#11 Snímače teploty | Odporové snímače teploty

Obsah nasledujúceho príspevku:

• Platinová odporová čidla
• Niklová odporová čidla
• Polovodičová odporová čidla
• Termočlánkové snímače teploty

Platinová odporová čidla

V současnosti je teplota jedním z nejdůležitějších parametrů, které rozhodují o kvalitě, bezpečnosti a spolehlivosti procesů. Rostoucí požadavky na kvalitu měření a snížení ceny vedly výrobce čidel k minimalizování rozměrů čidel.

Konstrukce čidel:

Na keramický substrát je metodou naprašování ve vakuu nanesena tenká vrstva vysoce čisté platiny. Tato vrstva je fotolitograficky strukturována a pomocí laseru je odpor čidla velmi přesně nastaven na jmenovitou hodnotu. Aktivní plocha čidel je pasivována skelnou pasivační vrstvou, která chrání čidla proti mechanickému a chemickému poškození. Vývody čidel jsou přivařeny k odporovému meandru tak, aby s ním měly elektrický kontakt a jsou obaleny kapkou pasivační skelné pasty.

Typické vlastnosti:

• krátká časová odezva
• vynikající dlouhodobá teplotní stabilita
• vysoký koeficient samoohřevu
• zaměnitelnost
• malé rozměry
• odolnost vůči vibracím a teplotním šokům
• vysoká spolehlivost

Dlouhodobá stabilita:

Změna odporové hodnoty po 1000 h v maximální teplotě rozsahu je menší než 0,03%.

Samoohřev:

Při průchodu elektrického proudu čidlem teploty vzniká tepelná energie, která ovlivňuje chybu měření. Pro minimalizaci této chyby je žádoucí používat měřicí proud doporučený výrobcem.

teplotní chyba: Dt = RI2 . S 

(S - koeficient samoohřevu [°C/mW], R - odpor [kW], I - měřicí proud [mA])

Teplotní koeficient α:

je definován jako střední relativní změna odporu na stupeň Celsia mezi teplotami  0 až 100°C.

Použití čidel:

Čidla Pt 100 jsou nejrozšířenějším typem odporových čidel teploty. Nejčastěji jsou používána v měřicí a regulační technice, v potravinářství, v automobilovém průmyslu, v meteorologii atd. Jsou podporována většinou výrobců v oblasti MaR. Důležitou oblastí použití jsou přesná měření. Pt 100 se používá v laboratořích, při fakturačních měřeních a také při výrobě etalonů pro kalibraci ostatních snímačů či teploměrů.

Vysoký základní odpor 1000W  předurčuje čidla pro použití v aplikacích, kde je nutné snímač připojovat delším kabelem. Jsou k vidění ve výrobních halách strojírenských firem, v plynárenství, v potravinářství, v oblasti vytápění a klimatizace, chladírenství atd. Pro své vlastnosti (stabilita, přesnost) se začínají ve stále větší míře prosazovat u výrobců měřicí a testovací techniky. Při aplikaci je nutno dodržovat doporučené hodnoty měřicího proudu vzhledem k samoohřevu.

Niklová odporová čidla

V současnosti je teplota jedním z nejdůležitějších parametrů, které rozhodují o kvalitě, bezpečnosti a spolehlivosti procesů. Rostoucí požadavky na kvalitu měření a snížení ceny vedly výrobce čidel k minimalizování rozměrů čidel.

Konstrukce čidel:

Na keramický substrát je metodou naprašování ve vakuu nanesena tenká vrstva vysoce čistého niklu. Tato vrstva je fotolitograficky strukturována a pomocí laseru je odpor čidla velmi přesně nastaven na jmenovitou hodnotu. Aktivní plocha čidel je pasivována skelnou pasivační vrstvou, která chrání čidla proti mechanickému a chemickému poškození. Vývody čidel jsou přivařeny k odporovému meandru tak, aby s ním měly elektrický kontakt a jsou obaleny kapkou pasivační skelné pasty.

• krátká časová odezva
• vynikající dlouhodobá teplotní stabilita
• vysoký koeficient samoohřevu
• malé rozměry
• zaměnitelnost
• odolnost vůči vibracím a teplotním šokům
• jednoduchá linearizace

Změna odporové hodnoty po 1000 h v maximální teplotě rozsahu je menší než 0,1%. Samoohřev: Při průchodu elektrického proudu čidlem teploty vzniká tepelná energie, která ovlivňuje chybu měření. Pro minimalizaci této chyby je žádoucí používat měřicí proud doporučený výrobcem.

teplotní chyba: Dt = RI2 . S 

(S - koeficient samoohřevu [°C/mW], R - odpor [kW], I - měřicí proud [mA])

je definován jako střední relativní změna odporu na stupeň Celsia mezi teplotami  0 až 100°C. Použití čidel:

Čidla na bázi niklu jsou velmi často používána jak pro běžná měření teploty (kanceláře, obytné domy), tak pro účely regulace velkých technologických celků, jakými jsou např. mlékárny, pivovary atd. Často se používají v automobilovém průmyslu, ve zdravotnictví,v potravinářství, ve stavebnictví atd. Používají se jako čidla pro snímače do exteriérů, do interiérů, do potrubí, pro termostaty atd.

Polovodičová odporová čidla

Využívají teplotní závislosti polovodičových materiálů. Mají monokrystalické nebo polykrystalické struktury s polovodičovými vlastnostmi. Elektrickým signálem těchto čidel je úbytek napětí, který vzniká na teplotně závislém odporu čidla průchodem měřicího proudu. Mezi čidla s monokrystalickou strukturou řadíme např. křemíková čidla a čidla z germania (oblast velmi nízkých teplot). Velmi rozšířenými polovodičovými čidly je skupina polykrystalických oxidických čidel. Ta se dělí na skupinu s negativním součinitelem odporu - NTC termistory (negastory) a na skupinu s pozitivním součinitelem odporu - PTC termistory (pozistory).

Odporová křemíková čidla teploty jsou tvořena dotovaným monokrystalickým křemíkem, který je prostřednictvím kontaktních ploch spojen s drátovými vývody. Teplotní závislost odporu je exponenciální s kladným teplotním součinitelem a:

RT = R25(1+a*DT+b*DT2).

NTC termistory jsou tvořeny tělískem ze spékaného polovodičového materiálu na bázi oxidů Fe, Mn, Co, Ni, Cu a jiných kovů, opatřeného vývody a vhodně zapouzdřeného. Většinou se používají perličkové, tyčinkové nebo destičkové termistory. Teplotní závislost těchto termistorů vyjadřuje rovnice:

RT = exp (A0+A1 / T+A3 / T3) Typické vlastnosti:

• malé rozměry
• otřesuvzdornost
• vysoký odpor
• nízká cena
• krátká časová odezva
• dlouhodobá stabilita
• jednoduchá linearizace

V poslední době se tyto snímače teploty těší velké oblibě a to hlavně díky tvaru výstupní charakteristiky, ceně a dostupnosti v různých zákaznických provedeních. Snímače teploty se velmi často používají ve výpočetní technice, ve vzduchotechnice, v automobilovém průmyslu, při regulaci teploty venkovních bazénů, jako čidla nástěnných pokojových termostatů atd.

Termočlánkové snímače teploty

Termočlánkové snímače teploty využívají Seebeckova jevu, kdy v jednoduchém elektrickém obvodu tvořeném vodiči ze dvou různých kovů vzniká termoelektrické napětí, které je úměrné rozdílu teplot mezi měřeným a referenčním (studeným) koncem. Podle použitých kovů dělíme termočlánky na termočlánky z obecných kovů a na termočlánky z drahých kovů. Označení, složení a vlastnosti základních termočlánků jsou definovány normou EN 584 nebo ČSN 60584. V praxi se můžeme setkat i s termočlánky podle jiných norem.

Konstrukce termočlánků:

• Konstrukce s drátovými termočlánky: Jsou tvořeny dvěma izolovanými vodiči. Provozní vlastnosti těchto termočlánků jsou dány materiálem a konstrukcí izolace. Běžné jsou izolace plastové ( např. PVC, PE, silikon, FEP, PTFE,..), izolace opletem skleněnými vlákny, smalty, keramické kapiláry a další.
• Konstrukce s pláštovými termočlánky: Využívají konstrukce, kdy termočlánkové vodiče jsou uloženy ve zhutněném keramickém zásypu z oxidu Al2O3 nebo MgO. Pláště bývají vyrobeny buď z teplotně stabilizovaných nerezových ocelí nebo z materiálů na bázi niklu – např. Inconel 600. Výhodou této konstrukce je vysoký rozsah měřených teplot, velmi vysoká mechanická a chemická odolnost. Obě tyto konstrukce umožňují realizovat jednoduché i vícenásobné termočlánky pro širokou škálu aplikací.

• krátká časová odezva
• velmi dobrá teplotní stabilita v širokém rozsahu teplot
• vhodné pro vysoké a velmi vysoké teploty
• malé rozměry
• odolnost vůči vibracím a teplotním šokům
• výsledné vlastnosti jsou dány dodržením přesného složení použitých kovů
• obecně nižší přesnost v porovnání s odporovými platinovými čidly
• složitější vyhodnocování – musíme vyhodnocovat i teplotu referenčních (studených) koncům
• pro napojení na měřící přístroj musíme použít speciální kabely ( kompenzační a nebo prodlužovací vedení) případně speciální konektor.

Zdroj: www.sensit.cz

Autor Vašich vedomostí