Hőmérsékletérzékelők és mérési módszerek

A hőmérséklet az egyik leggyakrabban mért fizikai mennyiség. A hőmérsékletméréssel összefüggő igények és alkalmazások hatalmas mértékű sokfélesége olyan helyzetet teremtett, hogy manapság nagyon sokféle szenzor, jel-átalakító és mérést biztosító berendezés áll rendelkezésre. Egyre nagyobb nehézséget nem is maga a mérés jelenti, hanem a megfelelő szenzor (jeladó) és a mérőműszer kiválasztása.

Az érzékelő választás kritériuma az alábbi paramétereken alapulhat:

• névleges üzemi hőmérséklet tartomány,
• jel-átalakítás karakterisztikájának érzékenysége és linearitás,
• érzékelő által mért paraméterek reprodukálhatósága,
• mérési pontosság,
• dinamikus tulajdonságok (időállandó),
• kimenet típusa (analóg vagy digitális),
• jel-átalakító és mérőkör összetettsége.

A hőmérsékletmérésre szolgáló mai műszerek többségét osztályozhatjuk úgy, mint: hőtágulásos elven működő kontakt hőmérők és elektromos jel-átalakítók valamint non-kontakt optikai jel-átalakítók. Kontakt módszerek esetében a hőmérséklet mérés lefolytatásához hőcserélődési folyamatnak kell lejátszódnia a mérendő objektum és a termometrikus egység között, vagyis az optikai módszerekkel ellentétben, ezek úgynevezett invazív mérési módszerek.

Hőtágulásos hőmérők

A hőtágulásos hőmérők képezik a hőmérsékletmérésre alkalmas eszközök legrégibb csoportját. A szerkezetet többségénél a hőtágulási jelenséget hasznosítják a méréshez, úm.:

• a csőkapillárisos hőmérőkben valamilyen folyadék (higany, alkohol) hőtágulását;
• a bimetál hőmérőknél pedig szélsőségesen eltérő hőtágulású fémkompozitokat (pl. vas-nikkel ötvözetek, króm-nikkel/porcelán, invár);
• a manométeres hőmérők a folyadékok/gázok vagy vízgőz hőtágulása által előidézett térfogatváltozás miatt bekövetkező nyomásváltozás mérésén alapulnak.

A technikai és laboratóriumi hőmérők -50°C-tól +200°C-ig terjedő méréstartománnyal kaphatók, a mérés felbontása pedig nem kevesebb, mint 0,1°C. Egyes speciális konstrukciókkal -100°C-tól +400°C-ig lehet mérni.

Az ilyen típusú hőmérőket egyre ritkábban alkalmazzák, jóllehet nagy stabilitással jellemezhetők, nincs szükségük külső elektromos tápfeszültségre és ellenállóak a környezeti hatásokkal szemben. Ezen túlmenően, a sokéves hőmérő-készítési és használati tapasztalatok miatt mégis, továbbra is nagy jelentőségű, értékes referencia és laboratóriumi hőmérőkként vannak elismerve.

Elektromos elvű hőmérők

A legelterjedtebb hőmérsékletmérési módszerek olyan elektromos módszerek, melyek érzékelőket alkalmaznak az alábbi paraméterek változásainak érzékelésére:

• ellenállás,
• elektromos töltéshordozók mobilitása,
• hőmérsékletváltozások által kiváltott töltéshordozó koncentrálódás.

Az említett hőmérséklet érzékelőket általában úgy osztályozzák, mint:

• termoelektromos szenzorok, vagy más néven termopárok (generatív szenzorok, nem igényelnek tápfeszültséget),
• rezisztív és félvezetős szenzorok (passzív szenzorok és az elektromos módon történő hőmérsékletméréshez tápfeszültséget igényelnek).

A korszerű elektromos hőmérők többsége rezisztív (angol: RTD) vagy termoelektromos (angol: TC) szenzort használ. Mindkét érzékelő fajtát standardizálják az európai szabványok.

Az EN 60584 szabvány definiálja termoelektromos érzékelők karakterisztikáját és metrológiai paramétereit, az EN 60751 szabvány pedig definiálja a rezisztív, platina érzékelők fizikai és metrológiai tulajdonságait és paraméteres állandóit.

A termisztoros szenzorok nincsenek normatív módon meghatározva, de tekintettel alacsony árukra és a kommercionális hőmérséklet tartományon belüli magas érzékenységükre, mégis jelentős csoportot képviselnek.

• Rezisztív RTD érzékelők

a hőmérsékletváltozások által okozott ellenállás-változást használják ki. Leggyakrabban alkalmazott termorezisztív anyag a platina (Pt), de léteznek nikkelből (Ni) vagy rézből (Cu) készült termorezisztorok is. Normatív szenzorok Pt100, Pt500 vagy Pt1000 megnevezéssel kaphatók, ami azt jelenti, hogy névleges ellenállásaik 0°C-on rendre 100Ω, 500Ω vagy 1000Ω. Tekintettel arra, hogy az RTD szenzorokat tekintjük a legpontosabbaknak, mérési pontosságukat szabványosították és A ill. B pontossági osztályokba sorolják őket. A gyakorlatban találkozhatunk további pontossági osztályokkal is, úm.: AA, C, ⅓B vagy 1/10B (1. táblázat).

1. táblázat: RTD érzékelők pontossági (paraméteres tolerancia) osztályai

RTD érzékelővel történő hőmérséklet mérés 4-féle mérőkör valamelyikével végezhető (1. ábra). Az „A” osztályú érzékelőkhöz részlegesen vagy teljesen kompenzált mérőkör ajánlott.

1. ábra: RTD érzékelők bekötési elrendezései

Az RTD érzékelőkön keresztül áramló mérőáram ajánlott erőssége nem lépheti túl az 1mA-t, tekintettel az érzékelők önmelegedésére. A gyakorlatban, αPt=0,00385 Ω/ºC platina érzékenységi tényezőre standardizált,100 µA ÷ 400 µA erősségű, stabil, monolitikus áramforrások elegendő feszültségesést biztosítanak a Pt100-on ahhoz, hogy a mérőkörben, 16-24 bit felbontású, tipikus analóg-digitális jel-átalakítókat lehessen alkalmazni.

• ATermisztoros érzékelők

olyan termorezisztor változatok, melyeket magas hőmérsékleti tényezőjű anyagokból állítanak elő szinterezéssel. Megkülönböztetünk negatív hőmérsékleti tényezőjű NTC szenzorokat, melyek esetében a hőmérséklet növekedése csökkenti az érzékelő ellenállását, valamint pozitív hőmérsékleti tényezőjű, PTC típusú termisztorokat. A termisztorokat nagy érzékenység jellemzi az 50°C ÷ 125°C tartományban, ám ettől szélesebb tartományban a termometrikus karakterisztikájuk már határozottan nem lineáris, ami megnehezíti az ellenállás-változás hőmérsékleti értékre történő átszámítását, és ezért csökken a mérés pontossága. A tápfeszültségi áramkörök és a mérőkörök ugyan olyanok, mint az RTD platina érzékelők esetében.

• ATermoelektromos érzékelők

a Seebeck effektust használják ki, melynek lényege, hogy ha két különböző fémet vagy ötvözeteiket két helyen összekapcsolnak, és a kapcsolódási pontok különböző hőmérsékletűek, akkor a kapcsolódási pontok között erő keletkezik. Az erő nagysága függ a kapcsolódási pontok hőmérsékleteinek különbségétől és kapcsolódási pontok típusától. Forrópont a mérőkapocs, a vezetékek szabad végei pedig a vonatkoztatási pontnak felelnek meg. (2. ábra).

2. ábra: Termoelektromos érzékelő elve

A termoelektromos erő nagysága függ a hőmérséklet különbségtől és a termoelem csatlakozópontjait képező fémek Seebeck tényezőitől. A gyakorlatban, a termoelem szabad végein jelentkező hőmérsékleti változások pontos mérése céljából kompenzációt (ang. CJC) végeznek, egy további T2 hőmérséklet mérés által. Ezt a mérést a vonatkoztatási csatlakozási pontban kell végrehajtani termorezisztor, termisztor vagy további termopár csatlakozások alkalmazásával.

A kapocs-pontok (csatlakozási pontok) megfelelő megválasztásával érhető el mV/°C mértékegységben kifejezett, megfelelően nagy érzékenység. A 2. táblázatban bemutatjuk a mérési termopárokat képező fémek leggyakoribb konfigurációit valamint az aktuális EN 60584 szabványban egységesített csatlakoztatások villamos paramétereit.

2. táblázat:Termoelemek normatív típusai, méréstartományok, jelölések

A termopárok mérési pontossága az 1 vagy 2 osztályba tartozásból és a mérési tartományból következik. Az 1 osztály szerint készülő érzékelők pontossága az alapvető méréstartományon belül ±1.5°C. A -40°C-tól +125°C-ig terjedő tartományban a T típusú (Cu-CuNi) termopár pontossága a legnagyobb, értéke ±0.5°C.

Optikai hőmérők

A hőmérsékletérzékelők között olyanok is találhatók, melyek optikai jelenségeket használnak ki. A legelterjedtebb hőmérő konstrukciók fényvezetőkön és pirométeres konvertereken alapulnak.

• AFényvezetős hőmérők

közül a közvetett működésűek, egy optikai kábel végére szerelt félvezetős GaAS, termokróm, fotolumineszcenciás és egyéb fajlagos mérésre szolgáló érzékelőket használják ki, majd az optikai kábelen továbbítják az érzékelőről érkező jelet az optoelektronikai konverterre.

A közvetlen működésű fényvezetős érzékelők esetében maga az optikai kábel egyben az érzékelő elem is. Felhasználva a fényszórási jelenséget, a fénytörési együttható vagy két fényvezető konjugáltjának változását kifejezhető a fényvezető átlagos hőmérséklete, de akár a fényvezető egy adott szakaszán belül a hőmérséklet megoszlása is.

Tekintettel specifikus tulajdonságaikra, a fényvezetős érzékelőket rendkívül speciális esetekben használják hőmérőkként.

Ellenállóka vegyi és mechanikai hatásokkal szemben, érzéketlenek az elektromos és mágneses mezőkre, és az elektromágneses zavarokkal szemben. Potencionális méréstartományuk -200°C-tól akár 2000°C-ig is kiterjedhet, jó dinamikus tulajdonságokkal és jó jeltovábbítási képességekkel bírnak nagy távolságokra is.

• A pirometrikus érzékelők (pirométerek)

az érintés nélküli hőmérsékletérzékelők csoportjába tartoznak. Ez nevezetes tulajdonságuk, amiből következően a mérés jellege non-invazív, vagyis a mérés lefolytatásához a pirometrikus szenzornak nem kell hőcserélési folyamatba lépnie a mért objektummal.

Ily módon nem zavarja meg a mérés közben a hőmérsékleti teret, és dinamikus tulajdonságai is összehasonlíthatatlanul jobbak. A pirometrikus érzékelők azt a hősugárzást (hő kisugárzást) konvertálják, amit minden test kibocsát magából. A hősugárzás intenzitása szorosan függ a hőmérséklettől és leginkább az infravörös és látható közötti hullámtartományokba esik.

A pirometrikus érzékelők optikai rendszerekre épülnek, melyek lencsékből, fényvezetőkből és tükrökből állnak, amely részegységek elkészítik a termikus detektorokra vagy fotodetektorokra irányított optikai jelet. A hősugárzás (infravörös fény, látható fény) a mért objektumtól bizonyos távolságban jól mérhető, mert nem érik erős zavaró hatások. Éppen ezért a pirométerek is távolsági, pontszerű hőmérséklet mérést végeznek. Sajnos a hősugárzás intenzitása nem csak és nem kizárólag a hőmérséklettől függ. A felület fizikai tulajdonságai, anyagának fajtája (simaság, porozitás, oxid bevonatok, fénytörési mutató és egyebek) döntően meghatározzák a hősugárzási emissziót. A hősugárzási képességet az emissziós tényezővel határozzuk meg. Ennek a paraméternek a részletesebb leírása megtalálható az alábbi cikkben: Emissziós tényező befolyása a hőmérséklet mérés pontosságára .

A pirometrikus hőmérők 50°C-tól akár 3000°-ig terjedő tartományban képesek a mérések elvégzésére. Legnagyobb – kb. 0,5%-os – pontosságra a fotoelektromos és kétsávos pirométerek alkalmasak. Ugyanakkor, a dinamikus tulajdonságaikat meghatározó mérési időtartam nem lép túl az 1 másodpercet. Fotoelektromos pirométerek esetében ez az érték jellemzően 5-100 ezredmásodperc.

Az egyszerű, kézi, pirométeres hőmérők többségének hátránya, hogy a mérés közben állítgatni kell az emissziós tényezőt, és precízen, a mért felültre merőlegesen irányítva kell tartani a pirométert.

Az érintés nélküli optikai szenzorok koncepciójának továbbfejlesztését a termovíziós kamerák képezik, melyek működési elve azonos a pontszerű pirometrikus szenzorokéival, annyi különbséggel, hogy megfelelő felbontással hőmérséklet eloszlást mérnek a felületen.

Tulajdonságok összehasonlítása

Tekintettel a rendelkezésre álló, különböző hőmérsékletérzékelők és jel-átalakítók nagy számára, gyakran jelent alapvető problémát a megfelelő megoldás kiválasztása. Az alábbiakban táblázatos formában hasonlítjuk össze az alapvető és leggyakrabban alkalmazott szenzorikus technikákat.

3. táblázat: Alapvető hőmérséklet érzékelők és jel-átalakítók tulajdonságainak összehasonlítása.

Paraméter fontossága:

*** nagy

** közepes

* kicsi

Összegzés

A -25°C ÷ 125°C-os ipari hőmérséklet tartományú hőmérséklet érzékelők körül egyre inkább kirajzolódik az a jelenkori trend, mely szerint árkiegyenlítődés jellemző a különböző elvű hőmérséklet mérő rendszerek és részegységek között, legyenek azok maguk az érzékelők, jel-átalakítók vagy akár a kész hőmérsékletmérő és regisztráló rendszerek. A termopárokon és RTD termorezisztorokon alapuló, középosztályba tartozó elektronikus hőmérők és regisztrálók árszinten egymással összehasonlíthatóak. Ugyanebben az ársávban kínálnak már pirometrikus hőmérőket és egyszerű hőkamerákat is. Az összes említett mérőberendezés típus kapható az AXIOMET kínálatból.

Abban az esetben, ha igény merül fel a mérési pontosság, mérési dinamika, méréstartomány vagy mérési felbontás jelentős növelésére, akkor a hőmérsékletmérő műszerek hatalmas mértékű árugrásával kell szembesülünk. Ilyenkor lényeges az előbbiekben ismertetett alapvető tudásanyag és a hőmérsékletmérésre vonatkozó összeállítás ismerete annak érdekében, hogy képesek legyünk a számunkra megfelelő érzékelők kiválasztására.