Metody měření a čidla teploty

Teplota je jednou z nejčastěji měřených fyzikálních veličin. Velká různorodost potřeb a aplikací spojených s měřením teploty vedla k situaci, že je nyní k mání velký počet senzorů, převodníků a zařízení, která umožňují měření. Čím dál tím složitější není samotné měření, ale výběr správného senzoru (převodníku) a měřicího zařízení.

Kritérium výběru čidla může vycházet z následujících parametrů:

• jmenovitý rozsah pracovní teploty,
• citlivost a linearita převodní charakteristiky,
• opakovatelnost parametrů čidel,
• přesnost měření,
• dynamické vlastnosti (časová konstanta),
• typ výstupu (analogový nebo číslicový),
• obvodová složitost převodníku a měřicího obvodu.

Většinu současných přístrojů pro měření teploty můžeme roztřídit na: kontaktní teploměry založené na roztažnosti, elektrické převodníky a bezkontaktní optické převodníky. Kontaktní metody vyžadují pro provedení měření výměnu tepla mezi měřeným objektem a teploměrným obvodem a jsou tedy invazivními metodami, na rozdíl od optických metod.

Teploměry založené na roztažnosti

Teploměry založené na roztažnosti tvoří nejstarší skupinu zařízení pro měření teploty. U většiny konstrukcí se využívá jev teplotní roztažnosti:

• u teploměrů s kapilárou se používá kapalina (rtuť, alkohol);
• bimetalové teploměry využívají kompozity kovů s velmi odlišnou roztažností (slitiny železa a niklu, chromnikl/porcelán, invar);
• manometrické teploměry využívají změnu tlaku kapaliny, plynu/vodní páry vyvolanou tepelnou roztažností.

Měřicí rozsahy technických a laboratorních teploměrů jsou běžně od -50 °C do +200 °C a rozlišení není menší než 0,1 °C. Speciální konstrukce umožňují měření od -100 °C do 400 °C.

Teploměry tohoto typu se používají stále méně často, nicméně se vyznačují velkou stabilitou, nevyžadují elektrické napájení a jsou odolné vůči vlivům prostředí. Navíc díky dlouholetým zkušenostem v konstrukci a užívání těchto teploměrů jsou stále brány jako uznávané cejchovací, referenční a laboratorní teploměry.

Elektrické teploměry

Nejrozšířenějšími metodami měření teploty jsou metody elektrické, využívající čidla změn:

• odporu,
• pohyblivosti elektrických nosičů,
• koncentrace nosičů vyvolané změnami teploty.

Uvedené senzory teploty označujeme obecně jako:

• termoelektrické zvané také termočlánky (jsou to čidla generující napětí a nevyžadují napájení),
• odporové a polovodičové (pasivní a pro měření teploty elektrickými metodami je potřebné napájení).

Většina současných elektrických teploměrů používá odporová čidla (angl. RTD) nebo termočlánková čidla (angl. TC). Obě skupiny senzorů jsou standardizovány evropskými normami.

Norma EN 60584 definuje charakteristiky a metrologické parametry termoelektrických čidel a norma EN 60751 definuje fyzikální a metrologické vlastnosti a parametrické konstanty odporových, platinových čidel.

Termistorová čidla nejsou normativně definována, ale jsou důležitou skupinou s ohledem na nízkou cenu a velmi velkou citlivost v rozsahu komerčních teplot.

• Odporová čidla RTD

využívají změnu odporu materiálu vyvolanou změnami teploty. Nejčastěji používaným termorezistivním materiálem je platina (Pt), avšak existují i termorezistory vyrobené z niklu (Ni) nebo mědi (Cu). Normativní senzory jsou dostupné jako Pt100, Pt500 nebo Pt1000, což příslušně znamená, že jejich jmenovitý odpor při teplotě 0 ºC je 100 Ω, 500 Ω nebo 1000 Ω. S ohledem na to, že čidla RTD jsou považována za nejpřesnější, je jejich přesnost měření normovaná a definovaná třídou A nebo B. V praxi se setkáme ještě s dodatečnými třídami přesnosti AA, C, ⅓B nebo 1/10B (Tab. 1).

Tab. 1. Shrnutí tříd přesnosti (tolerance parametrů) čidel RTD

Měření teploty s použitím čidel RTD se realizuje jedním ze 4 měřicích zapojení (Obr. 1). Pro čidla vyrobená v třídě A je doporučováno zapojení s úplnou nebo částečnou kompenzací.

Obr. 1 Schémata připojení čidel RTD

Doporučovaný měřicí proud tekoucí čidly RTD by neměl překračovat 1mA kvůli vlastnímu ohřevu čidel. V praxi zajišťují stabilní monolitické proudové zdroje s hodnotou 100 µA ÷ 400 µA při standardním koeficientu citlivosti platiny αPt=0,00385 Ω/ºC dostatečný úbytek napětí na Pt100, aby se v měřicím obvodu daly použít typické analogově-číslicové převodníky s rozlišením od 16 do 24 bitů.

• Termistorová čidla

jsou variantou termorezistorů vyrobenou ze spékaných materiálů s velkými teplotními koeficienty. Rozdělují se na sensory NTC se záporným teplotním koeficientem, kdy vzrůst teploty způsobuje zmenšení odporu čidla, a termistory typu PTC s kladným teplotním koeficientem. Termistory se vyznačují velkou citlivostí v rozmezí 50 °C ÷ 125 °C. Avšak v rozšířeném rozsahu teplot mají silně nelineární termometrickou charakteristiku, což komplikuje přepočítávání změn odporu na teplotu a snižuje přesnost měření. Napájecí a měřicí obvody jsou stejné, jak u platinových čidel RTD.

• Termoelektrická čidla

využívají Seebeckův jev, který spočívá v tom, že v elektrickém obvodu, ve kterém jsou dva spoje kovů nebo jejich slitin, vzniká termoelektrická síla. Velikost síly závisí na rozdílu teploty spojů a jejich druhu. Teplý spoj je měřicí spoj, zatímco volné konce vodičů tvoří vztažný bod (Obr. 2).

Obr. 2 Princip termoelektrického čidla

Velikost termoelektrické síly (napětí) závisí na rozdílu teplot a velikosti Seebeckových koeficientů kovů tvořících měřicí spoj termočlánku. Abychom dosáhli přesného měření, provádí se v praxi kompenzace (angl. CJC) změn teploty volných konců termočlánku dodatečným měřením teploty T2. Měření se provádí v místě srovnávacího spoje a pro tento účel se používá termorezistor, termistor nebo další termočlánkový spoj.

Volbou vhodných materiálů spoje lze získat patřičně velkou citlivost vyjádřenou v mV/°C. V tabulce 2 jsou uvedeny nejčastěji používané konfigurace kovů tvořících měřicí spoje termočlánků a elektrické parametry spojů unifikovaných v aktuální normě EN 60584.

Tab. 2 Normativní typy termočlánků, měřicí rozsahy, označování

Přesnost měření termočlánků vychází z třídy 1 nebo 2 a měřicího rozsahu. V základním rozsahu je přesnost čidel vyrobených v třídě 1 rovna ±1,5 °C. V rozsahu teplot od -40 °C do +125 °C má termočlánek typu T (Cu-CuNi) nejvyšší přesnost rovnu ±0,5 °C.

Optické teploměry

Mezi čidly teploty jsou rovněž taková, která využívají optické jevy. Nejrozšířenější konstrukce teploměrů využívají světlovody a pyrometrické převodníky.

• Světlovodné teploměry

s nepřímou metodou využívají pro vlastní měření polovodičová GaAs, termochromní, fotoluminiscenční a jiná čidla umístěná na konci světlovodu a následně přenášejí světlovodem signál z čidla teploty do optoelektronického převodníku.

V případě světlovodných čidel s přímou metodou je samotný světlovod senzorickým prvkem. S využitím jevu rozptylu světla, změny indexu lomu nebo změny vazby dvou světlovodů můžeme určit průměrnou teplotu světlovodu nebo dokonce rozložení teploty po určité délce světlovodu.

Světlovodná čidla nacházejí o ohledem na své specifické vlastnosti uplatnění jako vysoce specializované teploměry.

Jsou chemicky a mechanicky odolné, necitlivé na elektrické a magnetické pole a elektromagnetické rušení. Mají potenciální měřicí rozsah od -200 °C po až 2000 °C, dobré dynamické vlastnosti a možnost přenosu signálu na velké vzdálenosti.

• Pyrometrická čidla (pyrometry)

patří do skupiny bezkontaktních čidel teploty. Je to jejich významný rys, protože měření má neinvazivní charakter a pyrometrické čidlo si nemusí pro provedení měření předávat teplo s měřeným objektem.

Neruší tak při měření teplotní pole a jeho dynamické vlastnosti jsou nesrovnatelně lepší. Pyrometrická čidla transformují tepelné (teplotní) záření, které vyzařují všechna tělesa. Intenzita tepelného záření úzce závisí na teplotě a hlavně se nachází v rozsazích vln infračerveného a viditelného záření.

Pyrometrická čidla používají optické sestavy složené z čoček, světlovodů a zrcadel, které připravují optický signál směrovaný na tepelný detektor nebo fotodetektor. Tepelné záření (infračervené, viditelné světlo) může být měřeno v určité vzdálenosti od měřeného objektu, jelikož není silně rušené. Proto také pyrometry provádějí dálkové, bodové měření teploty. Bohužel intenzita tepelného záření nezávisí pouze a výlučně na teplotě. Druh materiálu a fyzikální vlastnosti materiálu (hladkost, hrbolatost, pokrytí oxidy, koeficient odrazu světla a další) rozhodují o emisivitě tepelného záření. Schopnost vyzařovat tepelné záření se definuje pomocí koeficientu emisivity. Tento parametr byl šířeji popsán v článku Koeficient emisivity - vliv na přesnost měření teploty.

Pyrometrické teploměry mohou měřit teplotu v rozmezí od 50 °C do až 3000 °C. Největší přesnosti na úrovni 0,5% dosahují fotoelektrické a dvoupásmové pyrometry. Současně doba měření definující jejich dynamické vlastnosti nepřekračuje 1 sekundu a v případě fotoelektrických pyrometrů je od 5 do 100 milisekund.

Vadou většiny jednoduchých ručních pyrometrických teploměrů je nutnost nastavovat emisivitu během měření a zamířit pyrometr přesně a kolmo na měřený povrch. Rozvojem koncepce bezkontaktních optických čidel jsou termovizní kamery, jejichž princip funkce je stejný jak u bodových pyrometrických čidel s tím rozdílem, že s vhodným rozlišením měří rozložení teploty po povrchu.

Porovnání vlastností

S ohledem na velký počet dostupných čidel a převodníků teploty je volba správného řešení často základním problémem. Níže je sestaveno do tabulky porovnání základních a nejčastěji používaných senzorických technik.

Tab. 3 Porovnání základních vlastností čidel a převodníků teploty

Označení významu parametru:

*** velký

** střední

* malý

Shrnutí

Mezi čidly teploty v průmyslovém rozsahu teplot -25 °C ÷ 125 °C se stále výrazněji projevuje současný trend, který cenově porovnává jak samotná čidla, tak i měřicí převodníky a hotové systémy pro měření a záznam teploty. Elektronické teploměry a záznamníky střední třídy využívající termočlánky a termorezistory RTD jsou cenově srovnatelné. V téže cenové kategorii se nabízejí také pyrometrické teploměry a jednoduché termovizní kamery. Všechny uvedené typy měřicích přístrojů jsou dostupné v nabídce AXIOMET.

V případě výrazného zvýšení přesnosti měření, dynamiky, rozsahu měření nebo rozlišení měření dochází k dramatickému nárůstu ceny teploměru. V takovém případě jsou zde uvedené základní poznatky a shrnutí ohledně měření teploty nutné pro správný výběr čidla.