Zasada działania i cechy czujników temperatury, klasyfikacja i zakres

Nowoczesna produkcja jest po prostu nie do pomyślenia bez automatyzacji różnych procesów technologicznych. Począwszy od elektrowni jądrowej, a skończywszy na samochodach, elementy automatycznego sterowania i regulacji niezbędnych parametrów można znaleźć wszędzie. Ciśnienie, prędkość kątowa i liniowa, temperatura i wiele innych parametrów muszą być kontrolowane w celu wydajniejszej pracy całej produkcji lub maszyny.

Spośród całej gamy monitorowanych parametrów około połowę stanowią pomiary i kontrola temperatury. I jeden z najważniejszych części całego systemu jest czujnik. Biorąc pod uwagę, że warunki i zakresy temperatur mogą się znacznie różnić, czujniki i pierwotne konwertery wykonywane są o różnych właściwościach i jakościach w zależności od technologii wymagania.

Sam czujnik pomiaru temperatury jest urządzeniem zdolnym do odbierania mierzonej wartości i przekształcania jej na sygnał do późniejszego przetwarzania i regulacji przez urządzenie sterujące. Mówiąc najprościej, jest to konwerter jednej wielkości (temperatury) na inną wielkość (prąd elektryczny, rezystancja), która jest w stanie przetwarzać urządzenie (na przykład regulator temperatury) i na podstawie otrzymanych danych wykonać czynności, dla których to urządzenie. Przykładowo, gdy temperatura przekroczy zadaną, urządzenie może wyłączyć siłownik, aby zatrzymać źródło ciepła (czynnik).

Rodzaje czujników temperatury

Ze względu na to, że warunki i zakresy pomiarowe dla różnych zadań mogą być bardzo różne, a wymagania dotyczące pomiaru różnych parametrów temperaturowych mogą być odpowiednio różne, oraz do wykonywania określonych zadań konwerter termiczny musi spełniać te warunki i określone wymagania. Dlatego mogą być różne i wykorzystywać w pracy różne właściwości materiałów. Zatem czujniki to:

• półprzewodnik;
• Rezystancja termiczna;
• Akustyczny;
• Termoelektryczny;
• Piezoelektryczny;
• Pirometry.

Krótko opiszemy cechy każdego z nich, abyś mógł sobie wyobrazić, w jakich przypadkach konieczne jest korzystanie z tego lub innego urządzenia.

Półprzewodnikowy termoelektryczny

Przetworniki termiczne tego typu są poszukiwane w przemyśle, ponieważ są niedrogimi i dość dokładnymi przyrządami o niskim błędzie. Pod wpływem temperatury taki czujnik rejestruje zmiany właściwości złącza pn. Tutaj można użyć prawie każda dioda lub tranzystor bipolarny. Wysoka dokładność półprzewodnikowych czujników temperatury jest osiągana dzięki zależności napięcia na tranzystorze od temperatury bezwzględnej.

Termorezystancyjne konwertery termoelektryczne

Głównymi zaletami takich czujników temperatury są ich trwałość, stabilność i wysoka czułość. Idealnie pasują do niemal każdego schematu.

Działanie takich przetworników termicznych opiera się na zmianie rezystancji pod wpływem temperatury na przewodnik lub półprzewodnik. Mówiąc najprościej, oni zawierają termistor w swojej konstrukcji, który reaguje na zmiany mierzonego medium.

W zależności od materiału zastosowanego w termorezystancyjnych czujnikach temperatury dzieli się je na:

1. Rezystancyjne krzemowe, które charakteryzują się długotrwałą stabilnością i dużą dokładnością.
2. Rezystancyjne czujniki temperatury charakteryzujące się wysoką stabilnością, solidnością i dokładnością. Ich praca opiera się na zdolności metali do zmiany odporności pod wpływem temperatury. Najczęściej takie czujniki wykorzystują platynę lub miedź, a przy kontroli szczególnie wysokich temperatur wolfram. Ich jedyną wadą jest stosunkowo wysoki koszt.
3. Termistory opierają się na wykorzystaniu związków tlenków metali. Służą tylko do pomiaru temperatur bezwzględnych. Główne wady to konieczność kalibracji i kruchość.

Akustyczne urządzenia zbliżeniowe

Ten typ czujnika temperatury jest używany głównie do pomiaru wysokich temperatur. Ich zasada działania opiera się na zmianie charakterystyki dźwięku w różnych temperaturach. Składa się z tego czujnik termiczny z odbiornika i nadajnika. Dźwięk przechodząc przez badane medium trafia do odbiornika, gdzie rejestrowane są jego parametry i na ich podstawie określana jest temperatura.

Akustyczne czujniki termiczne są często stosowane w medycynie i tam, gdzie nie ma możliwości pomiaru temperatury metodami kontaktowymi. Jedną z ich głównych wad jest niska dokładność mierzonych temperatur oraz wysoki błąd wynikający z dodatkowych cech.

Czujniki termoelektryczne

Czujniki termoelektryczne, a mówiąc prościej termopary wyróżniają się szerokim zakresem wartości mierzonych – od -200 do 2200 stopni Celsjusza. Ponadto ich możliwości zależą od użytych materiałów. Na przykład termopary z metali nieszlachetnych mogą mierzyć temperatura do 1100 °C, szlachetna do 1600 °C, a do pomiaru szczególnie wysokich warunków termicznych stosuje się termopary z metalami ogniotrwałymi, takimi jak wolfram.

Zasada działania czujników termoelektrycznych opiera się na efekcie Seebecka, tj. stosuje się złącza z różnych metali, tworząc zamkniętą pętlę, w której prąd elektryczny powstaje, gdy złącza mają różne temperatury. Termopara składa się z dwóch końców: roboczego i wolnego. Pierwsza z nich zanurza się bezpośrednio w środowisku pracy, a druga nie. W ten sposób powstaje różnica temperatur, która jest wyświetlana w postaci napięcia wyjściowego, które jest rejestrowane przez multiwoltomierz, często zawarty w zestawie z czujnikiem termoelektrycznym.

Piezoelektryczne urządzenia kwarcowe

Zasada działania piezoelektrycznego czujnika temperatury opiera się na wykorzystaniu kwarcowego piezorezonatora. Zastosowany w nim piezomateriał pełni rolę rezonatora. Kiedy zostanie do niego przyłożony prąd elektryczny, to materiał zaczyna się wahać pod wpływem różnych trybów termicznych zmienia się również częstotliwość drgań, co jest podstawą czujników piezoelektrycznych.

Bezdotykowe przetworniki termiczne pirometry

Czujniki bezdotykowe zdolne do wykrywania promieniowania cieplnego z nagrzanych ciał nazywane są pirometrami. Wygoda takich urządzeń polega na tym, że nie ma potrzeby umieszczania ich bezpośrednio w otoczeniu. Jednak bez bezpośredniego kontaktu dokładność ich odczytów jest stosunkowo niska, ponieważ mogą wystąpić skutki uboczne, które wpływają na odczyty.

Istnieją trzy rodzaje pirometrów:

1. Pirometry interferometryczne emitują dwie wiązki, z których jedna przechodzi przez medium, a druga jest kontrolną. Te dwie wiązki uderzają w wrażliwy na krzem element, po czym porównuje się załamanie i długość wiązek, które bezpośrednio zależą od nagrzewania się medium.
2. Fluorescencyjne czujniki termiczne Działają na bardziej złożonej zasadzie: składniki na bazie fosforu nakładane są na powierzchnię, na której konieczne jest zmierzenie ilości ciepła. Następnie obiekt jest wystawiony na pulsacyjne promieniowanie ultrafioletowe, w wyniku którego zachodzą pewne reakcje, a promieniowanie jest analizowane.
3. Czujniki zawierające roztworyktóre mogą zmieniać kolor pod wpływem temperatury. Chlorek kobaltu stosowany w takich pirometrach, w kontakcie z mierzonym medium, jest zdolny do zmiany widma barwnego w zależności od stopnia nagrzania. W ten sposób ilość światła przechodzącego przez roztwór umożliwia pomiar wymaganych parametrów cieplnych.

Zasady selekcji

Wszystkie powyższe czujniki działają doskonale w określonych granicach. Musisz jednak zrozumieć, że musisz je wybierać i używać w oparciu o wymagania w konkretnym przypadku.

Dlatego przy wyborze jednego lub drugiego konwertera termicznego należy zwrócić uwagę na następujące punkty:

1. Wartość zakresu temperatur.
2. Możliwość zanurzenia czujnika w mierzonym środowisku. Jeśli nie jest to możliwe, warto skorzystać z pirometrów lub czujników akustycznych.
3. Warunki pomiaru są jednym z najważniejszych czynników przy wyborze czujnika. Tutaj warto wziąć pod uwagę nie tylko agresywność środowiska, ale także takie parametry jak: ciśnienie, wilgotność itp. Dlatego warto wybierać albo czujniki bezdotykowe, albo w obudowach odpornych na korozję.
4. Należy również zawsze brać pod uwagę charakter sygnału wyjściowego. Rzeczywiście, niektóre konwertery termiczne mogą natychmiast zamienić sygnał na stopnie, podczas gdy inne podają go tylko w ilości prądu.
5. Niektóre czujniki są dość niestabilne i krótkotrwałe, co również należy wziąć pod uwagę. Dlatego jeśli wymagana jest długa praca bez wymiany i kalibracji, należy również wziąć pod uwagę ten niuans.
6. Przy doborze czujnika do określonych potrzeb warto zwrócić uwagę na czas odpowiedzi, rozdzielczość i błąd, napięcie zasilania, rodzaj obudowy.

Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe niuanse, możesz wybrać czujnik, który jest w pełni spójny w swojej charakterystyce w konkretnej sytuacji i do określonych zadań.