Princip činnosti a vlastnosti snímačů teploty, rozdělení a rozsah

Moderní výroba je prostě nemyslitelná bez automatizace různých technologických procesů. Od jaderné elektrárny počínaje a auty konče, prvky automatického řízení a regulace potřebných parametrů najdeme všude. Pro efektivnější provoz celé výroby či stroje je nutné řídit tlak, úhlové a lineární rychlosti, teplotu a mnoho dalších parametrů.

Z celkové rozmanitosti sledovaných parametrů připadá zhruba polovina na měření a regulaci teploty. A jeden z nejdůležitějších částí celého systému je senzor. Vzhledem k tomu, že podmínky a teplotní rozsahy se mohou značně lišit, senzory a primární měniče jsou vyráběny s různými vlastnostmi a kvalitami v závislosti na technologii požadavky.

Vlastní čidlo měření teploty je zařízení schopné přijímat naměřenou hodnotu a převádět ji na signál pro následné zpracování a regulaci řídicím zařízením. Zjednodušeně řečeno jde o převodník jedné veličiny (teploty) na veličinu jinou (elektrický proud, odpor), který je schopen zpracovávat zařízení (například regulátor teploty) a na základě přijatých dat provádět akce, pro které to je přístroj. Například, když teplota dosáhne nad nastavenou hodnotu, zařízení může vypnout akční člen, aby zastavil zdroj vytápění (médium).

Typy snímačů teploty

Vzhledem k tomu, že podmínky a rozsahy měření pro různé úlohy mohou být velmi odlišné a požadavky na měření různých teplotních parametrů mohou být různé, resp. provádět určité úkoly tepelného konvertoru musí splňovat tyto podmínky a určité požadavky. Proto mohou být různé a při práci využívat různé vlastnosti materiálů. Senzory jsou tedy:

• Polovodič;
• Tepelný odpor;
• Akustický;
• Termoelektrický;
• piezoelektrický;
• Pyrometry.

Stručně popíšeme vlastnosti každého z nich, abyste si dokázali představit, v jakých případech je nutné použít to či ono zařízení.

Polovodičové termoelektrické

Tepelné konvertory tohoto typu jsou v průmyslu žádané, protože se jedná o levné a poměrně přesné přístroje s nízkou chybou. Vlivem teploty takové čidlo registruje změny vlastností pn přechodu. Zde lze použít téměř jakákoli dioda nebo bipolární tranzistor. Vysoké přesnosti polovodičových snímačů teploty je dosaženo díky závislosti napětí na tranzistoru na absolutní teplotě.

Tepelně odporové termoelektrické měniče

Hlavními výhodami takových snímačů teploty jsou jejich odolnost, stabilita a vysoká citlivost. Dokonale zapadají do téměř jakéhokoli schématu.

Provoz takových tepelných měničů je založen na změně odporu pod vlivem teploty na vodiči nebo polovodiči. Jednoduše řečeno, oni obsahují ve svém provedení termistor, který reaguje na změny měřeného média.

V závislosti na materiálu použitém v termoodporových snímačích teploty se dělí na:

1. Silikonové odporové, které se vyznačují dlouhodobou stabilitou a vysokou přesností.
2. Odporové teplotní detektory vyznačující se vysokou stabilitou, robustností a přesností. Jejich práce je založena na schopnosti kovů měnit svůj odpor při vystavení teplotě. Nejčastěji takové senzory používají platinu nebo měď a při regulaci zvláště vysokých teplot wolfram. Jejich jedinou nevýhodou je relativně vysoká cena.
3. Termistory jsou založeny na použití sloučenin oxidů kovů. Používají se pouze pro měření absolutních teplot. Mezi hlavní nevýhody patří nutnost kalibrace a křehkost.

Akustická přibližovací zařízení

Tento typ snímače teploty se používá především pro měření vysokých teplot. Jejich princip fungování je založen na změně charakteristiky zvuku při různých teplotách. Skládá se z tohoto teplotní senzor z přijímače a vysílače. Zvuk procházející zkoumaným prostředím vstupuje do přijímače, kde jsou zaznamenány jeho parametry a na jejich základě je určena teplota.

Akustické tepelné senzory se často používají v medicíně a tam, kde není možné měřit teplotu kontaktními metodami. Jednou z jejich hlavních nevýhod je nízká přesnost měřených teplot a velká chyba díky doplňkovým funkcím.

Termoelektrické senzory

Termoelektrické senzory, nebo jednodušeji termočlánky, se vyznačují širokou škálou naměřených hodnot - od -200 do 2200 stupňů Celsia. Jejich schopnosti navíc závisí na použitých materiálech. Měřit mohou například termočlánky z obecných kovů teplota do 1100 °C, s ušlechtilými do 1600 °Ca pro měření zvláště vysokých tepelných podmínek se používají termočlánky s žáruvzdornými kovy, jako je wolfram.

Princip činnosti termoelektrických senzorů je založen na Seebeckově jevu, tzn. používají se přechody různých kovů, které tvoří uzavřenou smyčku, ve které vzniká elektrický proud, když mají přechody různé teploty. Termočlánek se skládá ze dvou konců: pracovního a volného. První se ponoří přímo do pracovního prostředí, zatímco druhý nikoli. Vzniká tak teplotní rozdíl, který se zobrazuje ve formě výstupního napětí, které zaznamenává multivoltmetr, často obsažený v setu s termoelektrickým čidlem.

Piezoelektrická křemenná zařízení

Princip činnosti piezoelektrického snímače teploty je založen na použití křemenného piezorezonátoru. Piezomateriál v něm použitý hraje roli rezonátoru. Když je na něj aplikován elektrický proud, toto materiál začne váhat při vystavení různým tepelným režimům a mění se i frekvence kmitání, která je základem piezoelektrických snímačů.

Bezkontaktní tepelné konvertory pyrometry

Bezdotykové senzory schopné detekovat tepelné záření zahřátých těles se nazývají pyrometry. Výhodou takových zařízení je, že je není potřeba umisťovat přímo do prostředí. Bez přímého kontaktu je však přesnost jejich odečtů poměrně nízká, protože se mohou vyskytnout vedlejší účinky, které odečty ovlivňují.

Existují tři typy pyrometrů:

1. Interferometrické pyrometry vyzařují dva paprsky, z nichž jeden prochází médiem a druhý je kontrolní. Tyto dva paprsky dopadnou na křemíkový citlivý prvek, načež se porovná lom a délka paprsků, které přímo závisí na ohřevu média.
2. Fluorescenční tepelné senzory Pracují na složitějším principu: komponenty na bázi fosforu se nanášejí na povrch, kde je potřeba měřit množství tepla. Poté je objekt vystaven ultrafialovému pulznímu záření, v jehož důsledku dochází k určitým reakcím, a záření je analyzováno.
3. Senzory, které obsahují roztokykteré mohou vlivem teploty měnit barvu. Chlorid kobaltnatý použitý v takových pyrometrech je při kontaktu s měřeným médiem schopen měnit barevné spektrum v závislosti na stupni zahřátí. Množství světla procházející roztokem tedy umožňuje měřit požadované tepelné parametry.

Pravidla výběru

Všechny výše uvedené snímače fungují ve stanovených mezích výborně. Musíte však pochopit, že je musíte vybrat a použít na základě požadavků v konkrétním případě.

Proto při výběru jednoho nebo druhého tepelného konvertoru byste měli věnovat pozornost následujícím bodům:

1. Hodnota teplotního rozsahu.
2. Schopnost ponořit senzor do měřeného prostředí. Pokud to není možné, pak se vyplatí uchýlit se k použití pyrometrů nebo akustických senzorů.
3. Podmínky měření jsou jedním z nejdůležitějších aspektů při výběru senzoru. Zde stojí za zvážení nejen agresivita prostředí, ale také takové parametry jako: tlak, vlhkost atd. Proto se vyplatí volit buď bezkontaktní snímače, nebo v pouzdrech odolných proti korozi.
4. Vždy je také třeba zvážit povahu výstupního signálu. Některé tepelné konvertory totiž dokážou signál okamžitě převést na stupně, jiné jej dají pouze ve výši proudu.
5. Některá čidla jsou značně nestabilní a mají krátkou životnost, což je také třeba vzít v úvahu. Pokud je tedy nutná dlouhá práce bez výměny a kalibrace, je třeba vzít v úvahu také tuto nuanci.
6. Při výběru snímače pro určité potřeby bude užitečné věnovat pozornost době odezvy, rozlišení a chybě, provoznímu napájecímu napětí, typu pouzdra.

Vezmeme-li v úvahu všechny výše uvedené nuance, můžete si vybrat snímač, který je plně konzistentní ve svých charakteristikách v konkrétní situaci a pro konkrétní úkoly.