Teplota je druhou nejčastěji měřenou fyzikální veličinou hned po měření času. Teplota hraje důležitou roli jako indikátor stavu výrobků nebo částí strojů a zařízení, ať už ve výrobě nebo při kontrole jakosti. Přesné monitorování teploty zlepšuje kvalitu výrobků, zvyšuje produktivitu a snižují se prostoje, protože výrobní proces může probíhat bez přerušení a za optimálních podmínek.

Samotné měření teploty lze rozdělit na dva sériově spojené bloky převodu teploty na elektrický signál a na blok zpracování tohoto elektrického signálu. V tomto přehledu bych se hlavně zaměřil na prvně jmenovaný blok. Ten obsahuje tzv. senzory teploty, které mohou pracovat na nejrůznějších principech. Vždy se však využívá vlastností materiálů, které v jiných aplikacích  obvykle považujeme za parazitní a nežádoucí.

Senzory teploty lze rozdělit do dvou hlavních skupin :

• Dotykové měření – senzor musí být připevněn (dotýkat se ) objektu či látky, jejíž teplotu má měřit. Využívá se zde přenosu tepla mezi dvěma objekty. Lze ho využít všude tam, kde je snadný přístup k měřenému objektu, okolní prostředí nebo sám měřený objekt chemicky nebo jinak nereaguje se senzorem.

• Bezdotykové měření – senzor se nachází v určité vzdálenosti od měřeného objektu a tím nedochází k vzájemnému ovlivňování. Využívá se zde jevu, kdy každý objekt o určité teplotě vyzařuje určitou vlnovou délku infračerveného záření - pyrometrie.

Dotykové měření teploty

Již z výše uvedeného označení je patrné, že měření teploty daného tělesa probíhá přímým přiložením a dotykem měřícího senzoru na jeho povrch (vnější měření - obvykle pevná tělesa) či případně zasunutím do vnitřní struktury materiálu (vnitřní měření - porézní pevná nebo kapalná a plynná tělesa). Samotný základní princip dotykového měření pak spočívá v přenosu tepla materiálu snímaného objektu přes krycí pouzdro samotného senzoru na jeho měřící místo prostřednictvím tepelné vodivosti materiálů. 

• Obecné výhody: malý vliv okolního rušení a vlivů na samotné měření = možnost i velmi přesného měření, snadná výroba a použití senzoru, možnost měřit teplotu i uvnitř tělesa (pod jeho povrchem).

• Obecné nevýhody: často jen poměrně malý rozsah měřené teploty (jen několik stovek °C), rychlost měření závislá na tepelné vodivosti pouzdra senzoru i povrchu měřeného objektu (média), možné ovlivňování měřeného předmětu samotným senzorem (odvod tepla do senzoru, kontaminace látky či objektu látkami či bakteriemi na povrchu senzoru / sondy apod.), pouzdro senzoru je nutné volit (měnit) podle vlastností měřeného materiálu s nímž přichází do styku.

Odporové kovové senzory

Princip funkce: teplotní závislost odporu kovu na teplotě. Ta je způsobena rostoucím počtem srážek volných elektronů s kladnými ionty v mřížce ve vnitřní struktuře kovu při zvyšující se teplotě.

Výhody: vysoký rozsah měřitelných teplot, dobrá linearita, časová stálost a možnost použít větších hodnot proudů pro snímání odporu.

Nevýhody: malý teplotní součinitel (tj. malá citlivost = malý výstupní signál) a pomalá reakce na změnu teploty (není vhodné pro systémy s velkou dynamikou změn teplot).

Převodních charakteristika různých typů dotykových odporových senzorů teploty (vlevo) a příklad zapouzdření platinového čidla Pt100 (vpravo).

Typy odporových kovových senzorů:

• Platinové
  • Typický měřící rozsah : -200 °C až +1000 °C.
  • Závislost odporu R na teplotě T : R = R₀ ( 1 + 3,908.10^-3 T - 0,5802.10^-6 T²).
  • Výroba: v hodnotách R₀ = 100 ohm (Pt100), 200 ohm (Pt200), 500 ohm (Pt500), 1k ohm (Pt1000), příp. 2k ohm (Pt2000) v podobě drátový zatavený do keramiky nebo skla nebo navinutý na pertinaxové nebo slídové podložce a v tolerančních třídách A (rozsah -200 °C až +650 °C) a B (rozsah -200 °C až +850 °C) .
  • Využití: jako ponorný senzor pro  měření teplot vody v topných a chladicích systémech, teploty páry, jako sondy pro měření teploty pečícího se pečiva v pekárnách a dále všude, kde se měří vysoké teploty ( například regulace pecí tavby hliníku)  atd.
• Niklové
  • Typický měřící rozsah : -60 °C až +180 °C.
  • Závislost odporu R na teplotě T : R = R₀ ( 1 + 3,83.10^-3 T + 4,64.10^-6 T² ).
  • Výroba: v hodnotách R₀ = 100 ohm (Ni100), 200 ohm (Ni200), 500 ohm (Ni500), 1k ohm (Ni1000), příp. 2k ohm (Ni2000) tenkovrstvou technologií na keramické podložce z jemného korundu, kdy se přesná hodnota odporu nastavuje laserem.
  • Výhody proti platinovým: rychlejší odezva na změny teplot, vyšší citlivost a malé rozměry.
• Měděné
  • Typický měřící rozsah: -200 °C až +200 °C.
  • Závislost odporu R na teplotě T : R = R₀ ( 1 + 4,26.10^-3 T ) pro rozsah -50 °C až +200 °C.
  • Výroba / Využití: jako senzor se nevyrábí z důvodu malé rezistivity, ale dá se využít pro měření teploty vinutí elektromotoru.
• Speciální slitiny – slitiny Rh-Fe nebo Pt-Co pro teploty již od -250 °C.

Odporové polovodičové senzory - termistory

Princip funkce: závislost elektrického odporu materiálu na teplotě vlivem závislosti koncentrace volných nosičů náboje na teplotě.

Výhody: velká citlivost = relativně velký výstupní signál.

Nevýhody: horší stabilita a větší šum, malý teplotní rozsah, nelinearita.

Typy odporových polovodičových senzorů:

• Termistory - negistor (NTC):
  • Typický měřící rozsah: -50 °C až +150 °C. V případně práškové technologie však je možný spodní hranice již od několika K nebo horní hranice až 1000° C. V případě tenkovrstvé technologie pak i rozsahy až -170 °C až +450 °C. Mají záporný teplotní koeficient, tzn. s rostoucí teplotou klesá jejich odpor.
  • Výroba: práškovou technologií, tj. lisováním směsi oxidů kovů (například Fe₂ O₃ + Ti O₂ nebo MnO + CoO atd.), nebo tenkovrstvou technologií materiálu SiC nebo polykrystalického Si (miniaturní NTC).
  • Využití: pro jen úzké rozmezí měřených teplot jako jsou senzor teploty prostorů ve větracích a klimatizačních zařízeních, venkovní senzory teploty, měření teploty chladící kapaliny v automobilech apod.
• Termistory - pozistor (PTC):
  •  Typický měřící rozsah: od +60 °C do +180 °C. Mají kladný teplotní koeficient, tzn. s rostoucí teplotou roste jejich odpor.   
  • Výroba: z polykrystalické feroelektrické keramiky (např. BaTi O₃).
  • Využití: protože jejich charakteristika závislosti odporu na teplotě vykazuje prudký nárůst teploty, využívají se obvykle jako dvoustavové senzory, kde zlomová hodnota teploty je dána chemickým složením pozistoru.

Odporové polovodičové senzory - monokrystalické / CMOS senzory

Princip funkce: založen na změně pohyblivosti volných nosičů náboje (elektronů v případě polovodiče typu N) se změnou teploty. S rostoucí teplotou klesá pohyblivost, tím klesá vodivost polovodiče a tedy roste odpor. Využívá se v integrovaných obvodech s MOS / CMOS tranzistory.

Typický měřící rozsah: -50 °C až +150 °C

Výhody: linearita, lepší stabilita než u termistorů

Nevýhody: malý teplotní rozsah, menší citlivost než u termistorů

Výroba:  z křemíku (Si), germania (Ge), india (In) aj., ale v průmyslové praxi se sériově vyrábějí Si senzory.

Použití:  pro měření běžných teplot s menšími nároky na citlivost. Využívá se v CMOS integrovaných inteligentních senzorech.

Monokrystalické křemíkové PN senzory

Princip: funkce je založena na teplotní závislosti napětí PN přechodu v propustném směru. Teplotní koeficient je záporný a dle struktury přechodu je pohybuje v rozmezí -2,5 až 2 mV/K.

Typický měřící rozsah:  -50 °C až +125 °C.

Výhody: linearita, citlivost, jednoduchá integrace v IO

Nevýhody: malý teplotní rozsah

Výroba: využívá PN přechodu báze-emitor tranzistoru. K jednoduchému měření teplot však lze využít jakoukoliv univerzální usměrňovací diodu, jestliže bude napájena ze zdroje proudu a měřit se bude změna napětí na diodě se změnou teploty.

Použití: pro měření teploty ve velké většině polovodičových senzorů běžných teplot (chlazení, vytápění, kontrola teploty elektrických zařízení apod.), často již v provedení s integrovanou řídící a zpracovávající elektronikou přímo na jednom chipu se snímáním teploty. Obvykle se využívá dvou kaskádně zapojených proudových zrcadel, kde jedno z nich je rozvažováno vlivem teploty na přechod B-E. Tomu se někdy říká teplotně řízený zdroj proudu. 

Termoelektrické senzory – termočlánky

Princip funkce: založen na tzv. Seebeckovu jevu, tj. na jevu přeměny tepelné energie na elektrickou spojením dvou vodičů z různých materiálů v jednom bodě, přičemž na volných koncích vzniká elektrické napětí. Jde tedy o aktivní senzory, které samy generují slabé el. napětí.

Typický měřící rozsah:  - 200 až 3 500 °C. Termočlánky se však rozdělují podle druhu spojených kovů do kategorií T/J/E/K/N/S/R/B.

Výhody: lineární charakteristiky, velký teplotní rozsah, malé rozměry sond (< 1mm).

Nevýhody: malá citlivost = malé hodnoty výstupního napětí, složitější správné připojení k měřící jednotce pro eliminaci vlivu rušení (okolní teploty na měření).

Použití: pro měření velkých změn a absolutních hodnot teploty, například jako sondy ponorné, dotykové, vpichové, prostorové, štěrbinové apod.

Přehled vyráběných provedení zakončení a typů termočlánků.

Krystalový senzor teploty

Princip funkce: využívá se teplotní závislosti rezonančního kmitočtu křemenného výbrusu.

Typický měřící rozsah: od -80 °C až +250 °C a rozlišovací schopnost až 10^-4 °C.

Výhody:  velká rozlišovací schopnost.

Nevýhody: horší stabilita, citlivost na okolní rušení.

Použití: změna kmitočtu oscilátoru vlivem změny teploty, tzn. přímý převod teploty na frekvenci. Oscilátor je nejčastěji ve spojení s smyčkou fázového závěsu PLL.

Senzory s využitím optického vlákna

Principy funkce:

• Optické vlákno zakončené teplotně závislou vrstvou fosforu, který po osvícení impulsem světla LED vyzáří zpět s určitým časovým zpožděním dle teploty. Optické vlákno zde funguje jen pro vedení světla.

• Změna útlumu vložené vrstvy mezi dvěma konci optických vláken.

• Přímé ovlivňování ztrát optického vlákna působením tepla.

Použití: měření teplot až do 1500 °C, pro měření v nebezpečných prostorech ( výbušné prostředí, prostředí s velkým elmag. rušením, snadno vznětlivých prostředích), pro plošné měření teploty (například kontrola teploty skladovaných materiálů proti samovznícení, teploty kapalin) apod.

Příklad použití optického vlákna jako snímače teploty s jednoduchým vyhodnocením.

Závěr

V 2. díle pak najdete pokračování v podobě přehledu používaných bezkontaktních senzorů a systémů měření teploty.

Odkazy:

• Prof. Ing. Miroslav Husák: "Teplotní senzory", http://www.micro.feld.cvut.cz/home/X34SES/prednasky/05aTeplotnˇ senzory.pdf