Funktionsprinzip und Merkmale von Temperatursensoren, Klassifizierung und Anwendungsbereich

Eine moderne Produktion ist ohne die Automatisierung verschiedener technologischer Prozesse einfach undenkbar. Angefangen vom Atomkraftwerk bis hin zum Auto finden sich überall Elemente der automatischen Steuerung und Regelung der notwendigen Parameter. Druck, Winkel- und Lineargeschwindigkeiten, Temperatur und viele andere Parameter müssen für einen effizienteren Betrieb der gesamten Produktion oder Maschine kontrolliert werden.

Von der Gesamtzahl der überwachten Parameter wird etwa die Hälfte der Temperaturmessung und -regelung entnommen. Und ein der wichtigste Teil des Gesamtsystems ist der Sensor. Da die Bedingungen und Temperaturbereiche stark variieren können, müssen Sensoren und Primär Konverter werden je nach Technologie mit unterschiedlichen Eigenschaften und Qualitäten hergestellt Bedarf.

Der Temperaturmesssensor selbst ist ein Gerät, das einen Messwert aufnehmen und in ein Signal zur weiteren Verarbeitung und Regelung durch ein Steuergerät umwandeln kann. Einfach ausgedrückt ist es ein Umwandler einer Größe (Temperatur) in eine andere Größe (elektrischer Strom, Widerstand), der in der Lage ist das Gerät verarbeiten (z. B. einen Temperaturregler) und anhand der empfangenen Daten die Aktionen ausführen, für die dies Gerät. Wenn die Temperatur beispielsweise den Sollwert überschreitet, kann das Gerät den Stellantrieb ausschalten, um die Wärmequelle (Medium) zu stoppen.

Arten von Temperatursensoren

Aufgrund der Tatsache, dass die Bedingungen und Messbereiche für verschiedene Aufgaben sehr unterschiedlich sein können, bzw. die Anforderungen an die Messung verschiedener Temperaturparameter unterschiedlich sein können, und um bestimmte Aufgaben auszuführen Wärmewandler müssen diese Bedingungen und bestimmte Anforderungen erfüllen. Daher können sie unterschiedlich sein und unterschiedliche Eigenschaften von Materialien bei der Arbeit verwenden. Sensoren sind also:

• Halbleiter;
• Wärmebeständig;
• Akustik;
• Thermoelektrisch;
• Piezoelektrisch;
• Pyrometer.

Wir werden die Funktionen jedes einzelnen kurz beschreiben, damit Sie sich vorstellen können, in welchen Fällen dieses oder jenes Gerät verwendet werden muss.

Halbleiter thermoelektrisch

Thermische Wandler dieser Art sind in der Industrie gefragt, da sie kostengünstige und ziemlich genaue Instrumente mit geringem Fehler sind. Unter Temperatureinfluss registriert ein solcher Sensor Veränderungen der Eigenschaften des pn-Übergangs. Hier kann verwendet werden fast alle Dioden oder Bipolartransistoren. Durch die Abhängigkeit der Spannung am Transistor von der absoluten Temperatur wird eine hohe Genauigkeit von Halbleiter-Temperatursensoren erreicht.

Thermische Widerstandsthermoelektrische Wandler

Die Hauptvorteile solcher Temperatursensoren sind ihre Langlebigkeit, Stabilität und hohe Empfindlichkeit. Sie passen perfekt in fast jedes Schema.

Der Betrieb solcher Wärmewandler beruht auf einer Widerstandsänderung unter Temperatureinfluss an einem Leiter oder Halbleiter. Einfach gesagt, sie einen Thermistor in ihrem Design enthalten, die auf Veränderungen des Messmediums reagiert.

Abhängig vom verwendeten Material der thermoresistiven Temperatursensoren werden diese unterteilt in:

1. Siliziumresistive, die sich durch Langzeitstabilität und hohe Genauigkeit auszeichnen.
2. Resistive Temperaturfühler mit hoher Stabilität, Robustheit und Genauigkeit. Ihre Arbeit basiert auf der Fähigkeit von Metallen, ihren Widerstand unter Temperatureinwirkung zu ändern. Meistens verwenden solche Sensoren Platin oder Kupfer und bei der Steuerung besonders hoher Temperaturen Wolfram. Ihr einziger Nachteil sind ihre relativ hohen Kosten.
3. Thermistoren basieren auf der Verwendung von Metalloxidverbindungen. Sie werden nur zur Messung absoluter Temperaturen verwendet. Die Hauptnachteile sind die Notwendigkeit der Kalibrierung und die Zerbrechlichkeit.

Akustische Näherungsgeräte

Diese Art von Temperatursensor wird hauptsächlich zur Messung von hohen Temperaturen verwendet. Ihr Funktionsprinzip basiert auf der Änderung der Schalleigenschaften bei verschiedenen Temperaturen. Besteht daraus Wärmesensor von Empfänger und Sender. Der Schall, der das untersuchte Medium durchdringt, tritt in den Empfänger ein, wo seine Parameter aufgezeichnet und auf deren Grundlage die Temperatur bestimmt wird.

Akustische Thermosensoren werden häufig in der Medizin eingesetzt und dort, wo es nicht möglich ist, die Temperatur durch Kontaktmethoden zu messen. Einer ihrer Hauptnachteile ist die geringe Genauigkeit der gemessenen Temperaturen und der hohe Fehler aufgrund zusätzlicher Funktionen.

Thermoelektrische Sensoren

Thermoelektrische Sensoren, oder einfacher Thermoelemente, zeichnen sich durch eine große Bandbreite an Messwerten aus - von -200 bis 2200 Grad Celsius. Darüber hinaus hängen ihre Fähigkeiten von den verwendeten Materialien ab. Zum Beispiel können Thermoelemente aus unedlen Metallen messen Temperatur bis 1100 °C, mit Edel bis 1600 °C, und um besonders hohe thermische Bedingungen zu messen, werden Thermoelemente mit Refraktärmetallen wie Wolfram verwendet.

Das Funktionsprinzip thermoelektrischer Sensoren basiert auf dem Seebeck-Effekt, d.h. Übergänge aus unterschiedlichen Metallen werden verwendet, die eine geschlossene Schleife bilden, in der ein elektrischer Strom entsteht, wenn die Übergänge unterschiedliche Temperaturen haben. Das Thermoelement besteht aus zwei Enden: funktionierend und frei. Ersteres taucht direkt in die Arbeitsumgebung ein, letzteres nicht. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz, die in Form einer Ausgangsspannung angezeigt wird, die von einem Multivoltmeter erfasst wird, das oft in einem Set mit einem thermoelektrischen Sensor enthalten ist.

Piezoelektrische Quarzgeräte

Das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Temperatursensors basiert auf der Verwendung eines Quarz-Piezoresonators. Das darin verwendete Piezomaterial spielt die Rolle eines Resonators. Wenn ein elektrischer Strom daran angelegt wird, ist dies das Material fängt an zu zögern wenn sie unterschiedlichen thermischen Moden ausgesetzt sind, ändert sich auch die Schwingungsfrequenz, die die Grundlage piezoelektrischer Sensoren ist.

Berührungslose Pyrometer mit thermischen Wandlern

Berührungslose Sensoren, die die Wärmestrahlung von erhitzten Körpern erfassen können, werden Pyrometer genannt. Der Vorteil solcher Geräte besteht darin, dass sie nicht direkt in der Umgebung platziert werden müssen. Ohne direkten Kontakt ist die Genauigkeit ihrer Messwerte jedoch relativ gering, da Nebenwirkungen auftreten können, die sich auf die Messwerte auswirken.

Es gibt drei Arten von Pyrometern:

1. Interferometrische Pyrometer emittieren zwei Strahlen, von denen einer durch das Medium geht, und der zweite ist der Kontrollstrahl. Diese beiden Strahlen treffen auf ein siliziumempfindliches Element, wonach Brechung und Länge der Strahlen, die direkt von der Erwärmung des Mediums abhängen, verglichen werden.
2. Fluoreszierende Wärmesensoren Sie funktionieren nach einem komplexeren Prinzip: Komponenten auf Phosphorbasis werden dort auf die Oberfläche aufgebracht, wo die Wärmemenge gemessen werden muss. Danach wird das Objekt ultravioletter gepulster Strahlung ausgesetzt, wodurch bestimmte Reaktionen ablaufen und die Strahlung analysiert wird.
3. Sensoren, die Lösungen enthaltendie sich unter Temperatureinfluss verfärben können. Das in solchen Pyrometern verwendete Kobaltchlorid ist in der Lage, bei Kontakt mit dem Messmedium das Farbspektrum je nach Erwärmungsgrad zu verändern. Somit ermöglicht die durch die Lösung hindurchtretende Lichtmenge die Messung der erforderlichen thermischen Parameter.

Auswahlregeln

Alle oben genannten Sensoren funktionieren innerhalb der angegebenen Grenzen hervorragend. Sie müssen jedoch verstehen, dass Sie sie basierend auf den Anforderungen in einem bestimmten Fall auswählen und verwenden müssen.

Daher sollten Sie bei der Auswahl des einen oder anderen Wärmewandlers auf folgende Punkte achten:

1. Der Wert des Temperaturbereichs.
2. Die Möglichkeit, den Sensor in die gemessene Umgebung einzutauchen. Ist dies nicht möglich, lohnt es sich, auf Pyrometer oder akustische Sensoren zurückzugreifen.
3. Messbedingungen sind eine der wichtigsten Überlegungen bei der Auswahl eines Sensors. Hier lohnt es sich, nicht nur die Aggressivität der Umgebung zu berücksichtigen, sondern auch Parameter wie: Druck, Feuchtigkeit usw. Daher lohnt es sich, entweder berührungslose Sensoren oder in korrosionsbeständigen Gehäusen zu wählen.
4. Auch die Art des Ausgangssignals muss immer berücksichtigt werden. Tatsächlich können einige Thermowandler das Signal sofort in Grad umwandeln, während andere es nur in Stromstärke ausgeben.
5. Einige Sensoren sind recht instabil und kurzlebig, was auch berücksichtigt werden sollte. Wenn daher eine lange Arbeit ohne Austausch und Kalibrierung erforderlich ist, muss diese Nuance ebenfalls berücksichtigt werden.
6. Bei der Auswahl eines Sensors für bestimmte Anforderungen ist es sinnvoll, auf Ansprechzeit, Auflösung und Fehler, Betriebsspannung, Gehäuseform zu achten.

Unter Berücksichtigung aller oben genannten Nuancen können Sie einen Sensor auswählen, der seinen Eigenschaften in einer bestimmten Situation und für bestimmte Aufgaben vollständig entspricht.