Meracie metódy a teplotné senzory

Meranie teploty patrí k najčastejším meraniam fyzikálnych veličín. Obrovská rôznorodosť požiadaviek a použití spojená s meraním teploty vedie k situácii, že je v súčasnosti dostupné veľké množstvo senzorov, prevodníkov a zariadení pre meranie. Stále komplikovanejšie nie je samotné meranie, ale správny výber senzora (prevodníka) a meracieho zariadenia.

Kritériá výberu senzoru môžu vychádzať z nasledujúcich parametrov:

• menovitý rozsah pracovných teplôt,
• citlivosť a linearita prevodu,
• opakovateľnosť parametrov snímačov,
• odchýlka merania,
• dynamické vlastnosti (časová konštanta),
• typ výstupu (analógový alebo digitálny),
• zložitosť systému prevodníka a meracieho usporiadania.

Väčšina súčasných prístrojov na meranie teploty sa dá klasifikovať nasledujúco: kontaktné rozťažné teplomery a elektrické prevodníky či bezkontaktné optické prevodníky. Kontaktné metódy využívajú pre zistenie teploty výmenu tepla medzi meraným objektom a teplomerným systémom, preto ide v porovnaní s optickými metódami o invazívne metódy.

Rozťažné teplomery

Rozťažné teplomery predstavujú najstaršiu skupinu zariadení na meranie teploty. Vo väčšine konštrukcií sa využíva jav tepelnej rozťažnosti:

• v teplomeroch s kapilárou sa využíva kvapalina (ortuť, alkohol);
• bimetalové teplomery využívajú kompozity kovov s rôznymi faktormi teplotnej rozťažnosti (zliatiny železa a niklu, chrómniklu a porcelánu, invar);
• manometrické teplomery využívajú zmenu tlaku kvapaliny, plynu/vodnej pary vyvolanú tepelnou rozťažnosťou.

Meracie rozsahy technických a laboratórnych teplomerov sa pohybujú od -50°C do +200°C, a rozlíšenie nie je menšie ako 0,1°C. Špeciálne konštrukcie umožňujú merania od -100°C do 400°C.

Teplomery takéhoto typu sa používajú stále zriedkavejšie, avšak sú charakteristické veľkou stabilitou, nevyžadujú si napojenie do elektrickej siete a sú odolné voči vplyvom prostredia. Navyše dlhoročné skúsenosti pri konštruovaní a používaní takýchto teplomerov ukazujú, že sú stále uznávané ako ciachovacie, referenčné a laboratórne teplomery.

Elektrické teplomery

K najrozšírenejším meracím metódam teploty patria elektrické metódy, ktoré snímajú zmenu::

• odporu,
• pohyblivosti nosičov elektrického prúdu,
• koncentráciu nosičov v závislosti od zmeny teploty.

Uvedené teplotné senzory sú vo všeobecnosti klasifikované ako:

• termoelektrické, inak nazývané termočlánky (ide o snímače, kde sa generuje napätie, nevyžadujú si napájanie),
• odporové a polovodičové (pasívne, pre meranie teploty sa vyžaduje napojenie do elektrickej siete).

Väčšina súčasných elektrických teplomerov využíva odporové snímače teploty (angl. RTD) alebo termoelektrické snímače (angl. TC). Obe skupiny snímačov sú štandardizované európskymi normami.

Norma EN 60584 definuje metrologické charakteristiky a parametre termoelektrických snímačov, kým norma EN 60751 definuje fyzikálne, metrologické vlastnosti a parametrické konštanty odporových, platinových snímačov.

Termistorové snímače nie sú definované normou, avšak vzhľadom na nízku cenu a vysokú citlivosť v oblasti komerčných teplôt predstavujú dôležitú skupinou.

• Odporové snímače RTD

využívajú zmenu odporu materiálu vyvolanú zmenou teploty. K najčastejšie používaným termorezistívnym materiálom využívajúcim tepelný odpor patrí platina (Pt), ale vyrábajú sa aj teplomery z niklu (Ni) alebo medi (Cu). Normatívne snímače sú dostupné ako Pt100, Pt500 alebo Pt1000, čo príslušne označuje, že ich menovitý odpor pri teplote 0ºC je 100Ω, 500Ω lub 1000Ω. Vzhľadom na to, že RTD snímače sa považujú za najpresnejšie, odchýlka merania je normovaná a popísaná triedou A alebo B. V praxi sa stretávame aj s ďalšími triedami odchýlok : AA, C, ⅓B alebo 1/10B (Tab. 1).

Tab. 1. Zhrnutie tried odchýlok (tolerancia parametrov) RTD snímačov.

Meranie teploty s použitím RTD snímačov sa realizuje v jednom zo 4 meracích schém (Obr. 1). Pri snímačoch z triedy A sa odporúča schéma s úplnou alebo čiastočnou kompenzáciou.

Obr. 1. Schémy zapojenia RTD snímačov

Odporúčaný merací prúd, ktorý preteká RTD snímačmi nesmie byť väčší ako 1 mA kvôli nahrievaniu snímačov. V praxi platí, že stabilné monolitické prúdové zdroje s hodnotami 100 µA ÷ 400 µA pri štandardizovanom súčiniteli citlivosti platiny αPt=0,00385 Ω/ºC zabezpečia dostatočný úbytok napätia na Pt100 pre použitie klasických analógovo-digitálnych prevodníkov s rozlíšením od 16 do 24 bitov v meracej schéme.

• Termistorové snímače

sú variantom odporových snímačov teploty a sú vyrobené zo sintrovaných materiálov s veľkými teplotnými súčiniteľmi. Rozlišujeme NTC snímače so záporným teplotným súčiniteľom, kde nárast teploty spôsobuje znižovanie odporu snímača a PTC termistory s kladným teplotným súčiniteľom. Termistory sa vyznačujú vysokou citlivosťou v rozsahu 50°C ÷ 125°C. Avšak v širšom intervale teplôt vykazujú silné nelineárne teplotné charakteristiky, čo komplikuje prepočítavanie odporových zmien na teplotu a zhoršuje presnosť merania. Napájacie a meracie schémy sú totožné ako pre platinové RTD snímače.

• Termoelektrické snímače

využívajú Seebeckov jav, ktorý spočíva v tom, že ak v elektrickom obvode spojíme dva kovy alebo ich zliatiny, vznikne termoelektrická sila. Veľkosť sily závisí od rozdielu teplôt na spoji a od ich druhu. Horúci spoj je meraný spoj, kým voľné konce vodičov sú referenčným bodom (Obr. 2).

Obr. 2. Princíp termoelektrického snímača

Veľkosť termoelektrickej sily je závislá od rozdielu teplôt a hodnôt Seebeckových koeficientov kovov na meranom spoji termočlánku. Pre presné meranie sa v praxi vykonáva tzv. kompenzácia (ang. CJC) teplotných zmien voľných koncov termočlánku dodatočným meraním teploty T2. Meranie sa realizuje v mieste referenčného spoja a využíva sa pri tom odporový teplomer, termistor alebo ďalší termočlánok.

Správne zvolenými materiálmi spoja môžeme získať dostatočne veľkú citlivosť vyjadrenú v mV/°C. V tabuľke 2 sú uvedené najčastejšie používané konfigurácie kovov tvoriacich merací spoj termočlánku a elektrické parametre spojov zjednotené v aktuálnej norme EN 60584.

Tab.2. Normatívne druhy termočlánkov, meracie rozsahu, označenia

Odchýlka merania termočlánku vyplýva z triedy 1 alebo 2 a z meracieho rozsahu. V základnom rozsahu je odchýlka merania snímačov vyrobených v triede 1 ±1.5°C. V teplotnom rozsahu od -40°C do +125°C má termočlánok typu T (Cu-CuNi) najväčšiu odchýlku na úrovni ±0.5°C.

Optické teplomery

Medzi teplomermi sa nájdu aj také, ktoré využívajú optické javy. Najrozšírenejšie konštrukcie teplomerov využívajú svetlovodné káble a pyrometrické prevodníky.

• Svetlovodné teplomery

s nepriamym pôsobením využívajú polovodičové snímače GaAs, termochromické, fotoluminiscenčné a iné snímače nainštalované na konci svetlovodu a následne prenášajú svetlovodom signál z teplotného snímača do optoelektronického prevodníka.

V prípade svetlovodných snímačov s priamou metódou je samotný svetlovod senzorom. Pomocou rozptylu svetla, zmeny indexu lomu svetla alebo zmeny spojenia dvoch svetlovodov môžeme určiť priemernú teplotu svetlovodu alebo dokonca rozdelenie teploty na stanovenej dĺžke svetlovodu.

Svetlovodivé snímače nájdu vzhľadom na špecifické vlastnosti uplatnenie predovšetkým ako vysokošpecializované teplomery.

Sú chemicky a mechanicky odolné, necitlivé na elektrické a magnetické pole a elektromagnetický šum. Potenciálny merací rozsah sa pohybuje v rozmedzí -200°C až dokonca do 2000°C, majú dobré dynamické vlastnosti a transmitujú signál na dlhé vzdialenosti.

• Pyrometrické snímače (pyrometre)

patria do skupiny bezkontaktných teplotných snímačov. Ide o dôležitú vlastnosť, vďaka ktorej má meranie neinvazívny charakter a pyrometer si nemusí vymieňať teplo s meraným objektom.

Týmto spôsobom nie je teplotné pole počas merania rušené a dynamické vlastnosti sú neporovnateľne lepšie. Pyrometrické snímače menia tepelné žiarenie, ktoré je emitované všetkými telesami. Intenzita tepelného sálania závisí od teploty a nachádza sa najmä vo vlnových dĺžkach infračerveného a viditeľného žiarenia.

Pyrometre využívajú optické schémy zložené zo šošoviek, svetlovodov a zrkadiel, ktoré smerujú optický signál na termické detektory alebo fotodetektory. Tepelné žiarenie (infračervené svetlo, viditeľné svetlo) môže byť merané v istej vzdialenosti od meraného objektu, keďže nie je veľmi rušené. Preto sa pyrometre používajú na diaľkové a bodové merania teploty. Bohužiaľ intenzita tepelného žiarenia nezávisí iba a výlučne od teploty. Druh materiálu a fyzikálne vlastnosti povrchu (hladkosť, drsnosť, oxidácia, koeficient odrazu svetla a iné) vplývajú na emitovanie tepelného žiarenia. Schopnosť vyžarovať teplo je charakterizovaná súčiniteľom emisivity (emisný faktor). Tento parameter bol podrobnejšie opísaný v článku : Súčiniteľ emisivity – vplyv na odchýlku merania teploty.

Pyrometrické teplomery majú merací rozsah v teplotnej oblasti od 50°C až do 3000°C. Najväčšiu presnosť, teda odchýlku na úrovni 0,5% dosahujú fotoelektrické a dvojpásmové pyrometre. Súčasne platí, že merací čas na určenie dynamických vlastností je menej ako 1 sekunda a v prípade fotoelektrických pyrometrov od 5 do 100 milisekúnd.

K nevýhodám jednoduchých ručných pyrometrov je nutnosť nastavovať emisivitu počas merania a presné kolmé nasmerovanie pyrometra na meranú plochu.

Rozvinutím koncepcie bezkontaktných optických snímačov sú termovízne kamery, ktorých princíp fungovania je totožný s bodovými pyrometrami s tým rozdielom, že s vhodným rozlíšením merajú rozdelenia teploty na povrchu.

Porovnanie parametrov

Vzhľadom na veľké množstvo dostupných teplotných snímačov a prevodníkov je výber správneho riešenia často základnou otázkou. Nižšie nájdete tabuľkové porovnanie základných a najčastejšie používaných senzorových techník.

Tab. 3. Porovnanie základných parametrov teplotných snímačov a prevodníkov.

Váha parametrov:

*** veľká

** stredná

* malá

Zhrnutie

Medzi snímačmi teploty v priemyselnej oblasti teplôt -25°C ÷ 125°C stále častejšie pozorujeme moderný trend, ktorý cenovo vyrovnáva samotné snímače, prevodníky merania a hotové systémy na meranie a registráciu teploty. Elektronické teplomery a registrátory strednej triedy využívajúce termočlánky a RTD odporové snímače sú cenovo porovnateľné. V tej istej cenovej kategórii sa pohybujú aj pyrometre a jednoduché termovízne kamery. Všetky spomenuté meracie prístroje nájdete v ponuke AXIOMET.

V prípade výrazne náročnejších požiadaviek na odchýlku merania, dynamiku, merací rozsah alebo rozlíšenie merania je potrebné počítať s významným nárastom ceny teplomera. Predstavené základné poznatky a schémy merania teploty sú nevyhnutné pre správny výber snímača.