Výhody a nevýhody různých snímačů teploty

V mnoha technologických procesech je jednou z nejdůležitějších fyzikálních veličin teplota. V průmyslu se k měření používají teplotní čidla. Tyto senzory převádějí informace o teplotě na elektrický signál, který je následně zpracován a interpretován elektronikou a automatizací. V důsledku toho se hodnota teploty buď jednoduše zobrazí na displeji, nebo slouží jako základ pro automatickou změnu provozního režimu toho či onoho zařízení.

Tak či onak jsou dnes teplotní senzory nepostradatelné, zejména v průmyslu. A je důležité vybrat ten správný senzor pro váš účel, jasně pochopit charakteristické rysy různých typů teplotních senzorů. Promluvíme si o tom později.

Různé senzory pro různé účely

Technologicky se teplotní senzory dělí do dvou velkých skupin: kontaktní a bezkontaktní. Bezdotykové snímače využívají při své práci principu měření infračervené parametrypřicházející ze vzdáleného povrchu.

Kontaktní senzory se na trhu v širším měřítku naopak liší tím, že jejich senzorový prvek je v procesu měření teploty v přímém kontaktu s povrchem nebo médiem, jehož teplota má být měřena. Nejúčelnější tedy bude podrobně prozkoumat kontaktní snímače, porovnat jejich typy, charakteristiky, zhodnotit výhody a nevýhody různých typů snímačů teploty.

Při výběru teplotního čidla je třeba nejprve určit, jakým způsobem bude nutné teplotu měřit. Infračervený senzor bude schopen měřit teplotu ve vzdálenosti od povrchu, proto je zásadní, aby mezi senzorem a povrchem, na který bude namířeno, byla atmosféra co nejprůhlednější a nejčistší, jinak teplota data budou zkreslená ( podívejte se - Bezdotykové měření teploty za provozu zařízení).

Kontaktní senzor vám umožní měřit teplotu přímo povrchu nebo prostředí, se kterým je v kontaktu, takže čistota okolní atmosféry obecně není důležitá. Zde je rozhodující přímý a kvalitní kontakt mezi snímačem a testovaným materiálem.

Kontaktní sondu lze vyrobit jednou z několika technologií: termistor, odporový teploměr nebo termočlánek. Každá technologie má své výhody a nevýhody.

Termistor je velmi citlivý, jeho cena se pohybuje uprostřed mezi termočlánky a odporovými teploměry, ale neliší se přesností a linearitou.

Termočlánek je dražší, rychleji reaguje na změny teploty, měření bude lineárnější než termistor, ale přesnost a citlivost nejsou vysoké.

Odporový teploměr je ze všech tří nejpřesnější, je lineární, ale méně citlivý, i když je cenově levnější než termočlánek.

Při výběru senzoru byste si navíc měli dát pozor na rozsah měřených teplot, u termočlánků a odporových teploměrů záleží na materiálu použitého citlivého prvku. Musíte tedy najít nějaký kompromis.

Termočlánek

Teplotní senzory termočlánek pracovat díky Seebekov efekt… Na jednom konci jsou připájeny dva dráty z různých kovů — jedná se o tzv. horký spoj termočlánku, který je vystaven naměřené teplotě. Na opačné straně vodičů se teplota jejich konců nemění, v tomto místě je připojen citlivý voltmetr.

Napětí naměřené voltmetrem závisí na teplotním rozdílu mezi horkým spojem a vodiči připojenými k voltmetru. Termočlánky se liší kovy, které tvoří jejich horké spoje, což určuje rozsah měřených teplot pro konkrétní termočlánkový senzor.

Níže je uvedena tabulka různých typů senzorů této odrůdy. Typ čidla se volí v závislosti na požadovaném teplotním rozsahu a charakteru prostředí.

Senzory typu E jsou vhodné pro použití v oxidujícím nebo inertním prostředí. Typ J — pro provoz ve vakuu, inertním nebo redukčním prostředí. Typ K — vhodný pro oxidační nebo neutrální prostředí. Typ N — má oproti typu K delší životnost.

Senzory typu T jsou odolné vůči korozi, lze je tedy použít ve vlhkém oxidačním, redukčním, inertním prostředí i ve vakuu. R (průmyslové) a S (laboratorní) — typy — jsou vysokoteplotní snímače, které musí být chráněny speciálními keramickými izolátory nebo nekovovými trubkami. Typ B má dokonce vyšší teplotu než typy R a S.

Výhodou termočlánkových snímačů je stabilita jejich provozních parametrů při vysokých teplotách a relativní rychlost odezvy na změny teploty horkého konce. Snímače tohoto typu jsou nabízeny v široké škále dostupných průměrů. Mají nízkou cenu.

Co se týče nevýhod, termočlánky se vyznačují nízkou přesností, mají extrémně nízké měřené napětí a navíc tyto snímače vždy vyžadují kompenzační obvody.

Odporové teploměry

Odporový teploměr nebo teplotní čidlo reostatu je zkráceno jako RTD. Funguje na principu změny odporu kovu v závislosti na změně jeho teploty. Použité kovy: platina (od -200 °C do +600 °C), nikl (od -60 °C do +180 °C), měď (od -190 °C do +150 °C), wolfram (od -100 °C až +1400 °C) — v závislosti na požadovaném rozsahu měřených teplot.

Častěji než jiné kovy se v odporových teploměrech používá platina, která poskytuje poměrně široký teplotní rozsah a umožňuje vybrat snímače s různou citlivostí. Takže snímač Pt100 má odpor 100 Ohm při 0 °C a snímač Pt1000 má při stejné teplotě 1kOhm, to znamená, že je citlivější a umožňuje přesněji měřit teplotu.

Ve srovnání s termočlánkem má odporový teploměr vyšší přesnost, jeho parametry jsou stabilnější a rozsah měřených teplot je širší. Citlivost je však nižší a doba odezvy delší než u termočlánků.

Termistory

Jiný typ kontaktních teplotních senzorů — termistory… Používají oxidy kovů, které mohou výrazně měnit svůj odpor v závislosti na teplotě. Termistory jsou dvou typů: PTC — PTC a NTC — NTC.

V prvním se odpor zvyšuje s rostoucí teplotou v určitém provozním rozsahu, ve druhém s rostoucí teplotou odpor klesá. Termistory se vyznačují rychlejší odezvou na změny teploty a nízkou cenou, ale jsou poměrně křehké a mají úzký rozsah provozních teplot než stejné odporové teploměry a termočlánky.

Infračervené senzory

Jak již bylo zmíněno na začátku článku, infračervené senzory interpretují infračervené záření vyzařované vzdáleným povrchem – cílem. Jejich výhodou je, že měření teploty probíhá bezdotykově, to znamená, že není potřeba čidlo těsně přitlačovat k předmětu nebo jej ponořovat do okolí.

Velmi rychle reagují na změny teploty, proto jsou použitelné pro zkoumání povrchů i pohybujících se předmětů např. na dopravníku.Pouze pomocí infračervených senzorů je možné měřit teplotu vzorků umístěných např. přímo v peci nebo v jakékoli agresivní zóně.

Mezi nevýhody infračervených senzorů patří jejich citlivost na stav teplosměnné plochy a také na čistotu vlastní optiky a atmosféry v dráze mezi senzorem a cílem. Prach a kouř velmi narušují přesná měření.