Princíp činnosti a vlastnosti snímačov teploty, klasifikácia a rozsah

Moderná výroba je jednoducho nemysliteľná bez automatizácie rôznych technologických procesov. Počnúc jadrovou elektrárňou a končiac automobilmi, všade možno nájsť prvky automatického riadenia a regulácie potrebných parametrov. Tlak, uhlové a lineárne rýchlosti, teplota a mnohé ďalšie parametre musia byť kontrolované pre efektívnejšiu prevádzku celej výroby alebo stroja.

Z celkovej rozmanitosti sledovaných parametrov asi polovicu tvorí meranie a regulácia teploty. A jeden z najdôležitejších častí celého systému je snímač. Vzhľadom na to, že podmienky a teplotné rozsahy sa môžu značne líšiť, senzory a primárne meniče sa vyrábajú s rôznymi vlastnosťami a kvalitami v závislosti od technológie požiadavky.

Samotný snímač merania teploty je zariadenie schopné prijať nameranú hodnotu a previesť ju na signál pre následné spracovanie a reguláciu riadiacim zariadením. Zjednodušene povedané, je to prevodník jednej veličiny (teploty) na inú veličinu (elektrický prúd, odpor), ktorý je schopný spracovať zariadenie (napríklad regulátor teploty) a na základe prijatých údajov vykonať činnosti, na ktoré sa to vzťahuje zariadenie. Napríklad, keď teplota dosiahne nad nastavenú hodnotu, zariadenie môže vypnúť pohon, aby zastavil zdroj vykurovania (médium).

Typy snímačov teploty

Vzhľadom na to, že podmienky a rozsahy merania pre rôzne úlohy môžu byť veľmi odlišné a požiadavky na meranie rôznych teplotných parametrov môžu byť odlišné, resp. na vykonávanie určitých úloh tepelný konvertor musí spĺňať tieto podmienky a určité požiadavky. Preto môžu byť rôzne a pri práci využívať rôzne vlastnosti materiálov. Senzory sú teda:

• Polovodič;
• tepelný odpor;
• Akustické;
• Termoelektrické;
• piezoelektrické;
• Pyrometre.

Stručne popíšeme vlastnosti každého z nich, aby ste si vedeli predstaviť, v akých prípadoch je potrebné použiť toto alebo toto zariadenie.

Polovodičové termoelektrické

Tepelné konvertory tohto typu sú v priemysle žiadané, pretože sú to lacné a pomerne presné prístroje s nízkou chybou. Pod vplyvom teploty takýto snímač registruje zmeny vlastností pn prechodu. Tu je možné použiť takmer akúkoľvek diódu alebo bipolárny tranzistor. Vysoká presnosť polovodičových snímačov teploty je dosiahnutá vďaka závislosti napätia na tranzistore od absolútnej teploty.

Tepelné odporové termoelektrické meniče

Hlavnými výhodami takýchto snímačov teploty sú ich odolnosť, stabilita a vysoká citlivosť. Dokonale zapadajú do takmer každej schémy.

Prevádzka takýchto tepelných meničov je založená na zmene odporu pod vplyvom teploty na vodič alebo polovodič. Jednoducho povedané, oni vo svojom dizajne obsahujú termistor, ktorý reaguje na zmeny meraného média.

V závislosti od materiálu použitého v termoodporových snímačoch teploty sa delia na:

1. Silikónové odporové, ktoré sa vyznačujú dlhodobou stabilitou a vysokou presnosťou.
2. Odporové teplotné detektory vyznačujúce sa vysokou stabilitou, robustnosťou a presnosťou. Ich práca je založená na schopnosti kovov meniť svoj odpor pri vystavení teplote. Najčastejšie takéto snímače používajú platinu alebo meď a pri regulácii obzvlášť vysokých teplôt volfrám. Ich jedinou nevýhodou je relatívne vysoká cena.
3. Termistory sú založené na použití zlúčenín oxidov kovov. Používajú sa len na meranie absolútnych teplôt. Hlavnými nevýhodami sú potreba kalibrácie a krehkosť.

Akustické zariadenia na priblíženie

Tento typ snímača teploty sa používa hlavne na meranie vysokých teplôt. Ich princíp činnosti je založený na zmene charakteristík zvuku pri rôznych teplotách. Pozostáva z tohto teplotný senzor z prijímača a vysielača. Zvuk prechádzajúci cez skúmané médium vstupuje do prijímača, kde sa zaznamenávajú jeho parametre a na ich základe sa určuje teplota.

Akustické tepelné senzory sa často používajú v medicíne a tam, kde nie je možné merať teplotu kontaktnými metódami. Jednou z ich hlavných nevýhod je nízka presnosť nameraných teplôt a vysoká chyba v dôsledku dodatočných funkcií.

Termoelektrické senzory

Termoelektrické snímače alebo jednoduchšie termočlánky sa vyznačujú širokým rozsahom nameraných hodnôt - od -200 do 2200 stupňov Celzia. Okrem toho ich schopnosti závisia od použitých materiálov. Merať môžu napríklad termočlánky zo základných kovov teplota do 1100 °C, s ušľachtilou do 1600 °Ca na meranie obzvlášť vysokých tepelných podmienok sa používajú termočlánky so žiaruvzdornými kovmi, ako je volfrám.

Princíp činnosti termoelektrických snímačov je založený na Seebeckovom efekte, t.j. používajú sa spoje rôznych kovov, ktoré tvoria uzavretú slučku, v ktorej vzniká elektrický prúd, keď majú spoje rozdielne teploty. Termočlánok pozostáva z dvoch koncov: pracovného a voľného. Prvý sa ponorí priamo do pracovného prostredia, zatiaľ čo druhý nie. Vzniká tak teplotný rozdiel, ktorý sa zobrazuje vo forme výstupného napätia, ktoré je zaznamenávané multivoltmetrom, často súčasťou súpravy s termoelektrickým snímačom.

Piezoelektrické kremenné zariadenia

Princíp činnosti piezoelektrického snímača teploty je založený na použití kremenného piezorezonátora. Piezomateriál použitý v ňom hrá úlohu rezonátora. Keď sa naň aplikuje elektrický prúd, toto materiál začne váhať pri vystavení rôznym tepelným režimom a mení sa aj frekvencia kmitov, ktorá je základom piezoelektrických snímačov.

Bezkontaktné tepelné konvertory pyrometre

Bezdotykové snímače schopné detekovať tepelné žiarenie zo zahriatych telies sa nazývajú pyrometre. Výhodou takýchto zariadení je, že nie je potrebné ich umiestňovať priamo do okolia. Bez priameho kontaktu je však presnosť ich odčítaní relatívne nízka, pretože sa môžu vyskytnúť vedľajšie účinky, ktoré ovplyvňujú odčítanie.

Existujú tri typy pyrometrov:

1. Interferometrické pyrometre emitujú dva lúče, z ktorých jeden prechádza médiom a druhý je riadiaci. Tieto dva lúče dopadnú na kremíkový citlivý prvok, po čom sa porovnáva lom a dĺžka lúčov, ktoré priamo závisia od ohrevu média.
2. Fluorescenčné tepelné senzory Pracujú na zložitejšom princípe: komponenty na báze fosforu sa nanášajú na povrch, kde je potrebné merať množstvo tepla. Potom je objekt vystavený ultrafialovému pulznému žiareniu, v dôsledku čoho dochádza k určitým reakciám, a žiarenie sa analyzuje.
3. Senzory, ktoré obsahujú roztokyktoré môžu vplyvom teploty meniť farbu. Chlorid kobaltnatý použitý v takýchto pyrometroch je pri kontakte s meraným médiom schopný meniť farebné spektrum v závislosti od stupňa ohrevu. Množstvo svetla prechádzajúceho cez roztok teda umožňuje merať požadované tepelné parametre.

Pravidlá výberu

Všetky vyššie uvedené snímače fungujú vynikajúco v rámci špecifikovaných limitov. Musíte však pochopiť, že si ich musíte vybrať a použiť na základe požiadaviek v konkrétnom prípade.

Preto pri výbere jedného alebo druhého tepelného konvertora by ste mali venovať pozornosť nasledujúcim bodom:

1. Hodnota teplotného rozsahu.
2. Schopnosť ponoriť snímač do meraného prostredia. Ak to nie je možné, potom sa oplatí uchýliť sa k použitiu pyrometrov alebo akustických senzorov.
3. Podmienky merania sú jedným z najdôležitejších faktorov pri výbere snímača. Tu stojí za zváženie nielen agresivita prostredia, ale aj také parametre ako: tlak, vlhkosť atď. Preto sa oplatí zvoliť buď bezkontaktné snímače alebo v puzdrách odolných voči korózii.
4. Vždy treba zvážiť aj charakter výstupného signálu. Niektoré tepelné konvertory dokážu signál okamžite previesť na stupne, zatiaľ čo iné ho dávajú iba v množstve prúdu.
5. Niektoré snímače sú dosť nestabilné a majú krátku životnosť, čo treba tiež brať do úvahy. Preto, ak je potrebná dlhá práca bez výmeny a kalibrácie, je potrebné vziať do úvahy aj túto nuanciu.
6. Pri výbere snímača pre určité potreby bude užitočné venovať pozornosť dobe odozvy, rozlíšeniu a chybe, prevádzkovému napájaciemu napätiu, typu krytu.

Berúc do úvahy všetky vyššie uvedené nuansy, môžete si vybrať snímač, ktorý je plne konzistentný vo svojich charakteristikách v konkrétnej situácii a pre konkrétne úlohy.