Několik základních pojmů

Základní jednotkou termodynamické teploty je Kelvin [K], který je definován jako 1/273,16 část termodynamické teploty trojného bodu vody. V praxi však používáme častěji stupeň Celsia [°C]. Převod je velice jednoduchý:
 
J [°C] = T[K] - T₀ ,
 
kde T₀ =273,15 K je teplota tání vody. Ke stanovení teploty využíváme teplotní závislosti fyzikálních veličin na teplotě.

Rozdělení senzorů teploty

• dotykové
  • elektrické
  • dilatační
  • speciální (jiné)
• bezdotykové
  • tepelné
  • kvantové

My se budeme zabývat elektrickými dotykovými senzory (viz jejich přehled níže), v této první části konkrétně kovovými odporovými senzory.

Dilatační senzory jsou založeny na změně objemu látek vlivem teploty. Měření teploty se pak převádí na měření délky, objemu nebo tlaku.

Mezi speciální senzory bychom mohli zařadit např. senzory využívající teplotní změny rychlosti zvuku v ideálním plynu, teplotní závislost dielektrika nebo magnetické susceptibility (vhodné pro extrémě nízké teploty – od jednotek mK až po 20K), senzory založené na generování šumového napětí nebo tekuté krystaly.

Elektrické dotykové senzory – přehled:

• kovové odporové senzory teploty
• polovodičové odporové senzory teploty
  • termistory
    • NTC
    • PTC
  • monokrystalické odporové senzory
• monokrystalické PN senzory teploty
• termoelektrické senzory
• alternativní senzory teploty a převodníky teplota => střída nebo digitální slovo

Odporové kovové senzory teploty

Atomy krystalové mřížky kovu s rostoucí teplotou zvyšují amplitudu svých kmitů a kladou tak větší odpor průchodu elektronů. To je zjednodušená představa závislosti odporu kovů na teplotě, která je principem těchto senzorů. Závislost lze v rozsahu teplot 0 °C až 100 °C vyjádřit přibližným vztahem:

R=R₀(1+aJ) ,

kde a [K^-1] je teplotní součinitel odporu a R₀ odpor při teplotě 0 °C.

Pro kovové senzory teploty se většinou využívá platina pro její chemickou netečnost, časovou stálost, vysokou teplotu tavení a také pro možnost dosažení vysoké čistoty (pohybuje se v rozmezí 99,9 až 99,999%). Kromě platiny se můžete setkat též s niklem, mědí, molybdenem nebo některými slitinami.

Platinové odporové senzory

Platinové teploměry se vyrábějí drátkovou, tenkovrstvou nebo tlustovrstvou technologií. V prvém případě je drátkový měřící odpor tvořen spirálovitě stočeným tenkým drátkem zataveným do keramiky nebo skla. Nejlepší stability lze pro meteorologické účely docílit volným uložením platinové cívky ve směsi helia a kyslíku, protože díky různé teplotní délkové roztažnosti platiny a izolačního materiálu, které se dotýkají, vzniká systematická chyba, která má charakter hystereze. Odpory vyráběné tenkovrstvou technologií, při níž se platinový odpor vytvoří na ploché korundové destičce technikou napařování a iontového leptání mají rychlejší odezvu než odpory drátkové, mají obvykle vyšší odpor a jsou levnější. Drátkové odpory jsou však časově stálejší. Čistota platiny pro provozní teploměry se posuzuje podle tzv. redukovaného odporu W_100 °C, který je dán poměrem odporů senzoru při 100 °C a 0 °C:
 

U provozních teploměrů je důležitá záměnnost umožňující měřit s chybami v určitých dohodnutých mezích. Z tohoto důvodu jsou normami určeny základní hodnoty odporů včetně odchylek. Dle IEC ( International Electrotechnical Commission ) se platinové měřící odpory (W₁₀₀ =1,385) dělí do dvou tolerančních tříd:

• Třída A : Rozsah teplot: -200 ° C až 650 ° C, tolerance ( ° C): ± (0,15 + 0,002 · | t |),
• Třída B : Rozsah teplot: -200 ° C až 850 ° C, tolerance ( ° C): ± (0,3 + 0,005 · | t |),

Standardní hodnota odporu Pt senzoru je 100 W při 0 ° C, kromě této hodnoty se ale vyrábějí též Pt senzory 50, 200, 500, 1000 a 2000 W. Pro teplotní závislost standardního měřícího odporu (W₁₀₀ =1,385, R₀ =100 W) platí vztah:

R_J =R₀ [1 + AJ + BJ² + CJ³ (J -100)] ,

Přičemž dle IEC je A = 3,90802x10^-3 K^-1 , B = -5,802x10^-7 K^-2 a C = -4,27350x10^-12 pro J < 0 °C, resp. C=0 pro J >0 °C. Chyba linearity pro rozsah teplot od 0 °C do 100 °C činí asi 1,45·10^-3 R₀ tedy cca 0,15 °C.

Kromě výše uvedených teplotních rozsahů se vyrábějí též vysokoteplotní senzory do teploty 1100 °C. Odporové senzory teploty se vyrábějí buď se dvěma nebo čtyřmi vývody. U dvouvodičového provedení se přičítá odpor vývodů k odporu vlastního senzoru a vzniká tak jistá proměnná chyba.

Poznánka: v některých zemích (např. Velká Británie, Japonsko, USA, Rusko) se používá čistší platina např. s W₁₀₀ =1,391. Toleranční přímky i závislost odporu na teplotě (tj. rovnice výše a graf níže) se budou lišit.

Tolerance Pt standardních měřících odporů dle IEC


Závislost odporu (resp. R/R 0 ) Pt senzoru na teplotě – modrá křivka, červená přímka je zde pro zvýraznění nelinearity.

Senzory mají obvykle tvar podlouhlých válečků nebo malých destiček v závislosti na technologii výroby:

Drátkové vinuté (obr. vlevo) i tenkovrstvé (obr. vpravo) platinové senzory teploty vyrábí např. japonská firma Hayashi Denko - http://www.hayashidenko.co.jp/en/ a dováží je k nám firma Intrax - http://www.intrax.cz/pt.html. Firma nabízí několik druhů senzorů lišících se hodnotou odporu (100, 500, 1000 W), rozměry, třídou přesnosti a dalšími parametry. Kromě výše zmíněných tříd přesnosti A a B, nabízí firma též třídu 0,8 a 1/3 DIN. Tolerance jsou patrné z následujícího grafu. (Jen pro doplnění, teplotní tolerance je u třídy 0,8 vyjádřena vzorcem ±(0,6+0,008t) °C, u třídy 1/3DIN vzorcem ±(0,1+0,0017t) ° C.)

Niklové odporové senzory

Niklové senzory se obvykle vyrábějí tenkovrstvou technologií. Jejich výhodou je vysoká citlivost, rychlá časová odezva a malé rozměry. Ve srovnání s platinovými senzory trpí značnou nelinearitou, mají omezenější teplotní rozsah (používají se pro teploty -60 °C až 180 °C) a menší dlouhodobou stálost. Používají se čidla např. s W₁₀₀ = 1,6170, ale pravděpodobně nejužívanější jsou čidla s W₁₀₀ = 1,6180 a R₀ = 100 W dle normy DIN 43760.

Závislost tolerance Ni odporových senzorů na teplotě

Měděné odporové senzory

Tyto senzory lze použít pro měření teplot od -200 °C do 200 °C. Běžně se příliš nepoužívají vzhledem k malé rezistivitě a snadné oxidaci mědi. Můžete se s nimi setkat ve formě vinutých čidel s W₁₀₀ =1,4260 a jmenovitou hodnotou odporu 50 nebo 100W . Výhodnou aplikací mědi je např. přímé měření teploty měděného vinutí elektromotoru.

Shrnutí

Měření

Při zapojení senzoru do měřícího řetězce je třeba si dát pozor zejména na maximální měřící proud a minimalizovat jeho vliv. Průchodem měřícího proudu odporovým senzorem teploty dochází k chybě vlivem oteplení senzoru. Maximální měřící proud bývá uváděn výrobcem mezi základními údaji, u platinových senzorů s R₀ =100W bývá kolem 1mA.

Dále je třeba vhodným obvodovým řešením minimalizovat vliv odporu přívodů k senzoru. Jsou-li totiž přívody vyrobeny např. z mědi, mění se jejich odpor s teplotou podobně jako je tomu u samotného senzoru. Vliv odporu vedení se neuplatní u vhodného čtyřvodičového zapojení.

Vzhledem k jisté nelinearitě je též vhodné uvažovat o analogové nebo digitální linearizaci, obzvlášť u větších teplotních rozsahů. Některé měřící obvody pro odporové senzory teploty budou zmíněny v samostatné kapitole, která bude následovat za polovodičovými odporovými senzory teploty.

Nezapomeňte, že jedním z hlavních předpokladů správného měření teploty je vhodné umístění snímače teploty, aby byl zajištěn správný přestup tepla a dokonalý styk s měřeným prostředím.

Konkrétní zapojení

S kovovými odporovými senzory teploty jsem nalezl toto zapojení, na internetu jich určitě naleznete mnohem víc:

Závěr

Nejčastěji používaným materiálem pro kovové odporové senzory teploty je platina, poněvadž může být vyrobena ve standardně čistém stavu a je fyzikálně i chemicky stálá. Vysoká přesnost měření, široký rozsah měřené teploty, vysoká dlouhodobá stabilita a malá nelinearita závislosti odporu na teplotě nabízejí široké možnosti použití platinových teploměrů i v náročnějších aplikacích. K dostání je velký sortiment drátkových i miniaturních napařovaných platinových čidel.

Nikl má výhodu vyšší citlivosti, je však méně stálý a obtížně se vyrábí ve standardní čistotě. Protože při vyšších teplotách dochází ke změně krystalické modifikace, provázené i změnou teplotního součinitele, používá se jen do cca 200 oC. Použití mědi je omezeno z důvodů snadné oxidovatelnosti a malého měrného odporu.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stanislav Kubín - Měřič teploty s PT100 , Praktická elektronika 10/2001, strana 16 - http://web.iol.cz/sct/sta/rt/Rtnav.pdf .
• Senzory a měřící obvody – Stanislav Ďaďo, Marcel Kreidl, Vydavatelství ČVUT
• Katalogový list firmy Hayashi Denko a její internetové stránky http://www.hayashidenko.co.jp/en/
• Internetové stránky VŠCHT v Praze, elektronický učební text Měřící a řídící technika: http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/
• Internetové stránky VUT v Brně, Měření a regulace na základě počítačů PC: http://dt.fme.vutbr.cz/~measure/Cmereni.htm