Jak se měří teplota? Výběr vhodného snímače

Teplotu lze měřit pomocí různých snímačů. Všechny indikují teplotu snímáním změn fyzikálních charakteristik. Technici v průmyslu pravděpodobně přijdou do styku s následujícími šesti typy snímacích zařízení: termočlánky, odporová teplotní zařízení (odporové teplotní snímače Pt100 a termistory), zařízení pro bezkontaktní infračervené měření teploty, bimetalová zařízení, kapalinová expanzní zařízení a zařízení využívající změny stavu.

Termočlánek je pravděpodobně nejpoužívanější zařízení pro měření teploty. Termočlánek se v zásadě skládá ze dvou slitin kovů, které jsou na jednom konci spojené a na druhém konci rozpojené.

Dalšími snímači pro měření teploty jsou například odporové teploměry (Pt100), termistory, infračervené bezkontaktní snímače teploty nebo teplotní nálepky, případně křídy a laky jako zařízení pro měření nebo indikaci teploty. Pro svou aplikaci si zvolte to správné zařízení pro měření teploty.

Vybavení pro měření teploty

• Jak se měří teplota pomocí termočlánků?
• Měření teploty pomocí odporových teplotních snímačů (Pt100)
• Měření teploty pomocí termistorů
• Infračervená čidla jako zařízení pro měření teploty

Jak se měří teplota pomocí termočlánků?

Termočlánek je pravděpodobně nejpoužívanější a také nejméně pochopené zařízení pro měření teploty. Termočlánek se v zásadě skládá ze dvou slitin, které jsou na jednom konci spojené a na druhém rozpojené. Emf na výstupu (rozpojený konec, V1 na obr. a) je funkcí teploty T1 na spojeném konci. S rostoucí naměřenou teplotou emf stoupá.

Termočlánek je často uložen v kovovém nebo keramickém pouzdře, které ho chrání před různými druhy prostředí. Termočlánky v kovovém pouzdře jsou dostupné také s mnoha typy krycích vrstev, například polytetrafluorethylenem, zajišťujících bezproblémové užívání v žíravých roztocích.

Emf na rozpojeném konci je nejen funkcí teploty na spojeném konci (tj. teploty v místě měření), ale i teploty na rozpojeném konci (T2 na obr. a). Emf lze považovat za přímou funkci změny T1 pouze tehdy, když se teplota T2 udržuje na standardní hodnotě. Průmyslově akceptovaným standardem T2 je 0 °C. Většina tabulek a grafů tedy uvažuje teplotu T2 na této hodnotě. V průmyslové technice je rozdíl mezi skutečnou teplotou T2 a 0 °C obvykle korigován elektronicky vlastním zařízením. Tato kompenzace měření teploty se nazývá kompenzace studeného konce.

Změny teplot ve vedení mezi vstupním a výstupním koncem neovlivňuje výstupní napětí za předpokladu, že vedení je ze stejné slitiny jako termočlánek nebo je termoelektricky ekvivalentní (obr. a).  Pokud například termočlánek měří teplotu v peci a zařízení, které tuto teplotou zobrazuje, se nachází dál od pece, vedení, které je propojuje, může procházet v blízkosti jiné pece bez toho, aby bylo ovlivněno její teplotou, pokud není tak vysoká, aby se kabel začal tavit, nebo se trvale změnilo jeho elektrotepelné chování.

Složení vlastního konce funkci termočlánku nijak neovlivňuje, pokud je teplota T1 na tomto konci konstantní a materiál konce je elektricky vodivý (obr. b). Podobně nemá na měření teploty vliv přítomnost jiných slitin než slitina termočlánku v jednom nebo obou vedeních za předpokladu, že je teplota na koncích „nepravého“ materiálu shodná (obr. c).
Schopnost termočlánku pracovat s nepravým kovem v přenosové trase umožňuje použít řadu specializovaných zařízení, například teplotní spínače.

Zatímco samotné přenosové vedení je standardně termoelektricky ekvivalentní slitině termočlánku, správně fungující teplotní spínač musí být vyroben z elementů z pozlacených nebo postříbřených slitin s vhodnými ocelovými pružinami pro zajištění dobrého kontaktu. Pokud je teplota na vstupním a výstupním konci spínače shodná, tato změna ve složení nemá žádný vliv.

Je důležité znát takzvaný zákon sériově řazených termočlánků. Jeden ze dvou termočlánků v horní části obrázku (d) má na horkém konci teplotu T1 a na rozpojeném konci teplotu T2. Druhý termočlánek má na horkém konci teplotu T2 a na rozpojeném konci teplotu T3. Hodnota emf u termočlánku, který měří teplotu T1, je V1, u druhého termočlánku je to V2. Součet těchto dvou hodnot emf, tedy V1 plus V2, se rovná emf V3, kterou by vygeneroval kombinovaný termočlánek pracující mezi T1 a T3. Na základě působení tohoto zákona lze termočlánek určený pro jednu referenční teplotu na rozpojeném konci použít s jinou teplotou na rozpojeném konci.

Měření teploty pomocí odporových teplotních snímačů (Pt100)

Běžný odporový teplotní snímač, například Pt100, se skládá z jádra ovinutého jemným platinovým drátem opatřeným ochranným pláštěm. Jádro a plášť jsou obvykle ze skla nebo keramiky.

Střední sklon měření odporu v závislosti na teplotě se u odporových teplotních snímačů často nazývá hodnotou alfa (obrázek 2), přičemž alfa označuje teplotní koeficient. Sklon křivky daného snímače do jisté míry závisí na čistotě v něm obsažené platiny.

Nejběžnější standardní sklon měření teploty, který se vztahuje k platině specifické čistoty a složení, má hodnotu 0,00385 (pokud se uvažuje měření odporu v ohmech a měření teploty ve stupních Celsia). Křivka odporu v závislosti na teplotě, která má tento sklon, je takzvaná evropská křivka, protože odporové snímače takového složení se začaly používat na tomto kontinentu. Situaci komplikuje skutečnost, že existuje další standardní křivka pro mírně odlišné složení platiny.   Má mírně vyšší hodnotu alfa (0,00392) a nazývá se americká křivka.

Pokud hodnota alfa pro daný odporový snímač není specifikována, obvykle je 0,00385. Je však rozumné se o tom přesvědčit, a to zvláště tehdy, kdy jsou hodnoty měřené teploty vysoké. Toto hledisko je uvedeno na obrázku 2, který zobrazuje evropskou i americkou křivku pro nejpoužívanější typ odporového snímače, čidlo Pt100, tedy toho, který má při teplotě 0 °C odporu 100 ohmů.

Měření teploty pomocí termistorů

Vztah odporu v závislosti na teplotě je u termistorů negativní a vysoce nelineární. To představuje vážný problém pro ty techniky, kteří musí navrhovat vlastní obvody. Tento problém však lze zmírnit použitím termistorů v odpovídajících párech tak, aby se jejich nelineárnost vzájemně kompenzovala. Jsou také dostupné i panelové měřiče a ovladače, které interně kompenzují nelineárnost termistorů. Termistory jsou obvykle navrženy podle jejich odporu při 25 °C. Nejběžnější hodnota je 2 252 a dále 5 000 a 10 000 ohmů.  Pokud není specifikováno jinak, většina zařízení dokáže pracovat s termistory typu 2 252.

Infračervená čidla jako zařízení pro měření teploty

Tyto teploměry snímají záření vydávené povrchem. Elektromagnetická energie vyzařuje z veškeré hmoty bez ohledu na její teplotu.  V mnoha procesních stavech se tato energie nachází v infračervené oblasti. S nárůstem teploty se zvedá hodnota infračerveného záření a jeho průměrné frekvence.

Různé materiály vyzařují v různých úrovních účinnosti. Tato účinnost je kvantifikována jako emisivita, což je desetinné číslo nebo procentní hodnota v rozmezí 0 až 1 nebo 0 % až 100 %. Většina organických materiálů včetně pokožky je účinná a často dosahuje emisivity až 0,95. Naproti tomu jsou leštěné materiály při pokojové teplotě povětšinou neúčinné zářiče, jejichž emisivita neboli účinnost je často 20 % nebo méně.

Infračervená zařízení pro měření teploty musí pro svou správnou funkci brát v potaz emisivitu měřeného povrchu. Tu lze často vyhledat v referenčních tabulkách. Mějte však na paměti, že tyto tabulky neuvažují místní podmínky, například oxidaci a hrubost povrchu. Někdy je praktický způsob měření teploty infračerveným zařízením, když není známa hodnota emisivity, její „vynucení“ na hodnotu známou zakrytím povrchu leukoplastí (emisivita 95 %) nebo vysoce emisní barvou.

Někdy může být vstupem snímače energie, kterou nevydává zařízení nebo materiál cílového povrchu, ale která se od něj odráží od jiného zařízení či materiálu. Emisivita se týká energie vyzařované povrchem, zatímco odraz se týká energie odrážené od jiného povrchu. Emisivita neprůsvitného materiálu je inverzním indikátorem jeho odrazivosti – látky, které jsou dobrými zářiči, mnoho dopadající energie neodrážejí, a tak nepředstavují při měření teploty povrchu pro snímač velký problém.  Na druhou stranu, pokud se měří cílový povrch s emisivitou řekněme 20 %, velká část energie dosahující na čidlo může pocházet z odrazu, například od blízké pece při jiné teplotě. Stručně řečeno, dávejte pozor na horké cizí zdroje odrazu.

Infračervené zařízení je jako fotoaparát, a tedy pokrývá určité zorné pole. Dokáže vidět zorné pole v úhlu např. 1 stupeň nebo 100 stupňů. Při měření povrchů se ujistěte, že daný povrch toto zorné pole zcela vyplňuje. Pokud cílový povrch zpočátku zorné pole nevyplňuje, posuňte se blíže k němu, nebo použijte zařízení s užším zorným polem. Popřípadě jednoduše při odečítání teploty ze zařízení vezměte v potaz teplotu pozadí (tj. kompenzujte ji).

Pro svou aplikaci si zvolte to správné zařízení pro měření teploty

• Termočlánkové snímače
• Odporová zařízení pro měření teploty (Pt100, termistor)
• Infračervená zařízení pro měření teploty
• Bimetalová měřicí zařízení
• Kapalinové expanzní teploměry
• Teplotní snímače měnící stav

	Termočlánkové snímače Termočlánky se v zásadě skládají ze dvou proužků či drátů z různých kovů, které jsou na jednom konci spojené. Změny teploty v tomto spoji působí změnu elektromotorické síly (emf) mezi druhými dvěma konci. S nárůstem teploty roste i tato výstupní emf termočlánku, i když ne nezbytně lineárně.
	Odporové snímače pro měření teploty (Pt100, termistor) Odporové snímače pro měření teploty využívají skutečnosti, že elektrický odpor materiálu se mění spolu se změnou jeho teploty. Dva základní typy jsou metalické snímače (běžně označované jako Pt100, Pt1000 atd. - odporové snímače teploty) a termistory. Jak napovídá jejich název, odporové snímače pracují se změnou odporu v kovu, přičemž tento odpor roste víceméně lineárně s teplotou. Termistory jsou založeny na změně odporu v keramickém polovodiči, přičemž odpor klesá nelineárně s nárůstem teploty.
	Infračervená zařízení pro měření teploty Infračervená čidla jsou bezkontaktní přístroje. Detekují teplotu měřením tepelného záření vydávaného materiálem.
	Bimetalová měřicí zařízení Bimetalové teploměry využívají rozdílu míry tepelné roztažnosti mezi různými kovy. Pásky ze dvou kovů se spojí k sobě. Při zahřátí se jedna strana roztahuje více než druhá a výsledný ohyb se převádí do hodnoty teploty zobrazované mechanickým propojením s ukazatelem. Tato zařízení jsou přenosná a nevyžadují elektrické napájení, ale obvykle nejsou tak přesná jako termočlánky nebo RTD a běžně neprovádějí záznam teplotních hodnot.
	Kapalinové expanzní teploměry Kapalinová expanzní zařízení, jejichž typickým příkladem je domácí teploměr, obecně spadají do dvou hlavních kategorií: rtuťový typ a typ s organickou kapalinou. Dostupné jsou i verze, které místo kapaliny využívají plyn. Rtuť se považuje za riziko pro životní prostředí a na dodávky zařízení s jejich obsahem se tedy vztahují předpisy. Kapalinové expanzní snímače nevyžadují elektrické napájení, nepředstavují riziko výbuchu a jsou stabilní i při opakovaném používání. Na druhou stranu negenerují data, která lze snadno přenášet či zaznamenávat, a nelze je používat pro lokální nebo bodová měření.
	Teplotní snímače měnící stav Mezi teplotní snímače měnící stav patří teplotní nálepky, granule, barevné tužky, laky nebo tekuté krystaly, jejichž vzhled se mění, jakmile je dosaženo určité hodnoty teploty.  Používají se například s odvaděči kondenzátu – když odvaděč dosáhne určité teploty, bílá tečka na snímacím štítku upevněném na odvaděči se změní na černou. Doba reakce je běžně v řádech minut a tato zařízení často nereagují na přechodné změny teplot. Také jejich přesnost je nižší než u jiných typů snímačů. Změny stavu jsou navíc nevratné, s výjimkou displejů z tekutých krystalů. I přesto jsou snímače měnící stav praktické tehdy, když je třeba ověřit, zda teplota zařízení nebo materiálu nepřekročila určitou hodnotu, například během přepravy produktu z technických nebo právních důvodů.

FAQ - nejčastější dotazy ohledně měření teploty

Průvodce výběrem zařízení pro měření teploty

Měření teploty pomocí odporových snímačů je stabilnější než v případě termočlánků. Na druhou stranu není jejich teplotní rozsah velmi široký: odporové snímače pracují v rozsahu přibližně od -250 do 850°C, zatímco termočlánky mají rozsah přibližně od -270 do 2 300°C. Termistory mají ještě omezenější rozsah a běžně se používají mezi -40 až 150°C, ale v tomto teplotním rozsahu vykazují vysokou přesnost.

Termistory a odporové snímače mají společné velmi podstatné omezení. Jedná se o odporová zařízení a pracují tedy na základě průtoku proudu snímačem. Přestože se obecně využívá pouze velmi nízký proud, vytváří určité teplo a může tedy odečítanou hodnotu teploty ovlivnit. Takové samozahřívání v odporových snímačích může být významné v situacích s nehybnou kapalinou (tj. takovou, která neprotéká ani se nemíchá), protože k dochází k nižšímu přenosu generovaného tepla.  K tomuto problému u termočlánků nedochází, protože se v zásadě jedná o zařízení s nulovým proudem.

Infračervené snímače jsou sice relativně drahé, ale vhodné tam, kde jsou naměřené hodnoty teplot extrémně vysoké. Jsou dostupné až pro hodnoty do 3 000°C, což výrazně přesahuje rozsah termočlánků nebo jiných kontaktních zařízení.  Infračervené řešení je také atraktivní v případě, kdy se chcete vyhnout kontaktu zařízení s měřeným povrchem. Tímto způsobem lze tedy monitorovat křehké nebo vlhké povrchy, například nalakované povrchy vycházející ze sušicí pece. Ideálními kandidáty na infračervené měření teploty jsou látky, které jsou chemicky reaktivní nebo vykazují elektrický šum. Tento přístup je také výhodný při měření teploty velmi velkých povrchů, například stěn, které by jinak pro měření vyžadovaly řadu termočlánků nebo odporových snímačů teploty.

► UKÁZAT ZAŘÍZENÍ PRO MĚŘENÍ TEPLOTY