Lämpötilamuunnin: Mikä se on? (Tyypit & Esimerkit)

Mikä on lämpötilaanturi?

Lämpötilaanturi on laite, joka muuntaa lämpötilan fyysiselle suurelle, kuten mekaaniseksi energiaksi, paineeksi tai sähköisiksi signaaliksi jne. Esimerkiksi termoparissa sähköinen potentiaaliero syntyy sen päätepisteiden lämpötilavaihtelun vuoksi. Siksi termopari on lämpötilaanturi.

Lämpötilaanturien päätavoitteet

• Niihin syötettyjä arvoja ovat aina lämpötilamäärällisiä

• Ne yleensä muuntavat lämpötilan sähköiseksi määräksi

• Niitä käytetään yleensä lämpötilan ja lämmönvirtauksen mittaamiseen

Lämpötilaanturien perusskeema

Lämpötilaanturien perusskeema annetaan seuraavissa vaiheissa
Havaintoelementti.

Havaintoelementti lämpötilaantureissa on elementti, jonka ominaisuudet muuttuvat lämpötilan muuttuessa. Kun lämpötila muuttuu, kyseisen elementin tietty ominaisuus muuttuu vastaavasti.

Esimerkki – Vastuslämpömittarin (RTD) havaintoelementti on platina.

Havaintoelementin valitsemista koskevat toivottavat ehdot ovat seuraavat

• Muutos materiaalin yksikköresistanssissa yksikkölämpötilamuutoksen kohdalla pitäisi olla suuri

• Materiaalilla pitäisi olla korkea vastuskyky, jotta materiaalin käyttö olisi mahdollisimman pieni

• Materiaalilla pitäisi olla jatkuva ja vakaa suhde lämpötilaan

• Transduktioelementti
  Se on elementti, joka muuntaa havaintoelementin tuloksen sähköiseksi määräksi. Havaintoelementin ominaisuuden muutos toimii sen tuloksena. Se mitataan havaintoelementin ominaisuuden muutosta. Transduktioelementin ulostulo kalibroidaan antamaan luku, joka edustaa lämpötilan muutosta.

Esimerkki – Termoparissa potentiaaliero, joka syntyy kahden pisteen välillä, mitataan voltmetrillä, ja jänniten kalibroinnin jälkeen saatu suuruus antaa tiedon lämpötilan muutoksesta.

Lämpötilaanturien tyypit

Kontaktilämpötilasensorityypit

Näissä havaintoelementti on suorassa yhteydessä lämpölähdeeseen. Ne käyttävät lämmön siirtymistä johtavuuden avulla.

Yhteyttömät lämpötilasensorityypit

Yhteyttömässä lämpötilasensorissa elementti ei ole suorassa yhteydessä lämpölähdeeseen (vastaavasti kuin yhteyttömässä jännitesensorissa tai jännitekynässä). Yhteyttömiä lämpötilasensorit käyttävät konvektion periaatetta lämmön kuljetukseen. Alla kuvataan erilaisia yleisesti käytettyjä lämpötilaantureita:

Termistori

Sana termistori voidaan kutsua myös lämpötilaresistoreksi. Nimen mukaisesti kyseessä on laite, jonka vastus muuttuu lämpötilan muuttuessa. Korkean herkkytensä vuoksi ne käytetään laajasti lämpötilan mittaamiseen. Niitä kutsutaan usein ideaaliseksi lämpötilaantureiksi. Termistorit koostuvat yleensä metallioksideista.

Termistorien ominaisuudet

• Neillä on negatiivinen lämpökerroin, eli termistorin vastus vähenee lämpötilan nousessa

• Ne on tehty puolijuovamateriaaleista

• Ne ovat herkempiä kuin RTD:t (Vastuslämpömittarit) ja termoparit

• Niiden vastus on välillä 0,5Ω–0,75 MΩ

• Niitä käytetään yleensä sovelluksissa, joissa lämpötilan mittausalue on -60°C–15°C.

Vastuslämpömittarit

Toinen lämpötilaanturityyppi on Vastuslämpömittari (RTD). RTD:t ovat tarkkoja lämpötilasensorit, jotka valmistetaan korkean puhtauden johtavista metaleista, kuten platina, kupari tai nikeli, jotka on pyöritetty piiriksi, ja joiden sähköinen vastus muuttuu lämpötilan muuttuessa, samalla tavalla kuin termistorin tapauksessa.

Niiden vastus muuttuu seuraavan kaavan mukaan,

R = Elementin vastus tietyllä lämpötilalla
α = Elementin lämpökerroin
Ro = Elementin vastus 0°C:ssä

RTD:n päätavoitteet

• Ne ovat erittäin herkkä ja halpa verrattuna termistoreihin ja termopareihin

• Ne voivat mitata lämpötilan -182,96°C–630,74°C

Termoparit

Termoparit ovat lämpötilaantureita, jotka koostuvat kahdesta erilaisten metallien, kuten kuparin ja constantanin, yhdistelmästä, jotka on liitetty. Yksi yhteyspidetty vakiona kutsuttuun viite- (kylmään) yhteyteen, kun taas toinen mittaus- (kuumalle) yhteyteen. Kun kaksi yhteyttä ovat eri lämpötiloissa, yhteyksien välille syntyy jännite, jota käytetään lämpötilan mittaamiseen.

Termoparin periaate