduk menggunakan minyak silikon dan garam cair sebagai media untuk berbagai suhu kalibrasi.Tipe elemenAda tiga kategori utama dari sensor RTD: film tipis, kawat-luka, dan elemen melingkar.Sedangkan jenis ini adalah yang paling banyak digunakan dalam industri ada beberapa tempat di mana bentuk yang lebih eksotis lain digunakan, untuk resistor misalnya karbon digunakan pada suhu ultra rendah (-173 C untuk -273 C).[7] Elemen karbon resistortersedia secara luas dan sangat murah.Mereka memiliki hasil yang sangat direproduksi pada suhu rendah.Mereka adalah bentuk yang paling dapat diandalkan pada temperatur yang sangat rendah.Mereka umumnya tidak menderita signifikanhysteresisatau strain gauge efek. Elemen bebas reganganmenggunakan kumparan kawat minimal didukung dalam perumahan disegel diisi dengan gas inert.Sensor ini digunakan hingga 961,78 C dan digunakan dalam SPRT yang menentukan ITS-90.Mereka terdiri dari kawat platinum longgar melingkar atas struktur dukungan sehingga unsur bebas untuk memperluas dan kontrak dengan suhu.Mereka sangat rentan terhadap goncangan dan getaran sebagai loop platinum dapat bergoyang bolak-balik menyebabkan deformasi.

Film PRT tipis Elemen film tipismemiliki unsur penginderaan yang dibentuk dengan mendepositokan lapisan sangat tipis dari bahan resistif, biasanya platinum, pada keramiksubstrat.Lapisan ini biasanya hanya 10 sampai 100 angstrom (1 sampai 10 nanometer) tebal.[8]Film ini kemudian dilapisi dengan epoxy atau kaca yang membantu melindungi film disimpan dan juga bertindak sebagai bantuan regangan untuk memimpin-kabel eksternal.Kekurangan dari jenis ini adalah bahwa mereka tidak stabil seperti mereka luka kawat atau rekan-rekan melingkar.Mereka juga hanya dapat digunakan pada rentang suhu terbatas karena tingkat ekspansi yang berbeda dari substrat dan resistif disimpan memberikan "strain gauge"efek yang dapat dilihat pada koefisien suhu resistif.Unsur-unsur ini bekerja dengan suhu 300 C tanpa kemasan lebih lanjut tetapi dapat beroperasi hingga 500 C ketika sesuai dikemas dalam gelas atau keramik.

Kawat luka PRT Elemen kawat-lukadapat memiliki akurasi yang lebih besar, terutama untuk rentang temperatur yang luas.Diameter kumparan memberikan kompromi antara stabilitas mekanik dan memungkinkan perluasan kawat untuk meminimalkan ketegangan dan pergeseran konsekuensial.Kabel penginderaan melilit sebuah mandrel isolasi atau inti.Berliku inti dapat bulat atau datar, tetapi harus menjadi insulator listrik.Koefisien ekspansi termal dari bahan inti berliku cocok dengan kawat penginderaan untuk meminimalkan regangan mekanik.Jenis ini pada kawat elemen akan menghasilkan kesalahan pengukuran termal.The penginderaan kawat terhubung ke kawat yang lebih besar, biasanya disebut sebagai lead elemen atau kawat.Kawat ini dipilih agar kompatibel dengan kawat penginderaan sehingga kombinasi tidak menghasilkan ggl yang akan mendistorsi pengukuran termal.Unsur-unsur ini bekerja dengan temperatur 660 C.

Coil Elemen PRT Elemen melingkartelah digantikan elemen kawat-luka dalam industri.Desain ini memiliki kumparan kawat yang dapat memperluas bebas atas suhu, diadakan di tempat oleh beberapa dukungan mekanik yang memungkinkan kumparan menjaga bentuknya.Ini "ketegangan bebas" desain memungkinkan kawat penginderaan untuk memperluas dan kontrak bebas dari pengaruh dari bahan lain;dalam hal ini mirip dengan SPRT, standar utama yang di atasnyaITS-90didasarkan, sambil memberikan daya tahan yang diperlukan untuk keperluan industri.Dasar dari elemen penginderaan adalah kumparan kecil kawat platinum penginderaan.Kumparan ini menyerupai filamen dalam bola lampu pijar.Perumahan atau Mandrel adalah dipecat tabung oksida keramik keras dengan sama spasi membosankan yang menjalankan melintang terhadap sumbu.Kumparan dimasukkan dalam membosankan dari mandrel dan kemudian dikemas dengan tanah bubuk keramik sangat halus.Hal ini memungkinkan kawat penginderaan bergerak sementara masih tersisa dalam kontak termal yang baik dengan proses tersebut.Unsur-unsur ini bekerja dengan temperatur 850 C.Standar saat internasional yang menentukan toleransi, dan hubungan suhu-to-hambatan listrik untuk ketahanan platinum termometer (PRT) adalah IEC 60751: 2008;ASTM E1137 juga digunakan di Amerika Serikat.Sejauh perangkat yang paling umum digunakan dalam industri memiliki ketahanan nominal 100ohmpada 0 C, dan disebut sensor Pt100 ('Pt' adalah simbol untuk platinum, 100 untuk perlawanan di ohm pada 0 C).Sensitivitas standar 100 sensor ohm adalah nominal 0.385 ohm / C.RTDs dengan sensitivitas 0,375 dan 0,392 ohm / C serta berbagai lain juga tersedia.FungsiTermometer resistansi yang dibangun di sejumlah bentuk dan menawarkan stabilitas yang lebih besar,akurasidanpengulangandalam beberapa kasus dibandingkan termokopel.Sementara termokopel menggunakanefek Seebeckuntuk menghasilkan tegangan, termometer resistansi menggunakanhambatan listrikdan membutuhkan sumber daya untuk beroperasi.Resistensi idealnya bervariasi hampirlineardengan suhu per persamaan Callendar Van-Dusen.Platinum mendeteksi kawat harus tetap bebas dari kontaminasi agar tetap stabil.Sebuah kawat platinum atau film didukung pada mantan sedemikian rupa bahwa hal itu akan ekspansi diferensial minimal atau jenis lain dari yang pertama, namun cukup tahan terhadap getaran.Rakitan RTD terbuat dari besi atau tembaga juga digunakan dalam beberapa aplikasi.Nilai platinum komersial diproduksi yang memperlihatkankoefisien suhuresistansi 0,00385 / C (0,385% / C) (Eropa Fundamental Interval).[9]Sensor ini biasanya dibuat untuk memiliki ketahanan dari 100 pada 0 C.Tindakan ini ditentukan pada BS EN 60751: 1996 (diambil dari IEC 60751: 1995).The Interval Fundamental Amerika adalah 0,00392 / C,[10]didasarkan pada menggunakan kelas murni platinum dari standar Eropa.Standar Amerika adalah dari Asosiasi Produsen Aparatur Ilmiah (SAMA), yang tidak lagi dalam bidang standar ini.Akibatnya "American standar" hampir tidak standar bahkan di Amerika Serikat.Resistensi kawat timah juga bisa menjadi faktor;mengadopsi tiga dan empat-kawat, bukan dua-kawat, koneksi dapat menghilangkan koneksi memimpin efek resistensi dari pengukuran (lihatdi bawah);koneksi tiga-kawat sudah cukup untuk sebagian besar tujuan dan praktek industri hampir universal.Koneksi empat-kawat yang digunakan untuk aplikasi yang paling tepat.

Keuntungan dan keterbatasanKeuntungan dari termometer resistansi platinum meliputi: Akurasi tinggi Drift rendah Jangkauan operasional yang luas Kesesuaian untuk aplikasi presisi.Keterbatasan:RTDs dalam aplikasi industri jarang digunakan di atas 660 C.Pada suhu di atas 660 C menjadi semakin sulit untuk mencegah platinum dari menjadi terkontaminasi oleh kotoran dari lapisan logam dari termometer.Inilah sebabnya mengapa laboratorium termometer standar mengganti selubung logam dengan konstruksi kaca.Pada suhu yang sangat rendah, katakanlah di bawah -270 C (atau 3 K), karena ada sangat sedikitfonon, perlawanan dari RTD terutama ditentukan olehkotorandanhamburan batasdan dengan demikian pada dasarnya tergantung dari suhu.Sebagai hasilnya,sensitivitasdari RTD pada dasarnya adalah nol dan karena itu tidak berguna.[rujukan?]Dibandingkan dengantermistor, RTDs platinum kurang sensitif terhadap perubahan suhu yang kecil dan memiliki waktu respon lebih lambat.Namun, termistor memiliki kisaran suhu yang lebih kecil dan stabilitas.Sumber kesalahan:Sumber kesalahan umum dari PRT adalah: Pertukaran:"kedekatan perjanjian" antara Perlawanan PRT spesifik vs hubungan Suhu dan pertahanan yang telah ditetapkan vs hubungan Suhu, umumnya didefinisikan olehIEC 60751.[11] Isolasi Perlawanan:Kesalahan yang disebabkan oleh ketidakmampuan untuk mengukur resistensi sebenarnya elemen.Kebocoran saat masuk atau keluar dari sirkuit melalui sarungnya, antara memimpin elemen, atau unsur-unsur.[12] Stabilitas:.Kemampuan untuk mempertahankan R vs T dari waktu ke waktu sebagai akibat dari paparan panas[13] Pengulangan:.Kemampuan untuk mempertahankan R vs T dalam kondisi yang sama setelah mengalami siklus termal di seluruh rentang suhu tertentu[14] Hysteresis:.Perubahan karakteristik bahan dari mana RTD dibangun karena eksposur ke suhu yang bervariasi[15] Stem Konduksi:Error yang dihasilkan dari selubung PRT melakukan panas ke dalam atau keluar dari proses. Kalibrasi / Interpolation:Kesalahan yang terjadi karena kalibrasi ketidakpastian pada titik-titik kal, atau antara titik kal karenapropagasi ketidakpastianatau curve fit kesalahan. Memimpin Kawat:Kesalahan yang terjadi karena pengukuran kawat 4 kawat atau 3 tidak digunakan, hal ini sangat meningkat dengan mengukur kawat yang lebih tinggi. 2 kawat sambungan menambahkan memimpin perlawanan secara seri dengan elemen PRT. 3 kawat sambungan bergantung pada semua 3 lead memiliki ketahanan yang sama. Pemanasan diri:Error yang dihasilkan oleh pemanasan elemen PRT karena kekuatan diterapkan. Response time:Kesalahan diproduksi selama transien suhu karena PRT tidak dapat merespon perubahan cukup cepat. EMF termal:kesalahan EMF Thermal diproduksi oleh EMF menambah atau mengurangi tegangan penginderaan diterapkan, terutama dalam sistem DC.RTDs vs termokopelDua cara yang paling umum untuk mengukur suhu industri adalah dengan detektor suhu resistansi (RTDs) dan termokopel.Pilihan antara mereka biasanya ditentukan oleh empat faktor. Suhu:.Jika suhu proses adalah antara -200 sampai 500 C (-328,0 ke 932,0 F), sebuah RTD industri adalah pilihan yang disukaiTermokopelmemiliki kisaran -180 sampai 2320 C (-292,0 ke 4,208.0 F),[16]sehingga untuk suhu di atas 500 C (932 F) mereka adalah satu-satunya perangkat pengukuran temperatur kontak. waktu respon:Jika proses ini membutuhkan respon yang sangat cepat untuk perubahan suhu-sepersekian detik sebagai lawan detik (misalnya 2,5-10 s) -Lalu termokopel adalah pilihan terbaik.Waktu respon diukur dengan cara merendam dalam air sensor bergerak dengan 1 m / s (3 ft / s) dengan langkah perubahan 63,2%. size:Sebuah RTD selubung standar 3,175-6,35 mm (0,1250-0,2500 in) dengan diameter;diameter selubung untuk termokopel bisa kurang dari 1,6 mm (0,063 in). akurasi dan stabilitas persyaratan:Jika toleransi 2 C dapat diterima dan tingkat tertinggi pengulangan tidak diperlukan, termokopel akan melayani.RTDs mampu akurasi yang lebih tinggi dan dapat menjaga stabilitas selama bertahun-tahun, sementara termokopel dapat melayang dalam beberapa jam pertama penggunaan.

Konstruksi

Unsur-unsur ini hampir selalu memerlukan terisolasi mengarah terpasang.Pada suhu di bawah sekitar 250 C PVC, karet silikon atau PTFE isolator digunakan.Di atas ini, serat kaca atau keramik yang digunakan.Titik pengukuran, dan biasanya sebagian besar lead, membutuhkan perumahan atau lengan pelindung, sering dibuat dari paduan logam yang secara kimia inert untuk proses yang sedang dipantau.Memilih dan merancang selubung perlindungan dapat memerlukan perawatan lebih daripada sensor yang sebenarnya, sebagai selubung harus tahan kimia atau serangan fisik dan tempat penempelan nyaman.Konfigurasi kabelKonfigurasi dua-kawat

Konfigurasi perlawanan termometer sederhana menggunakan dua kawat.Hal ini hanya digunakan ketika akurasi tinggi tidak diperlukan, sebagai perlawanan dari kabel yang menghubungkan ditambahkan dengan sensor, yang menyebabkan kesalahan pengukuran.Konfigurasi ini memungkinkan penggunaan 100 meter kabel.Hal ini berlaku sama untuk jembatan seimbang dan sistem jembatan tetap.

Konfigurasi tiga kawat

Dalam rangka meminimalkan dampak resistensi memimpin, konfigurasi tiga-kawat dapat digunakan.Dengan menggunakan metode ini dua mengarah ke sensor yang memberikan lengan sebelah.Ada resistensi utama dalam setiap lengan jembatan sehingga resistance dibatalkan, asalkan kedua resistensi timbal adalah akurat sama.Konfigurasi ini memungkinkan hingga 600 meter kabelKonfigurasi empat-kawat

Empat-kawat konfigurasi perlawanan termometer meningkatkan akurasi dan keandalan perlawanan yang diukur: kesalahan perlawanan karena memimpin perlawanan kawat adalah nol.Dalam diagram di atas standar dua-terminal RTD digunakan dengan sepasang kabel untuk membentuk loop tambahan yang membatalkan perlawanan memimpin.Di atasjembatan Wheatstonemetode menggunakan kawat tembaga lebih sedikit dan bukan solusi sempurna.Di bawah ini adalah lebih baikkonfigurasi,empat-kawatsambungan Kelvin.Ini memberikan pembatalan penuh efek palsuresistensi kabel hingga 15 dapat ditangani

Klasifikasi RTDsAkurasi tertinggi dari semua PRTs adalahStandard platinum Resistance Termometer(Sprts).Akurasi ini dicapai dengan mengorbankan daya tahan dan biaya.Para Sprts elemen luka dari kawat platinum referensi kelas.Kabel utama internal biasanya terbuat dari platinum sementara dukungan internal yang terbuat dari kuarsa atau sekering silika.Selubung biasanya terbuat dari kuarsa atau kadang-kadang Inconel tergantung pada rentang suhu.Lebih besar diameter kawat platinum digunakan, yang mendorong biaya dan hasil dalam resistensi yang lebih rendah untuk probe (biasanya 25,5 ohm).Sprts memiliki rentang suhu yang lebar (-200 C sampai 1000 C) dan kira-kira akurat untuk 0.001 C selama rentang temperatur.Sprts hanya sesuai untuk penggunaan laboratorium.Klasifikasi lain dari PRTs laboratoriumStandar Sekunder platinum Resistance Termometer(Sprts Sekunder).Mereka dibangun seperti SPRT, tetapi bahan-bahan yang lebih hemat biaya.Sprts biasanya menggunakan referensi kelas, kemurnian tinggi diameter lebih kecil kawat platinum, sarung logam dan keramik jenis isolator.Kabel utama internal biasanya merupakan paduan berbasis nikel.Sprts sekunder terbatas dalam kisaran suhu (-200 C sampai 500 C) dan sekitar akurat untuk 0,03 C selama rentang temperatur.PRTs industridirancang untuk menahan lingkungan industri.Mereka dapat hampir sama tahan lama sebagai termokopel.Tergantung pada aplikasi PRTs industri dapat menggunakan elemen film tipis atau elemen koil luka.Kabel lead internal dapat berkisar dari PTFE terisolasi terdampar nikel berlapis tembaga untuk kawat perak, tergantung pada ukuran sensor dan aplikasi.Bahan Selubung biasanya stainless steel;aplikasi temperatur yang lebih tinggi dapat menuntut Inconel.Bahan lain yang digunakan untuk aplikasi khusus.AplikasiRakitan sensor dapat dikategorikan menjadi dua kelompok berdasarkan bagaimana mereka diinstal atau antarmuka dengan proses: perendaman atau permukaan mount. Sensor Perendamanberbentuk tabung SS dan beberapa jenis koneksi proses fitting.Mereka diinstal ke dalam proses dengan lama pencelupan cukup untuk memastikan kontak yang baik dengan media proses dan mengurangi pengaruh eksternal.[17]Sebuah variasi gaya ini mencakup thermowell terpisah yang menyediakan perlindungan tambahan untuk sensor.[18]Gaya ini digunakan untuk mengukur suhu cairan atau gas dalam pipa dan tangki.Kebanyakan sensor memiliki elemen penginderaan yang terletak di ujung tabung stainless steel.Sebuah gaya rata-rata RTD Namun, dapat mengukur suhu rata-rata udara dalam saluran besar.[19]Gaya perendaman RTD memiliki elemen penginderaan didistribusikan sepanjang seluruh panjang probe dan memberikan suhu rata-rata.Panjang bervariasi antara 3 sampai 60 kaki. Sensor permukaan dipasangdigunakan ketika perendaman ke dalam cairan proses tidak mungkin karena konfigurasi perpipaan atau tangki, atau sifat-sifat fluida mungkin tidak memungkinkan sensor gaya perendaman.Konfigurasi berkisar dari silinder kecil[20]untuk blok besar yang dipasang oleh klem,[21]perekat, atau melesat ke tempatnya.Sebagian besar memerlukan penambahan isolasi untuk mengisolasi mereka dari pendinginan atau pemanasan dampak kondisi ambient untuk memastikan akurasi.Aplikasi lain mungkin memerlukan waterproofing atau tekanan khusus segel.Sebuah tugas berat sensor suhu air dirancang untuk perendaman lengkap di bawah sungai, kolam pendingin, atau selokan.Otoklaf uap memerlukan sensor yang disegel dari intrusi oleh uap selama proses siklus vakum.Sensor Perendaman umumnya memiliki akurasi pengukuran terbaik karena mereka berada dalam kontak langsung dengan cairan proses.Sensor permukaan dipasang mengukur permukaan pipa sebagai perkiraan dekat dari cairan proses internal.