Hőmérséklet érzékelők - termopárok
(124)Az általánosan használt érzékelők egyik csoportját a hőmérséklet-érzékelők alkotják. Nagyon gyakran ipari gépekben vagy különféle hőmérsékleteken zajló folyamatok során mérnek, ezért a hőmérséklet-érzékelőket számos iparágban, laboratóriumokban, vezérlő- és mérőberendezésekben, valamint K+F részlegekben használják. Mérése hasznos vagy akár szükséges a hobbi barkácsolók által végzett mindenféle elektronikus munka során, például akkumulátorcellák töltésekor, alkatrészek forrasztása/kiforrasztása során forró levegővel a NYÁK-on, olyan rendszerek építésekor, ahol a hőmérséklet az egyik ellenőrzött érték. Az egyre gyakoribb 3D nyomtatóknál is elengedhetetlen a hőmérséklet-érzékelő a nyomtatófej vagy a hőágy fűtési fokának szabályozásához a megfelelő nyomtatási minőség biztosítása érdekében.
A hőmérséklet-érzékelőket alcsoportokba sorolják. Ennek oka a szerkezet és a működési mód közötti különbség. A legnépszerűbbek a következők: NTC termisztorok, PTC termisztorok, ellenállási hőmérséklet érzékelők és hőelemek.
Hőmérséklet-érzékelők - hőelem felépítés
A hőelemek egyszerű kivitelűek, megbízhatóak és tartósak, ezért az egyik leggyakrabban használt hőmérséklet-érzékelő csoportot alkotják. Az ezeket használó rendszerek úgy működnek, hogy mérik a zárt eklektikus áramkörben keletkező feszültséget (potenciálkülönbséget), két hőelem-vezetékből álló hőelem segítségével. Ezek a huzalok különféle vezetőkből vagy félvezetőkből készülnek, amelyeket úgy választanak meg, hogy a csomópontjukban keletkező feszültség, az úgynevezett termoelektromos feszültség a mért hőmérséklettel arányosan nő. Ez az úgynevezett Seebeck-effektus, amelynél a meleg és hideg csomópontoknak eltérő hőmérsékletűeknek kell lenniük. A gyakorlatban a referencia hőmérsékletet egy független érzékelővel mérik a mérőrendszerben, izotermikus referencia blokk segítségével.
A hőelemek típusai és mérési tartományai
A hőelemek, azok anyagától függően a következő típusokra oszthatók: J, T, K, E, N, S, R és B. Ezek szabványosított jelölések, amelyek a hőelem anyagának típusát jelzik. Az egyes hőelemtípusok jellemzőit, a termoelektromos erő meghatározó értékeit mindegyikükhöz a PN-EN60584-1 szabvány írja le: 2014-04. A leggyakrabban használt J típusú (Fe-CuNi), K (NiCr-NiAl), E (NiCr-CuNi), T (Cu-CiNi) és N (NiCrSi-NiSi), a vas ( Fe), réz (Cu), nikkel (Ni), króm (Cr), szilícium (Si) vagy alumíniumból (Al) készült hőelemek, azaz a nemesfémek használata nélkül készültek. Az ezekkel az érzékelőkkel mérhető hőmérsékleti tartomány az adott hőelem típusától függ. A T típusú hőelemeknél a maximális mérési hőmérséklet csak körülbelül 350°C, a K és N típusú hőelemeknél pedig legfeljebb 1200°C. A felsorolt, leggyakrabban használt hőelemek hőmérsékleti tartományának alsó határa -50°C körül van, bár némelyikük képes lehet alacsonyabb, akár -200°C hőmérséklet mérésére is.
Magas hőmérsékletű hőelemek
Az úgynevezett magas hőmérsékletű hőelemeket, amelyek nemesfémekből, nevezetesen platinából (Pt) és ródiumból (Rh) készülnek, magasabb hőmérsékletek mérésére használják. Ezek az S típusú (Pt10Rh-Pt), R (Pt13Rh-Pt) és B típusú (Pt30Rh-Pt6Rh) hőelemek. Körülbelül 1600°C-ig képesek működni és mérni a hőmérsékletet, a B-típusú hőelemek akár 1800°C-ig is. A nemesfémek használata miatt drágábbak, mint a korábban említett J, T, K, E és N típusú hőelemek.
Hőmérséklet-érzékelők használata
Az a mérőrendszer, amely hőelem formájában érzékelőt használ a hőmérséklet mérésére, általában a következőkből áll: egy hőelem, huzalok, amelyek összekapcsolják az érzékelőt a mérőeszközzel, és maga a mérőeszköz, például millivoltmérő vagy egy fejlett adó. Figyelembe kell venni, hogy a hőelemek nem lineárisak, és jellemzőik a típustól függően változnak. Emiatt a mikroprocesszoros rendszer által végrehajtott digitális linearizációt használják leggyakrabban a mérőrendszerekben, mivel az analóg linearizálás nem költséghatékony. Az ilyen érzékelőtől kapott nagyon alacsony feszültség miatt, több mikrovolt/Celsius-fok nagyságrendben, jelerősítőket és különféle típusú szűrőket használnak a mérés lehető legpontosabbá tételére a tényleges mért hőmérsékletnek megfelelően.
A hőmérséklet-érzékelő kiválasztása
Amikor egy hőelem megvásárlása mellett dönt egy adott eszköz vagy folyamat hőmérsékletének méréséhez, több tényezőt is figyelembe kell venni. Az első természetesen a mérendő hőmérséklet-tartomány. Rendkívül fontos, hogy a mért hőmérsékleti értéktartomány a kiválasztott érzékelőtípus mérési tartományán belül legyen. Ellenkező esetben a helytelenül kiválasztott érzékelővel végzett mérés hamis vagy hiányos információkat eredményezhet a tesztelt környezetben zajló folyamatokról, vagy akár az érzékelő maradandó károsodásához vezethet.
A megfelelő hőmérséklet-tartományú érzékelő kiválasztása pénzügyi okokból is fontos. A drágább, nemesfémekből készült érzékelők mérési tartománya szélesebb, és sokkal magasabb hőmérsékletet mérhetnek, de lehet, hogy ilyen tartomány akár soha nem fordulhat elő abban a folyamatban, amelynek hőmérsékletét mérik. Ebben az esetben a drágább érzékelő vásárlása nem indokolt, és felesleges többletköltségnek bizonyulhat. Egy másik szempont, amelyet figyelembe kell venni, a kábel hossza.
Itt érdemes megjegyezni, hogy más érzékelőkkel ellentétben, köztük néhány hőmérséklet-érzékelővel, a hőelemeknek mindig két vezetékük van. Megfelelő vezetékhosszra van szükség. Ha a vezeték túl rövid, akkor előfordulhat, hogy nem lehet az érzékelőt csatlakoztatni a mérőeszközhöz, és lehet, hogy nem lehet meghosszabbítani a kábelt sem. Másrészt a túl hosszú vezeték nagyobb jelzavarhoz vezethet, amelyet mindenféle elterjedt elektromágneses interferencia okozhat, például a szokásos elektromos hálózatból, AC árammal 50Hz frekvenciával és 230 V feszültséggel. Csatlakozófejjel ellátott hőelemek is találhatók a piacon, azaz a gyártó által biztosított kábel nélkül. Az érzékelőhegyeket speciális hőálló teflon- vagy üvegszálas szigetelés védi, ennek köszönhetően védve vannak a túl magas hőmérséklet és rövidzárlat okozta károsodásoktól.
Az üvegszál jobban ellenáll a magas hőmérsékletnek, és csak 740°C körül lágyul, míg a teflon lágyulási pontja 260°C körül van. Éppen ezért meg kell jósolnia azokat a hőmérsékleti körülményeket is, amelyeknek a hőelem csatlakozó kábele ki lehet téve, és kiválasztani a megfelelő szigetelési hőmérséklettel rendelkezőt.
Az érzékelő hegye és külső méretei szintén fontosak. Általában a csomópont fizikai sérülésektől vagy szennyeződésektől való védelme érdekében a hőelemet henger alakú fém-, kerámia- vagy porcelánhüvelybe helyezik. A mérőhegynek különböző formái vannak: lapos, félig kerek vagy kúpos 118°-os szöggel. Általában egy ilyen érzékelő méreteit az átmérője és a hossza határozza meg, de lezáró szemmel ellátott érzékelők is léteznek.
Természetesen azt sem szabad elfelejteni, hogy a hőelem típusát a mérőrendszeréhez, vagy a mérőrendszert a hőelem típusához kell igazítani. A hőelemeket használó, hőértékek nyomon követésére tervezett rendszerek gyártója világosan meghatározza, hogy milyen típusú érzékelőkre van szükség. A felhasználónak be kell tartania ezeket az irányelveket, hogy megbizonyosodjon arról, hogy a hőmérséklet-érték valós, és hogy elkerülje a használt alkatrészek károsodását.
Raktár:
