Snímače teploty

Teplota patří v průmyslové praxi k nejčastěji měřeným veličinám. Měří se nepřímo prostřednictvím závislosti určitých fyzikálních veličin na teplotě. Při měření porovnáváme teplotu daného tělesa s definovanou stupnicí.

Pro měření teploty byly stanoveny stupnice dvě:

termodynamická absolutní (Kelvinova) se základní jednotku Kelvin(K) a pro praktické užívání mezinárodní teplotní stupnice (Celsiova), se základní jednotkou stupeň Celsiův (°C). Mezinárodní stupnice byla postupně doplňována, její poslední znění ITS 90 ( The International Temperature Scale of 1990) stanovuje 17 přesně definovaných bodů, které odpovídají rovnovážným stavům mezi fázemi vybraných látek. Souvislost obou stupnic je dána vztahem

protože bod tání ledu má v absolutní stupnici hodnotu T = 273,15K a v mezinárodní stupnici ϑ = 0°C.

Podle styku s měřeným prostředím dělíme snímače teploty na:

• dotykové – odporové, termoelektrické, dilatační
• bezdotykové – pyrometry, termovizní systémy

Odporové snímače

Odporové snímače teploty využívají závislosti odporu kovů a polovodičů na teplotě. Elektrickým signálem je úbytek napětí, které vzniká na teplotně závislém odporu průchodem měřicího proudu. Jsou stabilní a přesné.

Statické charakteristiky odporových snímačů

Obr. 1: Statické charakteristiky odporových snímačů

K výrobě kovových odporových snímačů se nejčastěji používají čisté kovy (platina, nikl). Provedení může být drátkové nebo v současnosti upřednostňované vrstvové.

Na keramickou destičku je nanesena vrstva odporového materiálu (sítotisk, napařování, naprašování) a nastavení základní ho odporu se provede vypalováním odporové dráhy laserem.

Příklad označení: Pt 100 – materiál platina, odpor 100Ω při 0°C.

Obr. 2: Odporové čidlo platinové

K polovodičovým odporovým snímačům patří křemíkové snímače a termistory.

Křemíkové snímače bez PN přechodu pracují na principu kuželovitého rozptylu proudu mezi dvěma elektrodami a využívají závislosti odporu na pohyblivosti volných nosičů náboje a tedy i na teplotě. Jejich odpor se zvyšuje s rostoucí teplotou.

Obr. 3: Odporové monokrystalické Si čidlo

Termistory dělíme na NTC (negastory), u nichž odpor s rostoucí teplotou klesá, a PTC (pozistory), u kterých odpor s teplotou roste.

Negastory se vyrábí práškovou technologií z kysličníků kovů v širokém rozsahu odporových hodnot. Nevýhodou je jejich nelinearita. Pozistory se vyrábí z polykrystalické keramiky (např. BaTiO₅) a využívají se pro přesná měření v úzkém rozsahu teplot (ohřev vinutí motorů).

Vyhodnocovacími obvody odporových snímačů jsou většinou měřicí můstky, ke kterým se snímače připojují pomocí tří nebo čtyř vodičů, čímž se eliminuje vliv změny odporu přívodních vodičů s teplotou.

Termočlánky

Funkce termoelektrických snímačů je založena na vzniku termoelektrického napětí ve styku dvou různých kovů, jejichž konce jsou umístěny v prostředí s různými teplotami. Příčinou vzniku termoelektrického napětí je difuze nosičů náboje z teplejší oblasti do chladnější a vznik vnitřního elektrického pole, které pak další difuzi brání.

Napětí mezi volnými konci je přímo úměrné rozdílu teplot měřicího a srovnávacího spoje:

kde a je materiálová konstanta.

Obr. 4: Zapouzdřený termočlánek v sondě

Obr. 5: Vybrané typy termočlánků

Vyhodnocovací obvody termočlánků musí potlačit rušivé signály, tedy především kolísání teploty srovnávacího spoje. Dodržení konstantní teploty srovnávacího spoje dosáhneme termostatem regulujícím teplotu na vyšší hodnotu, např. 50°C. Druhou možností je vložení kompenzační krabice s teplotně závislým můstkem. Můstek je vyvážen pro teplotu 20°C a při odlišné teplotě na něm vznikne napětí, které koriguje napětí termočlánku.

Dilatační snímače

Principem činnosti dilatačních snímačů je změna délky nebo objemu měronosné látky působením teploty. Jsou konstruovány jako nespojité a používají se v jednoduchých obvodech dvoupolohového řízení teploty.

Kovový tyčový teploměr využívá dilatace bronzové nebo mosazné trubky s jedním koncem pevně fixovaným a druhým volným umístěným v měřeném prostředí. Pohyb měrného konce trubky se přenáší přes převodový mechanismus na ukazatel nebo na pohyb kontaktů. Tyč a převod jsou z materiálů s velmi malou teplotní délkovou roztažností (invar).

Bimetalový teploměr je založen na rozdílné teplotní délkové roztažnosti dvou různých kovů. Dva pásky jsou spojeny po celé délce (svařením, spájením) a jeden konec je pevně fixován. Při zvýšení teploty se bimetal deformuje do oblouku, materiál s větší roztažností je na vnější straně. Výchylka volného konce je funkcí teploty. Bimetal může tvořit přímo teplotně závislý kontakt.

Obr. 6: Princip dilatačních snímačů teploty

Pyrometry

Bezdotykové snímače vyhodnocují povrchovou teplotu tělesa na základě tělesem vysílaného elektromagnetického záření. Pracují ve viditelné a infračervené oblasti spektra a tomu odpovídá rozsah teplot od -40°C do 10 000°C. Hlavní oblast měření je v rozsahu (1000 - 2500) °C.

Úhrnný pyrometr vyhodnocuje záření v celém rozsahu vlnových délek. Záření se optickou soustavou soustředí na měřicí spoj speciálního termočlánku, takže vzniklé termoelektrické napětí odpovídá energii dopadajícího záření a tím i teplotě měřeného tělesa. Umožňuje detekovat záření o výkonu 10^-8 W.

Obr. 7: Princip úhrnného pyrometru

Termovizní systém s maticovým detektorem pracuje v infračervené oblasti.

Informace o měřeném objektu a prostředí je rozložena na jednotlivé elementární plošky a zobrazena jako tepelný obraz – termogram. Infradetektory mohou být například fotonové, které radiační tok mění přímo na elektrický signál, nebo tepelné, v nichž radiační tok vyvolává změnu teploty a následně změnu odporu. Používané rozlišení je 320 x 240 bodů. Termovizní systémy umožňují teplotu nejen změřit, ale především zobrazit teplotní rozložení nebo zdroje tepla.

Obr. 8: Kamera s maticovým detektorem

 

Zdroje

• BENEŠ, Pavel, Jan CHLEBNÝ, Josef LANGER, Marie MARTINÁSKOVÁ a Rudolf VORÁČEK. Automatizace a automatizační technika III. 1. vyd. Praha: Computer Press, 2000, 254s. ISBN 80-7226-248-3.

• KOLEKTIV AUTORŮ. Automatizace a automatizační technika 1. 1. vyd. Brno: Computer Press, 2012, 217s. ISBN 978-80-251-3628-7.

• MAIXNER, Ladislav a kol. Mechatronika. 1. vyd. Brno: Computer Press, 2006, 280s. ISBN 80-251-1299-3.

• SCHMID, Dietmar a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. 1. vyd. Překlad Jiří Handlíř. Praha: Europa-Sobotáles, 2005, 420s. ISBN 80-86706-10-9.

Obrázky

• Obr. 1, 2, 3, 5 a 8: MAIXNER, Ladislav a kol. Mechatronika. 1. vyd. Brno: Computer Press, 2006, 280s. ISBN 80-251-1299-3.
• Obr. 4: SCHMID, Dietmar a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. 1. vyd. Překlad Jiří Handlíř. Praha: Europa-Sobotáles, 2005, 420s. ISBN 80-86706-10-9
• Obr. 6 a 7: BENEŠ, Pavel, Jan CHLEBNÝ, Josef LANGER, Marie MARTINÁSKOVÁ a Rudolf VORÁČEK. Automatizace a automatizační technika III. 1. vyd. Praha: Computer Press, 2000, 254s. ISBN 80-7226-248-3.
• Obr. 9: Archiv autora