Metody pomiaru i sensory temperatury

Pomiar temperatury jest jedną z najczęściej mierzonych wielkości fizycznych. Ogromna różnorodność potrzeb i zastosowań związanych z pomiarem temperatury doprowadziła do sytuacji, że obecnie dostępnych jest bardzo duża liczba sensorów, przetworników i urządzeń umożliwiających pomiar. Coraz większą trudnością nie jest sam pomiar, a właściwy wybór sensora (przetwornika) i urządzenia pomiarowego.

Kryterium doboru czujnika może odbywać się w oparciu o następujące parametry:

• znamionowy zakres temperatur pracy,
• czułość i liniowość charakterystyki przetwarzania,
• powtarzalność parametrów czujników,
• dokładność pomiarowa,
• właściwości dynamiczne (stała czasowa),
• typ wyjścia (analogowe lub cyfrowe),
• złożoność układowa przetwornika i układu pomiarowego.

Większość współczesnych przyrządów do pomiaru temperatury można sklasyfikować jako: kontaktowe termometry rozszerzalnościowe i przetworniki elektryczne oraz bezkontaktowe przetworniki optyczne. Metody kontaktowe w celu wykonania pomiaru wymagają wymiany ciepła pomiędzy obiektem pomiarowym i układem termometrycznym, a więc są metodami inwazyjnymi w przeciwieństwie do metod optycznych.

Termometry rozszerzalnościowe

Termometry rozszerzalnościowe stanowią najstarszą grupę urządzeń do pomiaru temperatury. W większości konstrukcji wykorzystywane jest zjawisko rozszerzalności cieplnej:

• w termometrach z kapilarą wykorzystywana jest ciecz (rtęć, alkohol);
• termometry bimetalowe wykorzystują kompozyty metali o skrajnie różnych rozszerzalnościach (stopy żelazowo-niklowe, chromonikiel/porcelana, inwar);
• termometry manometryczne wykorzystują zmianę ciśnienia cieczy, gazu/pary wodnej wywołaną rozszerzalnością cieplną.

Zakresy pomiarowe technicznych i laboratoryjnych termometrów są dostępne od -50°C do +200°C, a rozdzielczość pomiaru nie jest mniejsza niż 0,1°C. Konstrukcje specjalne umożliwiają pomiar od -100°C do 400°C.

Tego typu termometry są coraz rzadziej stosowane, jednak charakteryzują się dużą stabilnością, nie wymagają zasilania elektrycznego i są odporne na czynniki środowiskowe. Ponadto wieloletnie doświadczenie w budowie i stosowaniu tych termometrów sprawiło, że wciąż są uznawane jako wartościowe termometry wzorcowe, referencyjne i laboratoryjne.

Termometry elektryczne

Najbardziej rozpowszechnione metody pomiaru temperatury są metodami elektrycznymi wykorzystującymi czujniki zmian:

• rezystancji,
• ruchliwości nośników elektrycznych,
• koncentracji nośników wywołanych zmianami temperatury.

Wspomniane sensory temperatury są klasyfikowane generalnie jako:

• termoelektryczne nazywane też termoparami (są czujnikami generacyjnymi i nie wymagają zasilania),
• rezystancyjne i półprzewodnikowe (pasywne i do pomiaru temperatury metodami elektrycznymi wymagane jest zasilanie).

Większość współczesnych termometrów elektrycznych wykorzystuje czujniki rezystancyjne (ang. RTD) lub czujniki termoelektryczne (ang. TC). Obie grupy sensorów zostały poddane standaryzacji w normach europejskich.

Norma EN 60584 definiuje charakterystyki i parametry metrologiczne czujników termoelektrycznych, a norma EN 60751 definiuje właściwości fizyczne, metrologiczne i stałe parametryczne czujników rezystancyjnych, platynowych.

Czujniki termistorowe nie są określone normatywnie, jednak są istotną grupą ze względu na niską cenę i bardzo dużą czułość w zakresie temperatur komercyjnych.

• Czujniki rezystancyjne RTD

wykorzystują zmianę rezystancji materiału wywołaną zmianami temperatury.
Najczęściej wykorzystywanym materiałem termorezystancyjnym jest platyna (Pt), lecz istnieją termorezystory wykonane z niklu (Ni) lub miedzi (Cu). Normatywne sensory dostępne są jako Pt100, Pt500 lub Pt1000, co oznacza odpowiednio, że ich rezystancja znamionowa w temperaturze 0ºC wynosi 100Ω, 500Ω lub 1000Ω. Ze względu, że czujniki RTD uznawane są za najdokładniejsze, ich dokładność pomiarowa jest unormowana i określana poprzez klasę A lub B. W praktyce spotykane są też dodatkowe klasy dokładności: AA, C, ⅓B lub 1/10B (Tab. 1).

Tab. 1. Zestawienie klas dokładności (tolerancji parametrycznej) czujników RTD.

Pomiar temperatury z zastosowaniem czujników RTD odbywa się w jednym z 4 układów pomiarowych (Rys. 1). Dla czujników wykonanych w klasie A zalecany jest układ z kompensacją pełną lub częściową.

Rys. 1. Układy połączeń czujników RTD

Zalecany prąd pomiarowy płynący przez czujniki RTD nie powinien przekraczać 1mA ze względu na samonagrzewanie się czujników. W praktyce, stabilne, monolityczne źródła prądowe o wartościach 100 µA ÷ 400 µA przy standaryzowanym współczynniku czułości platyny αPt=0,00385 Ω/ºC zapewniają wystarczający spadek napięcia na Pt100 aby zastosować w układzie pomiarowym typowe przetworniki analogowo-cyfrowe o rozdzielczościach od 16 do 24 bitów.

• Czujniki termistorowe

są odmianą termorezystorów wykonanych z materiałów spiekanych o dużych współczynnikach temperaturowych. Rozróżnia się sensory NTC o ujemnym współczynniku temperaturowym, gdzie wzrost temperatury powoduje zmniejszenie rezystancji czujnika oraz termistory typu PTC o dodatnim współczynniku temperaturowym.
Termistory charakteryzują się dużą czułością w zakresie 50°C ÷ 125°C. Jednak w rozszerzonym zakresie temperatur mają silnie nieliniowe charakterystyki termometryczne co utrudnia przeliczanie zmian rezystancji na temperaturę i zmniejsza dokładność pomiaru. Układy zasilania i układy pomiarowe są jednakowe jak dla czujników platynowych RTD.

• Czujniki termoelektryczne

wykorzystują zjawisko Seebecka, które polega na tym, że w obwodzie elektrycznym, w którym są dwa złącza metali lub ich stopów powstaje siła termoelektryczna. Wartość siły zależy od różnicy temperatur złącz oraz ich typu. Złącze gorące jest złączem pomiarowym, natomiast wolne końce przewodów tworzą punkt odniesienia (Rys. 2).

Rys. 2. Idea czujnika termoelektrycznego

Wartość siły termoelektrycznej zależy od różnicy temperatur i wartości współczynników Seebecka metali tworzących złącze pomiarowe termoelementu. Aby uzyskać dokładny pomiar w praktyce wykonuje się kompensację (ang. CJC) zmian temperatury wolnych końców termoelementu poprzez dodatkowy pomiar temperatury T2. Pomiar wykonywany jest w miejscu złącza odniesienia i do tego celu wykorzystywany jest termorezystor, termistor lub kolejne złącze termoparowe.

Dobierając odpowiednio materiały złącza można uzyskać odpowiednio dużą czułość wyrażoną w mV/°C. W tabeli 2 zestawione zostały najczęściej stosowane konfiguracje metali tworzących spoiny pomiarowe termopar oraz parametry elektryczne złącz zunifikowanych w aktualnej normie EN 60584.

Tab.2. Normatywne typy termoelementów, zakresy pomiarowe, oznaczenia

Dokładność pomiarowa termopar wynika z klasy 1 lub 2 i zakresu pomiarowego. W podstawowym zakresie dokładność czujników wykonanych w klasie 1 wynosi ±1.5°C. W zakresie temperatur od -40°C do +125°C termopara typu T (Cu-CuNi) ma największą dokładność wynoszącą ±0.5°C.

Termometry optyczne

Wśród czujników temperatury są również takie, które wykorzystują zjawiska optyczne. Najbardziej rozpowszechnione konstrukcje termometrów wykorzystują światłowody i przetworniki pirometryczne.

• Termometry światłowodowe

o działaniu pośrednim wykorzystują zainstalowane na końcu światłowodu czujniki półprzewodnikowe GaAs, termochromowe, fotoluminescencyjne i inne do pomiaru właściwego, a następnie światłowodem przenoszą sygnał z czujnika temperatury do przetwornika optoelektronicznego.

W przypadku czujników światłowodowych o działaniu bezpośrednim sam światłowód jest elementem sensorycznym. Wykorzystując zjawisko rozproszenia światła, zmianę współczynnika załamania lub zmianę sprzężenia dwóch światłowodów można wyznaczyć średnią temperaturę światłowodu lub nawet rozkład temperatury na określonej długości światłowodu.

Czujniki światłowodowe ze względu na specyficzne właściwości znajdują głównie zastosowanie jako wysokospecjalizowane termometry.

Są odporne chemicznie i mechanicznie, niewrażliwe na pole elektryczne, magnetyczne oraz zakłócenia elektromagnetyczne. Mają potencjalny zakres pomiarowy od -200°C do nawet 2000°C, dobre właściwości dynamiczne oraz możliwość transmisji sygnału na duże odległości.

• Czujniki pirometryczne (pirometry)

należą do grupy bezkontaktowych czujników temperatury. Jest to ich znamienna cecha, przez co pomiar ma charakter bezinwazyjny, a czujnik pirometryczny nie musi wymieniać ciepła z obiektem pomiarowym aby wykonać pomiar.

W ten sposób nie zakłóca pola temperaturowego podczas pomiaru, a jego właściwości dynamiczne są nieporównywalnie lepsze. Czujniki pirometryczne przetwarzają promieniowanie cieplne (temperaturowe), które emitowane jest przez wszystkie ciała. Intensywność promieniowania cieplnego ściśle zależy od temperatury i głównie znajduje się w zakresach fal promieniowania podczerwonego i widzialnego.

Czujniki pirometryczne wykorzystują układy optyczne zbudowane z soczewek, światłowodów i zwierciadeł, które przygotowują sygnał optyczny kierowany na detektory termiczne lub fotodetektory. Promieniowanie cieplne (światło podczerwone, widzialne) może być mierzone w pewnej odległości od obiektu pomiarowego, ponieważ nie jest mocno zakłócane. Dlatego też pirometry wykonują zdalny, punktowy pomiar temperatury. Niestety intensywność promieniowania cieplnego nie zależy tylko i wyłącznie od temperatury. Rodzaj materiału i właściwości fizyczne powierzchni (gładkość, chropowatość, pokrycie tlenkami, współczynnik odbicia światła, i inne) decydują o emisyjności promieniowania cieplnego. Zdolność promieniowania cieplnego określana jest poprzez współczynnik emisyjności. Parametr ten został szerzej opisany w artykule: Współczynnik emisyjności - wpływ na dokładność pomiaru temperatury.

Termometry pirometryczne mogą wykonywać pomiar w zakresie temperatur od 50°C do nawet 3000°C. Największą dokładność na poziomie 0,5% osiągają pirometry fotoelektryczne i dwupasmowe. Jednocześnie czas pomiaru określający ich właściwości dynamiczne nie przekracza 1 sekundy, a w przypadku pirometrów fotoelektrycznych wynosi od 5 do 100 milisekund.

Wadą większości prostych, ręcznych termometrów pirometrycznych jest konieczność ustawiania emisyjności podczas pomiaru oraz precyzyjne i prostopadłe skierowanie pirometru na powierzchnię mierzoną.

Rozwinięciem koncepcji bezkontaktowych czujników optycznych są kamery termowizyjne, których zasada działania jest jednakowe jak punktowych czujników pirometrycznych z tą różnicą, że z odpowiednią rozdzielczością dokonują pomiaru rozkładu temperatury na powierzchni.

Porównanie właściwości

Ze względu na dużą liczbę dostępnych czujników i przetworników temperatury wybór właściwego rozwiązania stanowi często podstawowy problem. Poniżej zestawiono tabelaryczne porównanie podstawowych i najczęściej stosowanych technik sensorycznych.

Tab. 3. Porównanie właściwości podstawowych czujników i przetworników temperatury.

Oznaczenia istotności parametru:

*** duży

** średni

* mały

Podsumowanie

Wśród czujników temperatury w przemysłowym zakresie temperatur -25°C ÷ 125°C coraz wyraźniej zaznacza się współczesny trend, który zrównuje cenowo zarówno same czujniki, przetworniki pomiarowe oraz gotowe systemy do pomiaru i rejestrowania temperatury. Średniej klasy elektroniczne termometry oraz rejestratory wykorzystujące termopary i termorezystory RTD są porównywalne cenowo. W tym samy przedziale cenowym oferowane są również termometry pirometryczne i proste kamery termowizyjne. Wszystkie wspomniane typy przyrządów pomiarowych są dostępne w ofercie AXIOMET.

W przypadku znaczącego zwiększenia dokładności pomiaru, dynamiki, zakresu pomiarowego lub rozdzielczości pomiaru następuje gwałtowny wzrost ceny termometru. W takim przypadku przedstawiona fundamentalna wiedza i zestawienia dotyczące pomiaru temperatury są konieczne aby dokonać właściwego wyboru czujnika.