Jste zde

Přehled principů el. měření teploty - 1. díl

Zjišťování teploty je stále jednou z nejčastějších forem elektrického měření. Samotné její měření a převod na elektrický signál však lze provést mnoha různými způsoby. V prvním díle stručného přehledu principů měření teploty se podíváme na dotykové způsoby.

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 + 3,908.10-3T - 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 + 4,26.10-3T ) 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:

Hodnocení článku: 

Komentáře