Temperatura este parametrul cel mai frecvent măsurat, dar în multe privințe, este cel mai puțin înțeles. Temperatura este un parametru surprinzător de dificil de măsurat cu precizie, față de cât s-ar putea aștepta, în mod rezonabil. Pentru a obține o precizie mai bună de 0,2°C, este nevoie de multă atenție la sursele de erori. Erorile apar din cauza repartiției de gradienți de temperatură, de distribuția spațială a componentelor în proiect, neliniaritatea senzorului, de contact termic slab între senzor și dispozitivul măsurat, de abaterea de la calibrarea inițială, de energie radiantă și de autoîncălzirea senzorului.
În general, corectitudinea măsurării pentru orice tip de senzor poate fi mult îmbunătățită prin calibrare individuală. De aceea, pentru mai multe informații, consultați pagina tehnică corespunzătoare pentru fiecare tip de senzor.
Este măsurarea temperaturii dificilă?
Răspunsul depinde de gama de temperatură, materialul măsurat și cerințele de precizie. Tabelul de mai jos rezumă dificultatea de măsurare a temperaturii într-un interval de temperaturi:
Într-un laborator cu standarde și echipamente adecvate, este posibil să se măsoare temperatura cu precizia de 0,001°C (1°mC). Acest lucru se face de obicei prin interpolare (estimarea valorilor) între două standarde, folosind un senzor de temperatură de calitate, din Platină (Pt) și/sau un termocuplu de tip S.
La măsurarea temperaturii, este important să păstrați obiectivele, pentru a identifica exact ceea ce trebuie să fie măsurat și acuratețea necesară. În cazul în care diferențele exacte de temperatură sunt de primă importanță, se folosesc termocupluri pentru a evita nevoia de senzori selectați ca să fie pereche. Vezi: www.capgo.com, la capitolul Resources.
Măsurarea cu precizie a temperaturii
Când utilizăm senzori de temperatură, este util să ne gândim la circulația fluxurilor de căldură. Acest lucru este valabil atât pentru senzorii protejați cât și pentru cei neprotejați într-o teacă. Înțelegerea rezistențelor termice și felul în care acestea sunt situate, este utilă mai ales în identificarea surselor potențiale de erori.
Surse de erori în măsurarea temperaturii
1. Calibrarea senzorului
Erori de calibrare a senzorilor pot fi cauzate de offset, de scalare și liniaritate. În plus, fiecare dintre aceste erori poate avea derivă de timp și la cicluri de temperatură. Uneori poate fi și un efect de histerezis (în cazul în care o valoare depinde de direcția din care a fost abordat) la unii senzori, dar efectul este de obicei mic, cu excepția benzii bimetalice, unde poate fi de mai multe grade. Rezistențele RTD Platinum sunt considerate cele mai exacte și stabile dintre toți senzorii standard. Termocupluri calibrate individual pot măsura în același domeniu de temperatură ca RTD, dar și pe un interval de temperatură mai ridicată. Interschimbabilitatea senzorului este de multe ori factorul decisiv în alegerea tipului de senzor. Aceasta se referă la eroarea maximă de citire a temperaturii care poate apărea la înlocuirea unui senzor cu altul de același tip, fără recalibrarea sistemului.
2. Gradienți termici în material
Gradienții termici sunt adesea o sursă majoră de eroare în măsurare. Acest lucru este valabil mai ales atunci când se măsoară materiale cu o conductivitate termică slabă, repartizarea căldurii nefiind omogenă. Gradienții pot fi minimizați prin izolarea sistemului de măsurat, pentru a preveni transferul de căldură în sau din sistem. Folosirea mai multor senzori pentru o diversitate spațială și o medie a valorilor măsurate este o altă soluție.
3. Conducția de căldură în firele de conectare a senzorului
Toți senzorii, cu excepția non-contact și cei conectați cu fibră optică, necesită ca firele conductoare, ce sunt, de obicei, din cupru – un excelent conductor de căldură, să fie aduse la senzor. Plasarea acestor fire poate avea un impact semnificativ asupra preciziei. Firele permit fluxul de căldură în sau în afara corpului senzorului. La măsurarea temperaturii materialelor de izolare termică, acest lucru poate fi o sursă majoră de eroare. Există trei soluții, care sunt bune în practica standard:
• Utilizarea de fire la fel de subțiri ca terminalele senzorului. (Notă: acest lucru contrazice o bună practică pentru măsurarea cu un termocuplu la temperatură ridicată, caz în care se aplică regula inversă – conductor gros – pentru avea căderi de tensiune mici)
• Poziționarea firelor în sau pe materialul de măsurat, astfel încât să ajute efectiv în transferarea temperaturii de la material la senzor.
• Minimizarea gradientul termic de-a lungul firelor legate la senzor prin plasarea firelor de legătură la un unghi drept pe materialul măsurat. Acest lucru asigură o rezistență termică mai mare, din cauza lungimii mai mari a firelor conductoare.
4. Radiația de căldură
Radiația de căldură poate fi o sursă majoră de eroare în măsurarea temperaturii. Pentru a evita această eroare, senzorul trebuie să fie protejat de sursa de energie radiantă. Cele mai bune soluții sunt următoarele:
• Suprafața externă a senzorului este reflectorizantă de radiații infraroșii (vopsită în alb sau are un finisaj metalic strălucitor)
• Senzorul termic este “bine conectat” având un raport bun suprafață / volum. Senzorii buni sunt în general mai mici.
• Pierderea de căldură radiantă poate fi o sursă de eroare pentru un senzor la măsurarea de temperatură ridicată. Se utilizează un finisaj cu suprafață reflectorizantă înapoi pe senzor, dacă este posibil, pentru a asigura un contact termic bun cu mediul care este măsurat.
5. Auto-încălzirea senzorului
Termistoarele, termorezistențele RTD și senzorii cu semiconductoare necesită o putere de excitație, pentru fi utilizate. Această putere poate încălzi senzorul, provocând o citire eronată, cu o valoare mai mare. Efectul depinde de dimensiunea elementului de detectare și de nivelul de putere. De obicei, amploarea efectului de auto-încălzire este între 0,1°C și 1,5°C.
Cele mai bune soluții sunt următoarele:
• Calibrarea efectului de auto-încălzire. Aceasta este, probabil, cea mai ușoară soluție. Cu toate acestea, echipamentului trebuie să i se acorde timp pentru a “se încălzi” și apoi, etalonări sunt necesare pentru medii având caracteristici termice diferite.
• Se va folosi cea mai mică putere de excitație posibilă. Cu toate acestea, trebuie să se facă un compromis între auto-încălzire și de sensibilitate (și raportul semnal-zgomot).
• Se evită senzorii cu volum inutil de mic – ei vor mai genera mai multă căldură proprie decât elemente mai mari.
• Se poate deconecta puterea de excitație între citiri. Aceasta este cea mai bună soluție în cazul în care citirile se pot face rapid, înainte ca senzorul să aibă timp să se auto-încălzească, lăsând un timp de răcire.
• Se evită tipuri de senzori cu auto-încălzire, utilizând termocupluri sau dispozitivul de măsurare să folosească un senzor de temperatură cu joncțiune de referință, dar care este ea însăși predispusă la auto-încălzire.
5. Contactul termic
Evident, contactul termic cu materialul care este măsurat este important, dar gradul de contact este dependent de alte conexiuni termice parazitare la împrejurimi, care sunt susceptibile de a avea un impact semnificativ asupra fluxului de căldură. Acestea includ: trasee conductive pe placa de circuit, contactul inevitabil și direct cu alte materiale (aer) și transfer radiant de energie. Dacă nu există un gradient de temperatură în apropierea senzorului, contactul termic al senzorului poate fi slab, iar senzorul va oferi încă citiri precise.
6. Constanta de timp
Atunci când temperatura se schimbă, este nevoie de timp pentru ca un senzor să o sesizeze. Unii senzori răspund rapid, unii în mai puțin de o secundă, în timp ce alții în minute sau chiar ore.
Timpul necesar pentru a atinge 63% din nivelul spre noua temperatură este numit “constanta de timp termică”. Majoritatea senzorilor au o constantă timp dominantă pentru un anumit tip de senzor. Evident, dacă temperatura se schimbă mai repede decât un senzor este capabil de a o urmări, măsurarea va fi eronată.
Cele mai bune soluții includ următoarele:
• Utilizarea unui senzor care răspunde mai rapid.
• Îmbunătățirea contactului termic, folosind paste conductive termal pentru a elimina aerul.
• Reducerea masei termice a senzorului, prin reducerea la un minimum de material în contact cu elementul detector și care nu este asociat cu îmbunătățirea de contact termic.
• Compensarea citirilor folosind un filtru de potrivire inversă (inverse matching filter). Dacă proprietățile termice ale sistemului sunt constante și cunoscute, este posibil să se prevadă dinamic temperatura.
Uneori, constante de timp lung sunt utile în obținerea unui efect de mediere pentru o temperatură fluctuantă rapid. Dacă acest efect este aplicat, trebuie să fie luată în considerare compensarea de fază (timp) în întârzierea răspunsului.
7. Erori de citire
Dispozitivul de măsurare conectat la senzorul de temperatură nu este perfect. Dispozitivul de măsurare (indicator, înregistrator, dispozitiv de achiziţie de date) poate avea erori dependente de calibrare, liniaritate și de temperatură.
Aceste erori pot fi reduse prin:
• Calibrarea dispozitivului de citire folosind referințe cunoscute.
• Calibrarea totală a senzorului incluzând și sistemul de citire, folosind o temperatură de referință sau față de un termometru de precizie (sticlă sau bazat pe RTD+citire).
Efectul temperaturii de pe dispozitivul de citire poate fi o sursă subtilă de eroare. Se recomandă ca un test se efectueze în cazul în care temperatura senzorului este menținută constantă, dar dispozitivul de citire să fie plasat într-un cuptor sau congelator la o temperatură constantă. Acest lucru este deosebit de important pentru dispozitive de citire bazate pe termocuplu, fiindcă performanțele lor pot fi foarte afectate de gradienții de temperatură și calitatea de detectare a joncțiunii de referință internă.
Măsurarea cu precizie a temperaturii cu termistoare NTC
Un termistor este un tip de rezistor a cărui rezistență variază semnificativ cu temperatura, mai mult decât în rezistențele standard. Termistoarele sunt utilizate pe scară largă ca limitatoare de curent la pornire, senzori de temperatură, protecție la supracurent cu auto-resetarea și elementele de încălzire cu autoreglare. Termistoarele diferă de senzorii de temperatură de tip rezistență (RTD), fiindcă materialul utilizat într-un termistor este în general ceramic sau un polimer, în timp ce în RTD se folosesc metale pure. Răspunsul la temperatură este de asemenea diferit. RTD sunt utile în intervale de temperatură mai mari, în timp ce termistoarele realizează în mod tipic o precizie mai mare într-un interval limitat de temperaturi, de obicei -90°C la 130°C. Aplicațiile sunt numeroase, la un cost redus:
Termistoarele NTC:
• sunt folosite la măsurători de temperatură joasă, de ordinul a zeci de grade Celsius.
• pot fi folosite la limitarea curentului de pornire (inrush-current) la conectarea circuitelor de alimentare. Ele prezintă o rezistență mai mare la început, limitând curenții mari, iar apoi se încălzesc și apoi au o rezistență mult mai mică și permit curentul la nivel nominal, de funcționare normală. Aceste termistoare au de obicei un gabarit mult mai mare decât termistoarele de măsurare și sunt special proiectate pentru această aplicație.
• sunt utilizate în aplicații auto. De exemplu, ele monitorizează temperatura lichidului de răcire și/sau temperatura uleiului în interiorul motorului și furnizează date unității electronice de control (ECU) și, în mod indirect, la tabloul de bord.
• pot fi utilizate pentru a monitoriza temperatura unui incubator.
• sunt, de asemenea, frecvent utilizate în termostate digitale și pentru a monitoriza temperatura pe baterii în timpul încărcării.
• sunt adesea folosite în capetele calde de imprimante 3D, pentru a monitoriza căldura produsă și a permite controlul circuitelor imprimantei menținând o temperatură constantă pentru topirea filamentul din material plastic.
• sunt folosite în operații din industria alimentară și de prelucrare, în special pentru sistemele de depozitare și de preparare a alimentelor, unde menținerea temperaturii corecte este esențială pentru a preveni degradarea alimentelor.
• sunt folosite în industria de aparate electrocasnice pentru măsurarea temperaturii în prăjitoare de pâine, cafetiere, frigidere, congelatoare, uscătoare de păr etc.
• sunt plasate în diverse puncte specifice de detectare chiar în interiorul unor componente electronice pentru a obține o mai mare precizie.
Continuare în numărul viitor.
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro
ECAS
ELECTRO este distribuitor autorizat al produselor EPCOS (www.epcos.com).