Denken Sie an das letzte Heizsystem, das Sie und Ihr Team entworfen haben. An welchem Punkt hat das Team die Notwendigkeit von Temperatursensoren und die Integration der Geräte in das System angesprochen? Wenn es gegen Ende war, sind Sie nicht allein. Oft sind Sensoren die vergessenen Geräte, wenn Systeme entwickelt werden. Leider führt dieser Ansatz zu Verzögerungen und erhöhten Kosten, da das System oft neu gestaltet werden muss.
Die Integration von Sensoren in das Design und das Nachdenken über Sensoren zu Beginn des Entwicklungsprozesses ermöglicht es Ihnen, die richtigen Sensoren an der richtigen Stelle zu platzieren und gleichzeitig die für die Sensoren benötigten Drähte und andere Komponenten zu schützen.
Aber welche Art von Sensor benötigen Sie? Wie wird der Systemprozess – über einen Regler oder eine programmierbare Logiksteuerung verbunden? Was ist die optimale Platzierung des Sensors, um den genauesten und zuverlässigsten Messwert zu erhalten? Dies sind wichtige Fragen bei der Auswahl eines Temperatursensors, und die Experten von Watlow sind darauf vorbereitet, Ihnen bei der Auswahl der besten Lösung für Ihr einzigartiges System zu helfen.
Thermoelemente, RTDs und Thermistoren, Oh My!
Sensoren gibt es in drei gängigen Typen: Thermoelemente, Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) und Thermistoren. Jedes hat spezifische Eigenschaften, von Haltbarkeits- und Temperaturbereichen bis hin zu Genauigkeit und Größe, und diese Eigenschaften definieren die Vor- und Nachteile eines bestimmten Sensors. Lassen Sie uns einen Blick auf jeden Typ werfen.
Thermoelemente
Thermoelemente werden typischerweise in Anwendungen mit extremen Hochtemperaturen eingesetzt, wie z. B. Wärmebehandlungsanwendungen, Öfen, Öfen, Autoklaven, Halbleiterverarbeitung, Glasverarbeitung und Metallverarbeitung. Diese Sensoren arbeiten oft unter Bedingungen von 2000 Grad Fahrenheit und sie sind in der Lage, Temperaturen von bis zu 4200 Grad Fahrenheit zu widerstehen.
Thermoelemente sind ein relativ einfaches Design von zwei unterschiedlichen Metallen, die mit verdichtetem Keramik-Magnesiumoxid oder einem anderen Keramikmaterial verbunden und umhüllt sind. Wenn der Sensor in den Prozess eingesetzt wird, erzeugen die Drähte ein kleines elektrisches Signal oder eine Spannung, wenn sich die Temperatur ändert. Obwohl das Design relativ einfach ist, erfordern Thermoelemente im Vergleich zu RTDs und Thermistoren komplexe Elektronik im Regler.
Das einfache Design macht Thermoelemente zu robusten und robusten Geräten. Sie widerstehen extremen Temperaturen, Vibrationen und physischem Kontakt. Dies wird am besten in einer Luft- und Raumfahrtanwendung veranschaulicht. Thermoelemente werden verwendet, um die Temperatur von Abgasen an Turbinenmotoren zu überwachen, was bedeutet, dass sie in der Lage sind, sich schnell ändernde extreme Temperaturänderungen – von Gefriertemperaturen auf Tausende von Grad in einem kurzen Zeitrahmen – und den heftigen Schub des Abgases zu bewältigen.
Sie sind auch klein, schnell und flexibel. Einige Thermoelement-Sensoren sind so klein wie Zehntausendstel Zoll im Durchmesser, dass sie extrem schnell sind. Sie können in eine Vielzahl von Konfigurationen gebogen werden, was den Designern Flexibilität bei der Verpackung bietet.
Thermoelemente sind jedoch nicht die genauesten Sensoren, noch sind sie wiederholbar oder stabil. Abweichungen im Legierungsgemisch können den Ausgang des Sensors verändern. Obwohl es in einigen Branchen Toleranzen für diese Ungenauigkeiten gibt, ist es möglicherweise nicht so wünschenswert für Anwendungen, die eine genaue Genauigkeit erfordern. Darüber hinaus neigen Thermoelemente zu Driften, was die Verschlechterung der Genauigkeit im Laufe der Zeit ist.
Die Genauigkeit eines’ Thermoelements kann plus oder minus ein oder zwei Grad außerhalb des Gehäuses liegen. Im Laufe der Zeit und besonders bei höheren Temperaturen kann die Genauigkeit auf 10 Grad oder mehr treiben. Das Driften tritt auf, wenn sich die Chemie der Metalle ändert.
Widerstandstemperatur-Detektoren (RTD)
Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) sind hochgenaue, präzise und wiederholbare Sensoren, da der Widerstand aus reinem Platin besteht. RTDs werden typischerweise in der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, in der Biotechnologieindustrie, in der pharmazeutischen Entwicklung, in der chemischen Verarbeitung und in Umweltkammern eingesetzt. In einigen Fällen werden RTDs in der Halbleiterverarbeitung verwendet.
RTDs haben Einschränkungen bei der Verpackung. Sie sind starre Geräte, die sich nicht biegen oder biegen lassen. Das 1-Zoll-lange Element wird mit einem Platindraht mit kleinem Durchmesser aufgewickelt und in einen Keramikmantel gewickelt. Das endgültige Design ähnelt einer 1-Zoll-Lampe. Die kleinsten RTD-Sensoren haben einen Durchmesser von 16 Zoll. Obwohl klein, ist es nicht annähernd so klein wie ein Thermoelement.
Darüber hinaus sorgt die Punktempfindlichkeit von RTDs für eine zusätzliche Komplexität. Betrachten Sie eine lebensmittelverarbeitende Anlage, die eine Fritteuse verwendet. RTD-Sensoren müssen weit genug in das Medium eingetaucht werden, um einen Stammverlust zu vermeiden. Dies ist eine Situation, in der der Sensor teilweise die Umgebung ausliest, in der der Rest des Sensors ausgesetzt ist.
Mit wenigen Ausnahmen haben RTDs eine maximale Temperaturbewertung von etwa 1.200 Grad Fahrenheit. Im Gegensatz zu Thermoelementen leiden RTDs nur dann unter Drift, wenn sie routinemäßig Temperaturen ausgesetzt sind, die die vorgesehene Nennleistung überschreiten.
Thermistoren
Ähnlich wie bei RTDs basieren Thermistoren auf Widerstandsänderungen. Im Gegensatz zu RTDs bestehen Thermistoren aus einer Aufschlämmung von Oxiden anstelle von reinem Platin. Durch die Verwendung von Mischoxiden können Hersteller von Thermistoren Temperaturkurven für die jeweilige Anwendung charakterisieren und erstellen. Gemischte Materialien, in diesem Fall, verhindern eine lineare Temperaturerhöhung des Sensors. Stattdessen wird die Temperaturanzeige durch den Widerstand beeinflusst, wodurch ein gekrümmter Verlauf entsteht.
Dies kann für viele Anwendungen eine Herausforderung darstellen, aber es bedeutet, dass der Sensor für eine bestimmte Anwendung ausgelegt ist. Im Allgemeinen sind Thermistoren für Temperaturen unter 500 Grad Fahrenheit ausgelegt und eignen sich am besten für sehr kleine Temperaturbereiche. Beispielsweise verwenden Blutanalysatoren oft Thermistoren, da die Temperatur des Blutes nur eine winzige Menge schwanken kann. Bediener der Maschine benötigen einen hochempfindlichen Sensor, der eine leichte Temperaturänderung sehr schnell erkennen kann. Thermistoren leuchten in diesen Anwendungen.
Obwohl einige Hochtemperatur-Thermistoren verfügbar sind, haben die meisten einen sehr begrenzten nützlichen Temperaturbereich. Das Genauigkeitsband ist sehr klein, und Thermistoren neigen dazu, bei erhöhten Temperaturen zu driften.
Diese Sensoren sind ideal für Heizungs-, Lüftungs- und Klimasysteme (HVAC), medizinische Anwendungen wie die Analyse von Blut oder Körperflüssigkeit und die Anzeige der Außentemperatur auf dem’ Armaturenbrett eines Fahrzeugs.
Wie RTDs sind Thermistoren empfindliche Sensoren, die nicht viel Vibration oder Biegung standhalten können.
Welcher Sensortyp ist für meine Anwendung geeignet?
Wie Sie sehen können, haben die drei Arten von Sensoren eine große Variabilität in Bezug auf Fähigkeiten und Funktionalität. Die Auswahl des richtigen Temperatursensors hängt von der Temperatur und den Genauigkeitsanforderungen des Systems ab. Im Allgemeinen wird die Auswahl nicht durch die Art des Heizelements bestimmt. Hinweis: Eine Ausnahme ist, wenn der Sensor in das Heizelement-Paket integriert ist. Wenn beispielsweise ein Sensor in einem Heizelement platziert wird, wird ein Thermoelement aufgrund seines geringen Durchmessers, seiner Haltbarkeit und seiner Fähigkeit, den höheren Temperaturen im Heizelement zu widerstehen, empfohlen.
Bei der Auswahl eines Sensors können Thermoelemente Temperaturen von bis zu 4200 Grad Fahrenheit im Vergleich zu den niedrigeren Temperaturen widerstehen, die für RTDs (bis zu 1200 Grad) und Thermistoren (bis zu 500 Grad) akzeptabel sind. Andererseits sind Thermistoren und RTDs genauer als Thermoelemente. Der richtige Kompromiss hängt von den Anforderungen des Systems ab.
Wo sollte ein Sensor platziert werden?
Die Systemanforderungen bestimmen einmal mehr so viel für Sensoren. Die richtige Platzierung für den Sensor ist nicht anders.
Betrachten Sie den Ofen in Ihrem Zuhause. Wenn Sie eine Pizza oder einen Kuchen backen, möchten Sie wissen, dass die Temperatur in der Mitte des Ofens genau das ist, was das Rezept braucht. Angenommen, das Heizelement befindet sich oben im Ofen. Wenn die Sensorpositionierung im Ofen zu hoch ist, wird die Temperatur des Heizelements stärker gemessen als die Temperatur in der Mitte des Ofens. Der Kuchen wird untertrieben. Stellen Sie den Sensor zu niedrig in den Ofen, und die Mitte des Ofens ist wärmer als die Anzeige und der Kuchen ist überbacken.
Was ist der ideale Ort? Leider kann sich der Sensor nicht in der Mitte des Ofens befinden, da er beim Ein- und Ausziehen der Speisen brechen könnte. Sollte die Sensorspitze durch die Wand stoßen oder ist ein längerer Sensor, der an die Ofenwand geklemmt wird, eine bessere Lösung? Jede Antwort enthält Kompromisse, die der Systemdesigner wiegen muss.
Die Eintauchtiefe ist bei anderen Anwendungen wie der Temperatur der Flüssigkeit, die durch ein Rohr läuft, eine Überlegung. In diesem Beispiel können Flüssigkeitsdurchflussrate und Außentemperatur den Messwert am Sensor beeinflussen.
Wenn die Umgebungstemperatur kalt ist, aber das System heiße Flüssigkeit hat, die durch das Rohr läuft, wird die Umgebungstemperatur Wärme vom Rohr und vom Sensor weg abführen. Wenn sich der Sensor nicht an der richtigen Stelle befindet oder wenn die Durchflussrate in einem Teil des Rohres schneller oder langsamer ist, können die Messwerte sehr unterschiedlich sein, obwohl sich die Temperatur des Fluids nicht ändert. Ein Fehler bei der Platzierung könnte zu falschen Messwerten und kostspieligen Fehlern im Prozess führen.
Wartung und Austausch von Sensoren
Sensoren können viele Jahre lang genau und effizient arbeiten, wenn die Umgebung und der Einsatz für den Sensor geeignet sind. Wie oben erwähnt, sind Thermoelemente robuster und können funktionieren, wenn sie Vibrationen und hohen Temperaturen ausgesetzt sind. RTDs und Thermistoren sind empfindlicher. Für jeden Sensortyp kann die Lebensdauer unter idealen Bedingungen 20 bis 25 Jahre betragen. Unter rauen Bedingungen kann die Lebensdauer drei bis fünf Jahre oder weniger betragen.
Vorzeitige Sensorausfälle treten am häufigsten auf, wenn der Sensor Temperaturen ausgesetzt wird, die die maximale Nennleistung überschreiten. Wenn der Sensor Temperaturen ausgesetzt ist, die über seiner Nenntemperatur liegen, verschlechtert er sich und seine Lebensdauer wird verkürzt. Eine weitere häufige Ursache für einen Sensorausfall ist das Eindringen von Feuchtigkeit. Alle Sensoren sind anfällig für Feuchtigkeit, wenn sie nicht richtig abgedichtet sind, insbesondere Sensoren, die in feuchten Umgebungen arbeiten. Wenn Feuchtigkeit in den Sensor eindringt, bricht der Isolationswiderstand ab und es wird kurzgeschlossen.
Die Überwachung und der proaktive Austausch von Sensoren, die anfällig für raue Bedingungen sind, können von Vorteil sein. Ein unerwarteter Sensorausfall kann zu Ausfallzeiten führen, was zu Produktivitätsverlusten führt. Dies kostet Ihr Unternehmen Zeit und Geld. Der Austausch von Sensoren nach einem vorgegebenen Zeitplan ermöglicht es Ihrem Team, Ausfallzeiten vorzuplanen und Produktionsverluste zu minimieren.
Redundante Sensoren für Sicherheit
Sensorausfälle führen zu Sicherheitsbedenken. Infolgedessen sind viele Systeme mit redundanten und Hochgrenzwertsensoren ausgestattet, um ein System abzuschalten, wenn die Temperatur auf unsichere Werte ansteigt. Gehen wir zurück zur Zubereitungsanlage und der Fritteuse. Wenn der RTD-Sensor ausfällt, während das Element erwärmt wird, steigt die Öltemperatur weiterhin auf unsichere Werte an, da der Schalter nicht die Informationen erhält, die er zum Ausschalten des Heizelements benötigt. Irgendwann würde sich das Öl entzünden und ein Feuer auslösen.
In einer solchen Durchlaufsituation schaltet der obere Grenzwertsensor das gesamte System ab, wenn die Temperatur ein bestimmtes Niveau überschreitet. Hinweis: In diesem Beispiel gibt es wahrscheinlich andere Sicherheitsmaßnahmen, wie z. B. die Überwachung des Ölstands.
In einigen Fällen werden Systemdesigner zusätzliche Sensoren einbauen. Wenn einer ausfällt, schaltet der Bediener einen Schalter um, um den anderen Sensor zu aktivieren. Dieser Ansatz wird häufig in Anwendungen verwendet, in denen die Installationskosten teuer sind, das System an einem entfernten Standort betrieben wird oder es ein bedeutender Prozess ist, wie z. B. bei Raffinerien. In diesen Situationen wird das System erstellt, so dass der Bediener nicht daran denken muss, Sensoren zu ersetzen oder einen Außendiensttechniker zu planen, um das ausgefallene Gerät zu ersetzen.
Die Experten’von Watlow sind Branchenführer bei Sensoren
Die Auswahl und Implementierung des richtigen Sensors ist nicht nur ein Sicherheitsproblem, sondern kann sich auch auf die Effizienz und Produktivität Ihres Prozesses und letztendlich auf den Umsatz auswirken. In der Halbleiterindustrie könnte ein Zehntelgrad an verlorener Genauigkeit zu einem zehntel Prozent oder mehr an verlorener Ausbeute führen. Im Halbleitersektor bedeutet das Hunderttausende von Dollar.
In anderen Anwendungen kann die Berücksichtigung von Sensoren zu spät in der Designphase zu einer schlechten Position des Sensors führen, was zu Systemproblemen oder der Notwendigkeit einer kompletten Neugestaltung des Systems führt. Wenn Sie heute nicht an einen 30-Dollar-Sensor denken, könnten dies später zu Kosten für die Neugestaltung von Hunderttausenden von Dollar führen.
Wenden Sie sich noch heute an einen Watlow-Vertreter. Unser Team wird Ihnen dabei helfen, den richtigen Sensor für Ihre Anwendung zu finden. Unsere Sensorexperten sind darauf vorbereitet, Ihr Team bei der Implementierung der besten Lösung mit Best Practices der Branche zu unterstützen, um die besten Ergebnisse aus Ihren Sensoren und Ihrem System zu erzielen.