Co je to tepelné čidlo?

V technologických procesech je všudypřítomná regulace teploty, která umožňuje zvolit vhodný provozní režim nebo sledovat změny stavu materiálu. Teplotní podmínky jsou stejně důležité při zapínání trouby v kuchyni i ve vysokých pecích při tavení oceli a odchylka od běžného provozu může vést k nehodě a zranění osob. Aby se předešlo nepříjemným následkům a zajistila se schopnost regulovat stupeň ohřevu, používá se teplotní senzor.

Typy, zařízení a princip činnosti

S vývojem a zdokonalováním technologie prošel teplotní senzor jako měřicí zařízení četnými změnami a modernizacemi. Díky tomu jsou dnes prezentovány v široké škále, kterou lze rozdělit podle několika kritérií. Podle způsobu přenosu a zobrazování dat měření teploty se tedy dělí na digitální a analogové. Digitální zařízení jsou modernějším řešením, protože informace v nich jsou zobrazovány na displeji a přenášeny prostřednictvím elektronických komunikačních kanálů, analogová zařízení mají číselník zobrazení dat, elektrický nebo mechanický způsob přenosu měření.

V závislosti na principu činnosti lze všechny senzory rozdělit na:

• termoelektrický;
• polovodič;
• pyrometrické;
• termorezistentní;
• akustický;
• piezoelektrický.

Termoelektrický

Činnost termoelektrického senzoru je založena na principu termočlánku (viz obrázek 1) – všechny kovy mají určitou valenci (počet volných elektronů na vnějších atomových drahách, které nejsou zapojeny do pevných vazeb). Když jsou vystaveny vnějším faktorům, které dodávají volným elektronům dodatečnou energii, mohou opustit atom a způsobit pohyb nabitých částic. V případě spojení dvou kovů s různými potenciály uvolňování elektronů a následném zahřátí přechodu vznikne potenciálový rozdíl, nazývaný Seebeckův jev.

Rýže. 1. Termočlánkové zařízení

V praxi se používá několik typů termoelektrických snímačů teploty, takže se podle bodu 1.1 GOST R 50342-92 dělí na:

• wolfram-wolfram rhenium (TVR) – používá se v prostředí s vysokými provozními teplotami řádově 2000°C;
• platina-rhodium-platina-rhodium (TPR) – vyznačující se vysokou cenou a vysokou přesností měření, používají se při laboratorních měřeních;
• platina-rhodium-platina (TPP) – vybavené ochrannou kovovou trubkou a keramickou izolací, mají vysoký teplotní limit;
• chromel-alumel (TCA) – široce používaný v průmyslu, schopný pokrýt teplotní rozsah až 1200°C, používaný v kyselém prostředí;
• chromel-copel (TCC) – charakterizovaný indikátorem průměrné teploty, namontovaný pouze v neagresivním prostředí;
• chromel-constantan (TCC) – relevantní pro směsi plynů a zkapalněné aerosoly neutrálního nebo mírně kyselého složení;
• nikrosil-nisil (TNN) – používá se pro zařízení ve středním teplotním rozsahu, ale má dlouhou životnost;
• měď-konstantan (TMK) – vyznačuje se nejmenší mezí měření do 400°C, ale je odolný vůči vlhkosti a některým kategoriím agresivního prostředí;
• železo-konstantan (TC) – používá se v prostředí se zkapalněnou atmosférou nebo vakuovým prostorem.

Taková rozmanitost teplotních senzorů na bázi termočlánků umožňuje pokrýt jakoukoli oblast lidské činnosti.

Polovodič

Jsou vyrobeny na bázi krystalů s danou proudově-napěťovou charakteristikou. Taková teplotní čidla pracují v režimu polovodičového spínače, podobně jako klasický bipolární tranzistor, kde je stupeň zahřívání srovnatelný s aplikací potenciálu na bázi. Jak teplota stoupá, polovodičový senzor začne produkovat více proudu. Samotný polovodič se zpravidla nepoužívá k měření ohřevu, ale je připojen přes zesilovací obvod (viz obrázek 2).

Rýže. 2. Připojení polovodičového snímače přes zesilovač

Vyznačují se širokým rozsahem měření a možností nastavení snímače v souladu s provozními parametry zařízení. Jsou vysoce přesného typu, málo závislého na době provozu. Mají malé rozměry, díky čemuž se snadno instalují do obvodů, rádiových prvků atd.

Pyrometrické

Pracují pomocí speciálních senzorů – pyrometrů, které umožňují detekovat sebemenší teplotní výkyvy na pracovní ploše jakéhokoli předmětu. Samotný citlivý prvek je matice, která reaguje na určitou frekvenci v teplotním rozsahu. Tento princip je základem pro měření bezkontaktním teploměrem, které se rozšířilo v boji s koronavirem. Kromě toho se jejich využití aktivně využívá pro termovizní monitorování konstrukčních prvků, zařízení, budov a konstrukcí.

Rýže. 3. Princip činnosti pyrometrického senzoru

Termoodolný

Takové snímače teploty jsou vyrobeny na bázi termistorů – zařízení s určitou závislostí odporu na stupni ohřevu základního materiálu. Se stoupající teplotou se mění i vodivost rezistoru, takže můžete sledovat stav požadovaného objektu.

Hlavní nevýhodou termistorového snímače je malý rozsah měřené teploty, ale je schopen zajistit dobrý krok měření a vysokou přesnost v desetinách a setinách stupňů Celsia. Z tohoto důvodu jsou často zahrnuty do obvodu pomocí zesilovače, který rozšiřuje provozní limity.

Akustický

Akustické snímače teploty pracují na principu určování rychlosti zvukových vibrací v závislosti na teplotě materiálu nebo povrchu. Samotný snímač přímo porovnává rychlost zvuku generovaného zdrojem, která se bude lišit v závislosti na stupni zahřátí (viz obrázek 4). Tento typ je bezkontaktní a umožňuje provádět měření na těžko dostupných místech nebo na rizikových místech.

Rýže. 4. Zvukový snímač teploty

Piezoelektrický

Činnost snímače je založena na efektu šíření vibrací krystalu křemene při průchodu elektrického proudu. V závislosti na okolní teplotě se však bude měnit i frekvence oscilací krystalu. Principem záznamu teplotních změn je měření frekvence oscilací a následné porovnání se zavedenou kalibrací jmenovitých hodnot pro různé teploty.

Schémata zapojení

Hlavní rozdíly v připojení snímače teploty jsou dány rozsahem použití a konstrukčními vlastnostmi. V rámci článku se tedy podíváme na několik nejběžnějších a nejzajímavějších možností. Jedná se o zapojení pomocí dvouvodičového a třívodičového obvodu.

Rýže. 5. Schéma dvouvodičového zapojení

Obrázek 5 ukazuje možnost dvouvodičového připojení měřicího zařízení. Tento princip je doporučen pro všechna teplotní čidla s krátkou vzdáleností od sledovaného objektu. Protože odpor nejcitlivějšího prvku R_t se v závislosti na odporu připojovacích vodičů R mění jen málo₁ a R.₂korekce na měření bude tedy minimální.

Rýže. 6. Schéma třívodičového zapojení

Na velké vzdálenosti, od 150 m nebo více, by měl být snímač zapojen pomocí třívodičového obvodu, což výrazně snižuje chybu odporu ve vodičích R₁, R₂, R₃.

Rýže. 7. Schéma zapojení snímače teploty motoru

Téměř v každém moderním autě jsou neustále sledovány teplotní parametry motoru. Proto je použití senzoru povinným bezpečnostním požadavkem. Podle dvouvodičového schématu (obrázek 7) je snímač připojen jednou svorkou k samostatnému koncovému spínači digestoře, který nemá žádné připojení k obvodu. A druhý výstup je připojen k poplachové jednotce v určeném pořadí, v souladu s modelem.

Rýže. 8. Schéma zapojení digitálního teplotního čidla

Obrázek 8 ukazuje příklad aktivace digitálního senzoru Dallas. Jedná se o model se třemi piny, z nichž první je podle pinu GND připojen na zemnící pin mikrokontroléru, druhý DATA na pin 2 a třetí na napájecí svorku +5 V. A Mezi třetím a druhým pinem je zapojen rezistor 4,7 kOhm.

aplikace

Rozsah použití snímačů teploty pokrývá jak domácí spotřebiče, tak zařízení pro všeobecné průmyslové použití, zemědělský průmysl, vojenský průmysl a letecký průmysl. Každý z vás je doma najde v topných spotřebičích – kotlích, troubách, multivarkách nebo pekárnách chleba.

V těžkém průmyslu umožňují tepelné senzory řídit stupeň ohřevu pecí, vzduch v pracovním prostoru a stav třecích ploch. V lékařství se používají k regulaci teploty na těžko dostupných místech nebo ke zjednodušení různých procedur.

Mnoho automobilových nadšenců se často setkává s analyzátory teploty, které sledují stav oleje nebo jiné chladicí kapaliny. Na železniční síti umožňují sledovat ohřev nápravových skříní a dvojkolí. V energetice se používají ke zkoumání kontaktních spojení a kvality povrchového kontaktu.

Jak to vyzvednout?

Při výběru teplotního senzoru se musíte řídit následujícími kritérii: