Snímače teploty – současný stav a směry vývoje

Snímače teploty – současný stav a směry vývoje

Lubomír Smutný

Příspěvek stručně popisuje současný stav kontaktních snímačů teploty z pohledu jejich typových vlastností, rozsahů a přesností. Jsou charakterizovány standardní principy a struktura kontaktních teploměrů s elektrickým výstupním signálem, tj. termočlánkových a odporových (kovových, polovodičových) s důrazem na nová provedení, materiály a trendy v této oblasti techniky. Zmíněny jsou i méně tradiční principy snímání teploty (např. optické vláknové snímače) a také rozvíjející se skupina inteligentních snímačů teploty. Závěrem jsou uvedeny některé poznatky a zkušenosti z praxe v dané oblasti získané na pracovišti autora.

1. Úvod

Teplota je jednou z nejdůležitějších fyzikálních veličin. Ovlivňuje téměř všechny stavy a procesy v přírodě i technice. Pominou-li se klasické rtuťové a kovové bimetalové teploměry, používají se obvykle k měření teploty standardní měřicí řetězce sestavené z čidla, převodníku a vyhodnocovací a zobrazovací jednotky. Převod teploty na elektrický signál zajišťuje čidlo, jehož signál se v převodníku zesiluje, upravuje a většinou digitalizuje a vyhodnocovací jednotka ho ve vhodném tvaru zobrazuje a popř. dokumentuje. Převodník a vyhodnocovací jednotka zpravidla tvoří jeden celek, v poslední době často samostatně nabízený jako inteligentní (smart) snímač teploty [1], [2], [3].

2. Principy snímání teploty

Teplota je v průmyslové praxi nejčastěji sledovanou či regulovanou veličinou a její přesné měření je nejčastěji prováděným měřicím úkonem. K měření teploty se využívá mnoho různých funkčních principů, jejichž základní přehled je uveden v tab. 1. Přes rostoucí význam bezkontaktních měřicích metod se teplota v průmyslu nejčastěji měří kontaktními metodami, jimž se článek dále věnuje.

Tab. 1. Přehled principů a vlastností snímačů teploty

3. Odporové snímače teploty

3.1 Kovová odporová čidla
Atomy v krystalové mřížce kovů s rostoucí teplotou zvětšují amplitudu svých kmitů, a kladou tak větší odpor průchodu elektronů. To je zjednodušená představa závislosti elektrického odporu kovů na teplotě, která je principem kovových odporových čidel teploty. Uvedenou závislost lze v rozsahu teplot 0 až 100 °C vyjádřit přibližným vztahem

R_t = R₀(1 + αt)          (1)

kde α je teplotní součinitel odporu (K^–1), t teplota čidla (°C), R_t elektrický odpor čidla při teplotě t (Ω), R₀ elektrický odpor čidla při teplotě 0 °C (Ω), popř. 0,01 °C (u etalonů a přesných teploměrů, pak se značí R_0,01).

Dále se při popisu odporových čidel teploty používají tzv. poměr odporů W_t, u průmyslových teploměrů definovaný jako W_t = R_t/R₀, a teplotní součinitel odporu T_k, definovaný jako střední poměrná změna odporu na kelvin mezi teplotami 0 a 100 °C.

Jako citlivý materiál se pro výrobu kovových odporových čidel teploty většinou volí platina pro její chemickou netečnost, časovou stálost, vysokou teplotu tavení a také pro možnost dosáhnout vysoké čistoty materiálu (v rozmezí 99,9 až 99,999 %). Vedle platiny jsou to také nikl, měď, molybden nebo některé slitiny [5], [8]. Základní vlastnosti tří kovů nejčastěji používaných k výrobě odporových čidel teploty jsou uvedeny v tab. 2.

Tab. 2. Základní vlastnosti nejčastěji používaných kovových odporových čidel teploty

Platinové odporové teploměry se vyrábějí drátkové nebo s použitím techniky tenkých, popř. i tlustých vrstev. V prvním případě je měřicí rezistor tvořen tenkým drátkem navinutým na vhodné podložce a vhodně chráněným, např. i zatavením do keramiky nebo skla. Odporové senzory teploty vyráběné technikou tenkých vrstev, při níž se platinový nebo jiný rezistor vytvoří na ploché korundové destičce technikou napařování a iontového leptání, mají rychlejší odezvu než drátkové odpory, obvykle větší odpor a jsou levnější. Drátkové rezistory jsou však stálejší v čase a lépe odolávají vibracím.

U provozních teploměrů je důležitá jejich záměnnost, umožňující měřit s chybami v určitých dohodnutých mezích. Proto jsou normami určeny základní hodnoty rezistorů včetně odchylek. Podle normy pro průmyslová odporová čidla teploty ČSN IEC 751 se platinové měřicí rezistory dělí do dvou tolerančních tříd podle tab. 3.

Standardní hodnota odporu platinového čidla teploty je 100 Ω při teplotě 0 °C. Vedle těchto standardních čidel, označovaných jako Pt100, se vyrábějí též platinová čidla se jmenovitými odpory 50, 200, 500, 1 000 a 2 000 Ω.

Obr. 1. Teplotní závislosti vybraných odporových čidel teploty (Pt, Ni, NTC)

Pro teplotní závislost čidla Pt100 (W₁₀₀ = 1,385, R₀ = 100 Ω) platí vztah

R_t = R₀ [1 + At + Bt² + C(t – 100)t³]          (2)

přičemž podle ČSN IEC 751 je A = 3,908 3 · 10–3 K^–1, B = –5,775 · 10^–7 K^–2, C = –4,183 · 10^–12 K^–4 pro t < 0 °C a C = 0 pro t > 0 °C. Chyba linearity v rozsahu teplot od 0 do 100 °C činí asi 1,45 · 10^–3 R₀, tedy asi 0,15 °C. Průběh závislosti odporu standardního čidla Pt100 na teplotě je ukázán na obr. 1 a průběh tolerančních mezí čidel tříd A a B podle normy ČSN IEC 751 na obr. 2. Vedle čidel s již uvedenými měřicími rozsahy se vyrábějí také vysokoteplotní čidla do teploty až 1 100 °C.

Obr. 2. Tolerance standardních měřicích rezistorů Pt100 podle ČSN IEC 751

Odporová čidla teploty jsou k dispozici se dvěma nebo čtyřmi vývody. U dvouvodičového provedení se přičítá odpor vývodů k odporu vlastního senzoru, a vzniká tak jistá proměnná chyba [6].

3.2 Polovodičová polykrystalická čidla
Čidla teploty z amorfních a polykrystalických polovodičů jsou známa pod názvem termistor (z označení thermally sensitive resistor). Podobně jako u kovových se u nich využívá závislost elektrického odporu materiálu na teplotě. Na rozdíl od kovů je ale princip vodivosti polovodičů odlišný, a proto jsou jiné i vlastnosti těchto čidel. S rostoucí teplotou koncentrace nosičů náboje roste, a tudíž elektrický odpor polovodičového materiálu klesá. Zatímco je snaha tento jev u klasických polovodičových součástek potlačit, u termistorů je naopak snaha ho vhodným materiálovým složením a způsobem výroby zvýraznit. Teplotní závislost termistorových teploměrů má exponenciální charakter a lze ji vyjádřit např. vztahem:

kde R_T je odpor při absolutní teplotě T, R₀ odpor při absolutní teplotě T₀, B materiálová konstanta (téměř nezávislá na teplotě).

Již podle svého tzv. názvu mají termistory NTC (Negative Temperature Coefficient) záporný teplotní součinitel odporu, což odpovídá již zmíněnému jevu. Pro některá použití jsou zajímavé velmi malé rozměry tzv. perličkových termistorů, jejichž malá tepelná kapacita zkracuje časovou konstantu čidla na jednotky sekund, a zvětšuje tak rychlost jeho odezvy na změny teploty. Často se používají např. pro monitorování povolené teploty vinutí elektrických strojů. Široké uplatnění mají termistory v měřicích a řídicích obvodech automobilů např. pro měření teploty provozních kapalin (voda, olej) nebo v klimatizačních a topných systémech.

Obr. 3. Termočlánkový měřicí řetězec s číslicovým výstupem

Polykrystalické termistory NTC se vyrábějí práškovou technologií spékáním oxidů Fe₂O₃, TiO₂, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO apod. Vedle termistorů pro běžné teplotní rozsahy –50 až 150 °C se vyrábějí i speciální keramické termistory pro nízké (od asi 4 K) a vysoké teploty (přibližně do 1 000 °C).

3.3 Polovodičová monokrystalická čidla
Polovodičová monokrystalická čidla teploty lze vyrobit z křemíku, germania nebo india, v praxi se však lze setkat pouze s křemíkovými senzory. Teplotní závislost odporu křemíku je v tomto rozsahu teplot dána teplotní závislostí pohyblivosti nosičů (tzv. nevlastní elektronová vodivost podmíněná přítomností cizích prvků). S růstem teploty, podobně jako je tomu u kovů, se vlivem rozptylu nosičů náboje na mřížce polovodiče zmenšuje pohyblivost těchto nosičů a odpor senzoru se v závislosti na teplotě parabolicky zvětšuje podle vztahu

R_t = R₀ + k(t – t₀)²          (4)

kde R₀ je odpor senzoru při vztažné teplotě t₀ a k materiálová konstanta.

Pro polovodičová monokrystalická čidla teploty jsou dále charakteristické:

• teplotní součinitel odporu je téměř konstantní se střední hodnotou asi 0,01 K^–1 (platinová čidla 0,004 K^–1, termistory NTC –0,03 až –0,06 K^–1),
• dlouhodobá stabilita (teplotní drift asi 0,2 K po 10 000 hodinách nepřetržitého provozu při maximální provozní teplotě),
• linearita je lepší než u termistorů NTC, ale horší než u platinových čidel; nelinearitu však lze vhodnými metodami úspěšně korigovat,
• měřicí rozsah je obvykle –55 až +150 °C, dostupné jsou však i monolitické křemíkové snímače s horní teplotní hranicí 300 °C,
• referenční hodnota odporu při teplotě 25 °C je obvykle 1 000 nebo 2 000 Ω.

Tab. 4. Základní vlastnosti vybraných termoelektrických čidel teploty (termočlánků)

4. Termoelektrické teploměry

Termoelektrické teploměry využívají k měření teploty termoelektrické články. Termoelektrický článek je tvořen dvěma vodiči z různých kovových materiálů A a B, které jsou na obou koncích spolu vodivě spojeny. Jestliže se teplota t_m jednoho spoje liší od teploty t_s druhého spoje, vzniká termoelektrické napětí a obvodem prochází termoelektrický proud. V zjednodušené formě lze závislost termoelektrického napětí E na teplotě vyjádřit lineárním vztahem [1]

E = α_AB(t_m – t_s)          (5)

kde α_AB je materiálová konstanta.

Obr. 4. Závislost termoelektrického napětí na rozdílu teplot měřicího a srovnávacího spoje u vybraných termočlánků

Materiál na výrobu termoelektrických článků má vykazovat pokud možno velký a lineární přírůstek napětí E v závislosti na teplotě, stabilitu údaje při dlouhodobém provozu a odolnost proti chemickým a mechanickým vlivům. Kovové páry materiálů pro vytvoření termočlánků jsou normalizovány (tab. 4). Pro prodloužení doby života a zvýšení odolnosti je výhodná plynotěsná armatura s keramickou trubkou, popř. ochrana obou větví termočlánku silikátovou nebo fosfátovou vrstvou. Pro stejný rozsah jako termočlánek typu X (složení NiCr-NiAl) je určen termočlánek Ch-A (chromel-alumel).

Pro vyšší teploty, tj. do 1 500 °C, krátkodobě do 1 600 °C, se používají termočlánky typu S (složení PtRh-Pt). Tento termočlánek patří mezi nejstarší termočlánkové snímače (dvojice PtRh10-Pt, Le Chatelier v roce 1877) a je stále dost rozšířen. Pro správnou funkci je důležitá stálost složení slitin větví a především čistota platinové větve. Při trvalém používání při teplotě nad 1 200 °C se však obě větve termočlánku rozprašují. Snímač se musí pečlivě chránit před redukčním prostředím, před parami kovů a zvláště před křemíkem, který snadno difunduje do materiálu termočlánku a mění jeho složení, a tím i jeho charakteristiku, na což se nesmí zapomenout při volbě materiálu izolace pro měřicí spoj termočlánku.

Obr. 5. Optovláknový senzor – principy: a) změna fáze světla prostřednictvím změny odrazu složek světla, b) změna amplitudy procházejícího světla prostřednictvím deformace (změny útlumu) vlákna

V současné době se stále častěji využívá úprava výstupního signálu přímo v hlavici termočlánkového snímače, neboť přenos nízkonapěťových signálů trpí rušením. Proto je měřicí řetězec koncipován tak, že na výstupu je buď zesílený analogový proudový signál (4 až 20 mA), nebo číslicový signál podle vybrané průmyslové komunikační sběrnice (např. HART, CAN, Profibus), jak ukazuje obr. 3 [6], [8]. Na obr. 4 jsou pro ilustraci ukázány průběhy termoelektrického napětí u některých běžných typů termočlánků.

5. Netradiční snímače teploty – optovláknová čidla

V praxi existují případy, kdy nelze k měření teploty použít „standardní metody“ (měření teploty v prostředí s nebezpečím výbuchu apod.). Pak přicházejí na řadu optické metody – optovláknové senzory teploty, využívající změnu šíření světla vláknem nebo jeho odrazu na konci vlákna v důsledku změny teploty (obr. 5). Optovláknové senzory teploty sice nejsou příliš hromadně rozšířeny, zejména pro poměrně vysoké ceny, ale měří teplotu i tam, kde jiné běžnější principy měření selhávají nebo je nelze, z principu nebo z bezpečnostních důvodů, použít [9].

6. Inteligentní snímače teploty

Vývoj nových typů čidel na bázi křemíku umožnil integrovat měřicí převodníky s obvody pro zpracování signálu do jednoduchého a kompaktního pouzdra se standardním napájením a malou spotřebou energie – viz např. snímač SMT 160-30 s výstupním impulsním obdélníkovým signálem nebo snímač Dallas DS 1820 s jednodrátovou číslicovou komunikační sběrnicí.

Významného úspěchu je dosaženo začleněním jednočipového mikropočítače do struktury snímače, který je nyní technicky i programově uzpůsoben pro danou měřicí úlohu – na rozdíl od tradiční struktury měřicího subsystému. Inteligentní (smart) senzory mohou být dynamicky programovány podle požadavků uživatele, což podstatně zlepšuje jejich užitné vlastnosti (obr. 6).

Obr. 6. Blokové schéma inteligentního (smart) snímače teploty
Obr. 7. Experimentální pracoviště pro ověřování různých typů snímačů teploty na modelu klimatizační jednotky TVA

Inteligentní senzory různých výrobců se liší konkrétním uspořádáním obvodového zapojení i doplňujícím vybavením (např. vestavěný dvoupolohový regulátor, paměť měřených hodnot, nastavení mezí, automatická kontrola funkce, kalibrace apod.). Přes poměrně složité zapojení jsou inteligentní převodníky velmi kompaktní přístroje s malými rozměry. Přispěly k tomu zejména výrazné pokroky v mikroelektronice. Inteligentní převodníky teploty jsou určeny k přímému použití ve výrobních provozech a tomu odpovídá i jejich provedení pro montáž přímo do hlavice teploměru, do panelu či na montážní lištu apod.

7. Experimentální pracoviště na KATŘ

Na katedře automatizační techniky a řízení (KATŘ) VŠB-TU Ostrava bylo sestaveno několik sad měřicích přípravků pro ověřování vlastností kontaktních i bezkontaktních snímačů teploty s důrazem na nové polovodičové inteligentní snímače. Na obr. 7 je pohled na experimentální pracoviště pro ověřování různých snímačů teploty při použití modelu klimatizační jednotky TVA, které obsahuje tři termistory, odporový snímač Pt100, termočlánek NiCr-Ni a snímače typu smart, reprezentované přístroji SMT 160-30 a Dallas DS 1820. Na obr. 8 je ukázána přechodová charakteristika bezkontaktního infračerveného teplotního snímače zjištěná na jiném zařízení pro bezkontaktní měření teploty mobilního objektu.

8. závěr

Na přesnost měření teploty kontaktními snímači má obecně vliv větší počet činitelů. Chyby jimi způsobené lze zařadit do tří hlavních skupin:

• chyby způsobené umístěním snímače a tepelnými vlastnostmi měřeného prostředí, jímky, armatury apod.,

• chyby způsobené dynamickými vlastnostmi samotného snímače, vyplývajícími z rozměrů a hmotnosti snímače a způsobu přestupu tepla z okolí na vlastní těleso snímače,

• chyby jednotlivých členů elektrického obvodu (drift, offset, rušení), které mají vliv na výslednou nejistotu měření teploty.

Obr. 8. Přechodová charakteristika bezkontaktního snímače při skokové změně teploty měřeného mobilního tělesa

Hlavním předpokladem správného měření je vhodné umístění snímače teploty, aby byl zajištěn co nejdokonalejší styk čidla teploty s měřeným prostředím, a tím správný přestup tepla do něj.

V posledních letech nastal také velký rozmach ručních elektronických (digitálních) teploměrů s velkým výběrem vyměnitelných čidel teploty (ponorné, vzduchové, pro povrchovou teplotu atd.). Signál ze snímače je elektronickými obvody zpracován (včetně např. kompenzace teploty srovnávacího spoje u termočlánkových snímačů) a výsledek zobrazen v číslicovém tvaru na displeji, popř. zaznamenán do paměti a přenesen do počítače či vytisknut. Přístroje jsou provedeny buď jako jednoúčelové teploměry, nebo jako multimetry (pro měření většího počtu veličin). Dalším novým trendem je úprava inteligentních snímačů teploty senzorů pro komunikaci v bezdrátových sítích WLAN.

Poděkování
Předložená práce je spolufinancována z finančních prostředků grantové agentury GAČR 101/07/1345.

Literatura:
[1] ĎAĎO, S.: Perspektivní senzory a obvody pro měření teploty. AT&P Journal, 1999, č. 6., s. 26–29.
[2] FUKAČ, P.: Nové trendy v měření teploty v nabídce JSP Nová Paka. Automa, 2005, roč. 11, č. 11, s. 23–25.
[3] KABEŠ, K.: Přehled trhu – inteligentní převodníky teploty. Automatizace, 2004, roč. 47, č. 1, s. 33.
[4] KLÁN, P. – HOFREITER, M. – MACHÁČEK, J. – MODRLÁK, O. – SMUTNÝ, L. – VAŠEK, V.: Process Models for a New Control Education Laboratory. In: Proceedings of IFAC World Congress 2005, Prague, IFAC, 2005.
[5] KADLEC, K. – KMÍNEK, M.: Měřicí a řídicí technika. Ústav počítačové a řídicí techniky VŠCHT Praha, e-text. ver. 2.01, únor 2005. Dostupné na <http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/>.
[6] SMUTNÝ, L.: Smart Temperature Sensors for Measurement and Control. In: Proceedings of International Conference FME VŠB-TUO, Ostrava, KAKI, 2000, paper 33.
[7] SMUTNÝ, L. – ŠKUTA, J.: Laboratory Experimental Model of Air Conditioning. In: Proceedings of the 6^th International Scientific – Technical Conference Process Control 2004, University of Pardubice, 8.–11. 6. 2004, pp. 229-1–229-6, ISBN 80-7194-662-1.
[8] ŠPRINGL, V.: Měření teploty – kovové odporové senzory teploty. Dostupné na <http://www.hw.cz/Teorie-a-praxe/Dokumentace/ART1095-Mereni-teploty-kovove-odporovesenzory-teploty.html>.
[9] VOJÁČEK, A.: Optovláknové snímače teploty pro náročná měření. Dostupné na <http://automatizace.hw.cz/view.php?cisloclanku=2006032701>.

prof. Dr. RNDr. Lubomír Smutný,
katedra automatizační techniky a řízení,
Fakulta strojní, VŠB-TU Ostrava
(lubomir.smutny@vsb.cz)

Článek je editovanou verzí příspěvku s názvem Teplotní senzory – současný stav a další vývoj předneseného na konferenci Měření a regulace teplot v teorii a praxi, 18.–19. dubna 2007, VŠB-TU Ostrava.