Princípy elektrického merania teploty

 

Princípy elektrického merania teploty

https://automatizace.hw.cz/prehled-principu-el-mereni-teploty-1-dil

Snaha o kalibráciu odporových dotykových teplotných snímačov, ktorú sme uviedli v časopise Správy 3/2020 si vyžaduje hlbšie porozumenie meraní teplôt na chladiacom okruhu. Treba zdôrazniť, že sa zaoberáme len meraniami teplôt na chladiacom okruhu a nie meraniami teplôt chladeného tovaru.

Zisťovanie teploty je stále jednou z najčastejších foriem elektrického merania. Samotné meranie teploty a prevod na elektrický signál je možné vykonať viacerými spôsobmi. Z pohľadu chladiacich okruhov a ich komponentov najmä kompresora nás zaujímajú dotykové spôsoby.  

 

Teplota na chladiacom okruhu

Teplota je druhou najčastejšou meranou fyzikálnou veličinou hneď po meraní času. Teplota hrá dôležitú úlohu ako indikátor stavu chladiaceho okruhu, kompresorov pri ovládaní a kontrole funkcie chladiaceho okruhu. Presné monitorovanie teploty na jednej strane zlepšuje ovládanie, zvyšuje energetickú efektívnosť chladiaceho okruhu a na druhej strane zvyšuje bezpečnosť chladených výrobkov, procesy môžu prebiehať bez prerušenia a za optimálnych podmienok.

 

Senzory teploty

Sa dajú rozdeliť do dvoch hlavných skupín :

  • Dotykové meranie – senzor musí byť pripevnený (dotýkať sa ) objektu či látky, ktorého teplotu má merať. Využíva sa prenosu tepla medzi dvoma objektmi. Môže sa využiť všade tam, kde je ľahký prístup k meranému objektu, okolitému prostrediu alebo meraný objekt chemicky nebo inak nereaguje v styku so senzorom.
  • Bezdotykové meranie – senzor sa nachádza v určitej vzdialenosti od meraného objektu a tým nedochádza k vzájomnému ovplyvňovaniu. Využíva sa javu, kedy každý objekt o určitej teplote vyžaruje určitú vlnovú dĺžku infračerveného žiarenia.

 

Dotykové meranie teploty na chladiacom okruhu

Už z vyššie uvedeného označení je zrejmé, že meranie teploty daného telesa prebieha priamym priložením a dotykom meracieho senzora na jeho povrch (vonkajšie meranie - obvykle na pevných telesách) či prípadne zasunutím do vnútornej štruktúry materiálu (vnútorné meranie - porézne pevné alebo kvapalné a plynné telesá). Samotný základný princíp dotykového merania spočíva v prenose tepla materiálu snímaného objektu cez krycie puzdro samotného senzora na jeho meracie miesto prostredníctvom tepelnej vodivosti materiálu. 

  • Obecné výhody: malý vplyv okolitého rušenia a vplyvov na samotné meranie = možnosť i veľmi presného merania, jednoduchá výroba a použitie senzora, možnosť merať teplotu i vo vnútri telesa (pod jeho povrchom).
  • Obecné nevýhody: často len pomerne malý rozsah meranej teploty (len niekoľko stotín °C), rýchlosť merania závislá od tepelnej vodivosti puzdra senzora i povrchu meraného objektu (média), možné ovplyvňovanie meraného predmetu samotným senzorom (odvod tepla do senzoru, kontaminácia látky či objektu látkami či baktériami na povrchu senzora/ sondy apod.), puzdro senzora je nutné voliť (meniť) podľa vlastností meraného materiálu s ktorým prichádza do styku.

Odporové kovové senzory

  1. Princíp funkcie: teplotná závislosť odporu kovu od teploty. Je spôsobená rastúcim počtom zrážok voľných elektrónov s kladnými iónmi v mriežke vo vnútornej štruktúre kovu pri zvyšujúcej sa teplote.
  2. Výhody: vysoký rozsah merateľných teplôt, dobrá linearita, časová stálosť a možnosť použiť väčších hodnôt prúdu pre snímanie odporu.

Nevýhody: malý teplotný súčiniteľ (tj. malá citlivosť = malý výstupný signál) a pomalá reakcia na zmenu teploty (nie sú vhodné pre systémy s veľkou dynamikou zmien teplôt).

 

Prevodná charakteristika rôznych typov dotykových odporových senzorov teploty Pt, Ni a termistorov  PTC, NTC (vľavo) a príklad zapuzdrenia platinového snímača Pt100 (vpravo). 

 

Typy odporových kovových senzorov:

  • Platinové
  • Niklové
  • Iné

 

Platinové 

  • Typický merací rozsah : -200 °C až +1000 °C.
  • Závislosť odporu R od teploty T : R = R0 ( 1 + 3,908.10-3T - 0,5802.10-6 T2).
  • Výroba: v hodnotách R0 = 100 ohm (Pt100), 500 ohm (Pt500), 1k ohm (Pt1000) v podobe drôtu zataveného do keramiky alebo skla ...
  • Využitie: ako dotykový, ponorný senzor pre  meranie teplôt vody vo vykurovacích a chladiacich systémoch, 

Niklové 

  • Typický merací rozsah : -60 °C až +180 °C.
  • Závislosť odporu R od teploty T : R = R0 ( 1 + 3,83.10-3 T + 4,64.10-6 T2 ).
  • Výroba: v hodnotách R0 = 100 ohm (Ni100), 200 ohm (Ni200), 500 ohm (Ni500), 1k ohm (Ni1000), tenko vrstvovou technológiu na keramickej podložke z jemného korundu, kde sa presná hodnota odporu nastavuje laserom.
  • Výhody proti platinovým: rýchlejšia odozva na zmeny teplôt, vyššia citlivosť a malé rozmery

Termistory - odporové polovodičové senzory

Termistor je pasívna elektronická súčiastka (špecializovaný typ rezistoru), ktorej elektrický odpor je závislý od teploty. Názov pochádza z angl. thermistor, ktorý má pôvod v kombinácii slov thermal a resistor 

Podľa povahy teplotnej závislosti sa termistory delia na dva druhy: 

  • PTC termistor (z angl. Positive Temperature Coefficient – pozitívny teplotný koeficient) alebo pozistor, ktorého odpor pri zahrievaní rastie
  • NTC termistor (z angl. Negative Temperature Coefficient – negatívny teplotný koeficient) alebo negastor, ktorého odpor pri zahrievaní klesá.

Termistory sa konštrukčne líšia od odporových snímačov teploty (skr. RTD z angl. Resistance Temperature Detector), typickým reprezentantom ktorých je napr. platinový senzor PT100. Zatiaľ čo odporové snímače sú z čistého kovu, termistory sú vyrobené z keramických alebo polymérových materiálov na báze polovodičov. Sú použiteľné v užšom rozsahu teplôt než odporové snímače, v tomto rozsahu sa však vyznačujú rádovo vyššou citlivosťou na zmenu teploty, čo umožňuje ich využitie v špecifických typoch obvodov, kde nemajú priamu náhradu (pozri nižšie).

Zničený NTC termistor, ktorý plnil funkciu obmedzovača štartovacieho prúdu v spínanom zdroji. Najpravdepodobnejší dôvod zlyhania (prehriatia) bolo preťaženie spôsobené konštrukčnou chybou (súčiastka bola poddimenzovaná voči očakávanému výkonu zdroja).

 

  • Princíp funkcie: závislosť elektrického odporu materiálu od teploty vplyvom závislosti koncentrácie voľných nosičov náboja od teploty.
  • Výhody: veľká citlivosť = relatívne veľký výstupný signál.
  • Nevýhody: horšia stabilita a väčší rozptyl, menší teplotný rozsah, nelinearita.

 

Typy odporových polovodičových senzorov:

Termistory - negistor (NTC): 

  • Typický merací rozsah: -50 °C až +150 °C. V prípade práškovej technológie však je možná spodná hranica už od niekoľko K alebo horná hranica až 1000° C. V prípade tenkovrstevnej technológie tiež i rozsahy až -170 °C až +450 °C. Majú záporný teplotný koeficient, tzn. s rastúcou teplotou klesá ich odpor.
  • Výroba: práškovou technológiou, tj. lisovaním zmesi oxidov kovov (napríklad Fe2 O3 + Ti O2 alebo MnO + CoO atd.), alebo tenkovrstevnou technológiou materiálov SiC alebo poly kryštalického Si (miniatúrne NTC).
  • Využití: len pre úzke rozmedzie meraných teplôt ako sú senzor teploty priestorov vo vetracích a klimatizačných zariadeniach, vonkajšie senzory teploty, meranie teploty chladiacej kvapaliny apod.

Termistory - pozistor (PTC): 

  • Typický merací rozsah: od +60 °C do +180 °C. Majú kladný teplotní koeficient, tzn. s rastúcou teplotou raste ich odpor.   
  • Výroba: z poly kryštalickej feroelektrickej keramiky (napr.. BaTi O3).
  • Využitie: keďže ich charakteristika závislosti odporu od teploty vykazuje prudký nárast teploty, využívajú sa obvykle ako dvojstavové senzory, kde zlomová hodnota teploty je daná chemickým zložením pozistoru.

Odporové teplomery

Meranie teploty odporovými teplomermi využíva zmenu ohmického odporu vodičov alebo polovodičov v závislosti od teploty. Odporové teplomery majú vo všeobecnosti nelineárnu charakteristiku. Delia sa do dvoch základných skupín: kovové odporové teplomery, polovodičové odporové teplomery. Kovový odporový teplomer využíva zmenu elektrického odporu kovového vodiča v závislosti od teploty. Elektrický odpor so vzrastajúcou teplotou narastá. Túto zmenu charakterizuje teplotný koeficient odporu α. Vo veľkom rozsahu teplôt teplotný koeficient odporu α nie je konštantný, ale sa mení so zmenou teploty. V malom rozmedzí teplôt možno túto závislosť považovať za lineárnu. Závislosť odporu kovového vodiča od teploty sa v tomto prípade dá vyjadriť vzťahom:

Rt = R0 (1 + αt)

kde Rt je elektrický odpor vodiča pri meranej teplote, R0 je elektrický odpor vodiča pri referenčnej teplote (najčastejšie pri 0 °C), α je priemerný teplotný koeficient odporu, t je teplota vodiča.Na dosiahnutie vyššej presnosti, alebo pri väčšom rozpätí meraných teplôt, je nutné vyjadrovať funkčnú závislosť odporu od teploty už uvedenú v polynomiálnom tvare. 

 

Elektrický odpor 

Je fyzikálna veličina charakterizujúca schopnosť elektrických vodičov viesť elektrický prúd. Na teplote závisí odpor vodičov i polovodičov. Z hľadiska veľkosti môžeme elektrické odpory rozdeliť na: 

  • malé - do 1 Ω - prechodové odpory, odpor vodičov pro vedení elektrického prúdu
  • stredné - 1 Ω až 1 MΩ - bežné hodnoty rezistorov pre zapojenia v elektronike
  • veľké - nad 1 MΩ - izolačné odpory, odpory pre vysoké napětí

Pre predstavu: 10 metrov vodiča, ktorý privádza prúd do zásuvky 230V~, má odpor 0,12 Ω.Závislosť elektrického odporu vodiča od teploty sa dá vyjadriť vzťahom 

  R = R0 ( 1 + α Δ t ),

kde R0  je odpor vodiča pri normálnej teplote, α  je teplotní súčiniteľ elektrického odporu a Δ t  je teplotný rozdiel. Za nízkych teplôt môže elektrický odpor niektorých látok klesnúť na nulu. Takým látkam sa hovorí supravodivé.

 

Platinové odporové snímače PT100 

sú prístroje, ktoré reagujú na teplotnú zmenu prostredia alebo média a túto zmenu prevádzajú na elektrický odpor. Sú vyrobené z platinového drôtu. Snímač PT100 má pri teplote 0 °C menovitý odpor 100,00 Ohmov, snímač PT1000 má pri tej istej teplote menovitý odpor 1000,00 Ohmov.

 

Viac informácií nájdete v časopise Správy 4/2020