#09 Snímače teploty | Úvod

Informace, které jsou v daných kapitolách obsaženy, mohou velmi dobře posloužit projektantům nebo montážním firmám při výběru vhodného typu čidla a následně i snímače při návrhu a realizaci projektu. Stejně dobře však mohou tyto informace posloužit všem, kteří o měření teploty něco slyšeli a chtějí se dozvědět, jakými prostředky se tato fyzikální veličina měří.

Teplota je po čase, váze a délce čtvrtou nejčastěji měřenou fyzikální veličinou. Odporové snímače teploty patří v současnosti mezi nejrozšířenější prostředky pro měření teploty. Jsou hojně využívány ve všech odvětvích průmyslu např. ve strojírenství, v automobilovém průmyslu, v chemickém průmyslu, topenářství, při využití netradičních forem energií, v potravinářství atd. Ale tím jejich možnosti použití zdaleka nekončí. Používají se např. i jako etalony pro kalibraci dalších druhů snímačů či teploměrů. K jejich hlavním výhodám patří stabilita, přesnost a tvar signálu. Odporové snímače teploty využívají závislost odporu materiálu na teplotě. Nejčastěji se k jejich výrobě využívá čistých kovových materiálů, jakými jsou platina, nikl, měď a jejich slitiny. U těchto materiálů je změna odporu s teplotou přibližně kvadratická. U polovodičových a speciálních odporových snímačů je tomu jinak. Např. u termistorů NTC je závislost přibližně hyperbolická – se stoupající teplotou odpor klesá.

Názvosloví

Doba odezvy t0,5 (t0,9) -časová konstanta snímače- udává čas, za který dosáhne výstupní signál 50% (90%) konečné hodnoty (ustáleného stavu), změní-li se teplota skokem. Je závislá na rozměrech a materiálu snímače a na prostředí, ve kterém je teplota měřena (např. voda, vzduch a jejich rychlost proudění). ITS 90 – mezinárodní teplotní stupnice. Definuje jednotku termodynamické teploty (T) –Kelvin [K] jako 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody. Současně definuje i teplotu (t) ve stupních Celsia [°C] jako t [°C] = T[K] - 273,15

Niklový odporový snímač teploty - odporový snímač teploty s čidlem teploty z niklu. Odporové čidlo teploty – část snímače teploty sloužící ke snímání teploty. Skládá se z materiálu, který má definovanou závislost elektrického odporu na teplotě a vývodů. Někdy se používá označení měřicí element, měřicí rezistor (ČSN EN 60 751), měřicí senzor nebo měřicí odpor. Pro potřeby této příručky se budeme držet zavedeného termínu čidlo. Odporový snímač teploty – konstrukční celek skládající se z odporového čidla teploty, vnitřního vedení s izolací, stonkové trubice (stonku) a hlavice nebo připojovacího vedení. Používá se i označení odporový teploměr. Poměr odporů Wt – podíl elektrického odporu při teplotě t a odporu při teplotě 0,01°C (Wt = Rt / R0,01). Starší definice byla Wt = Rt / R0. Tato definice se i dnes používá pro průmyslové teploměry. Dříve se používal termín redukovaný odpor. Platinový odporový snímač teploty – odporový snímač teploty s čidlem teploty z platiny. Stonková trubice (stonek) – část snímače chránicí čidlo a vnitřní vedení před poškozením a vnějšími vlivy.

Vnitřní vedení – vodiče spojující odporové čidlo teploty se svorkovnicí anebo konektorem umístěným v hlavici snímače. Základní odpor R0 – odpor čidla (snímače) při 0°C (resp. p ři 0,01°C u etalon ů a přesných teploměrů). Teplotní koeficient α – je definován jako střední relativní změna odporu na stupeň Celsia mezi teplotami 0 až 100°C. Je udáván v [ °C -1] – příklad Pt 100; α= 3,850.10-3 °C -1 – a nebo pod označením TCR v [ ppm/°C] se zápisem Pt100/3850. Základní odpor R0 a Teplotní koeficient α jsou hlavními charakteristikami každého čidla.

Rozdělení odporových snímačů teploty

Pro rozdělení odporových snímačů teploty může být použito několik kritérií. V příručce jsou uvedena pouze nejpoužívanější z nich.

Podle druhu odporového materiálu čidla

• S čidly z kovových materiálů  - Pt, Ni, Cu
• S čidly z polovodičových materiálů - termistory NTC, alebo  monokrystalické Si, Ge

Podle rozsahu teplot

• nízkých teplot                       -200° až 100°C
• pokojových teplot                -30° až 100°C
• nižších středních teplot      -50° až 650°C
• vyšších středních teplot       0° až 1000°C

Z hlediska konstrukce a použití

Přesné

• etalonové
• laboratorní

Průmyslové

• pracovní
• provozní

Zapojení odporových snímačů teploty

a. Dvouvodičové – používá se pro běžná měření na kratší vzdálenosti. b. Třívodičové - kompenzuje vliv změny odporu přívodních vodičů do jejich délky asi 100 m. Výhodou je možnost změření odporu vnitřního vedení za provozu. c. Čtyřvodičové zapojení - měřící odpor je v tomto případě vybaven dvěma proudovými a dvěma napěťovými vodiči. Měří se úbytek napětí na měřícím odporu napájeného konstantním proudem. Odpor vnitřního vedení je zcela vyloučen. Používá se pro přesná měření. d. 2 x dvouvodičové zapojení - používá se pro běžná měření na kratší vzdálenosti v případě potřeby umístění dvou měřících odporů do jednoho stonku snímače . Způsob zapojení a materiál vnitřního vedení má vliv na chybu měření. Pro snížení vlivu vnitřního vedení se používají odporové snímače teploty s vyššími odpory čidel (např. 500 W, 1000 W …). Pro přesná měření se zásadně požaduje čtyřvodičové zapojení.

Provedení odporových snímačů teploty

Pro oblast nízkých teplot se jako etalon 1. řádu používá 100W platinový snímač teploty Pt 100; α=1,3925.10-3 °C -1 (Pt 100/3925), pro vyšší teploty pak Pt 25 a nebo Pt 10. Pro etalony 1. řádu se všeobecně požaduje čidlo s volně vinutým platinovým drátkem na keramické kostře. stonek z křemenného skla o průměru 6 až 10 mm a o délce 450 mm. Pro nejvyšší teploty je někdy stonek vyráběn z platiny. Zapojení je výhradně 4-vodičové, vodiče vnitřního vedení jsou z platiny. Pro sekundární etalony 2. řádu může být stonek i z jiných materiálů jako jsou např. nerezové oceli, nikl nebo měď. Rozhoduje zde rozsah teplot, pro které je snímač určen. Pro tyto etalony jsou používány Pt 100; α=1,3925.10-3 °C -1 (Pt 100/39252), Pt 100; α=1,3920.10-3 °C -1 (Pt 100/3950) a nebo Pt 100; α=1,3850.10-3 °C -1 (Pt 100/3850). Etalony musí splňovat požadavky ITS 90.

V praxi se velice často používají snímače teploty se základním odporem čidla 100, 500, 1000 W. V konstrukci čidel v minulosti převažovala čidla teploty v drátkovém provedení, ale v současnosti se již dává přednost čidlům vyráběným novými technologiemi. Tato čidla jsou nazývána „vrstvová“. Na povrch nosné kostry (nejčastěji keramická destička) je nanesena vrstva odporového materiálu (platina, nikl, měď). Vlastní nanesení se provádí různými metodami, např. vakuovým napařováním nebo naprašováním s následnou tvorbou finální struktury fotolitografií. Justáž odporu se obvykle provádí vypalováním  odporové dráhy laserem (trimování). Závěrečnými operacemi jsou vícevrstvá pasivace, kontaktování vývodů a jejich pasivace.

Vlastnosti odporových snímačů teploty

na stabilitu snímačů/čidel teploty působí více vlivů. Hlavní vliv má provozní teplota a hladina vibrací. Při měření se setkáváme s jevy, které označujeme jako nestabilita čidla. Nestabilita je posuzována podle změn základního odporu. Nestabilita se projevuje jako hystereze, fluktuace nebo stárnutí. Hystereze je časová změna po zahřátí na vyšší teplotu. Často souvisí s rychlostí ochlazení nebo s konstrukcí snímače teploty. Je to vratná změna – po nějakém čase se čidlo vrátí k původním hodnotám. Fluktuací nazýváme jev, kdy ke změnám odporu dochází při práci se snímači. Změny bývají skokové a snímače si obvykle svou hodnotu drží delší dobu. Příčinou těchto změn bývá změna polohy čidla vzhledem ke kostře v důsledku nárazu, chvění, tepelného šoku atd. Zahřátím nad teplotu 450°C se čidlo obvykle vrátí k původním hodnotám. Tyto změny se projevují především u etalonů při dopravě. Stárnutí v sobě zahrnuje všechny nevratné změny, které nastávají v průběhu života snímače. Změny jsou nevratné, plynulé, zpočátku rychlejší a postupně se zpomalují.

průchodem měřicího proudu čidlem teploty vzniká teplo (Jouleovo teplo) a tím dochází k ohřevu čidla. Toto zvýšení teploty není zanedbatelné pro přesná měření a v mnoha případech ani pro měření provozní. Velikost změny teploty závisí na velikosti měřicího proudu, konstrukci čidla a na prostředí, ve kterém je teplota měřena. Výrobci čidel teploty udávají ve svých materiálech hodnoty maximálního měřicího proudu, které by neměly být překročeny, aby nedošlo ke zkreslení výsledků měření. Např. u čidla Pt 100 je udávána doporučená hodnota měřicího proudu 1 mA, což za běžných provozních podmínek znamená chybu menší než 0,05°C. U výrobců, kteří udávají 5 - 10 mA může chyba vzrůst až na 2°C. V n ěkterých podrobnějších materiálech lze rovněž nalézt vzorec pro výpočet chyby měření v závislosti na koeficientu samoohřevu. Tento koeficient bývá udáván pro různá prostředí a různé typy čidel. Některé současné aplikace pro potlačení tohoto jevy využívají tzv.pulsního měření, kdy jmenovitý měřící proud je do čidla pouštěn pouze po krátký okamžik, takže jouleovo teplo se stačí rozptýlit v okolním materiálu.

čidla teploty jsou vyráběna v různých třídách přesnosti (tolerančních třídách). Rozdělení do tříd je dáno velikostmi odchylek odporu čidla od jmenovitých hodnot. Čidla s vyšší třídou přesnosti (například třídy AA a A u platinových čidel) jsou používány pro přesná měření, pro kontrolní měření a také pro výrobu provozních etalonů. Pro běžné provozní aplikace jsou obvykle používána čidla s nižší třídou přesnosti (například B u platinových čidel). Pro každou třídu přesnosti je známa rovnice, která ji charakterizuje a také určuje velikost tolerančního pole. V tomto poli musí ležet hodnoty elektrického odporu daného čidla teploty.

Zdroj:

• www.youtube.com / siemens
• www.sensit.cz

Autor Vašich vedomostí