Spis treści:
Každý vám může říct, jak teploměr funguje – dejte si ho pod paži nebo ho vystrčte z okna a voilà. Je škoda, že si mnozí z nás spojují měření teploty s tak samozřejmými použitími, protože teplotní čidla mají mnoho zajímavých využití – včetně domácnosti.
Co je to teplotní čidlo?
Snad nejčastěji používaným typem všech senzorů – a je jich celá řada – jsou senzory detekující teplo. Pro zjednodušení řekněme, že chlad neexistuje a existuje pouze nepřítomnost tepla. Čidlo teploty nám poskytne informace, když dojde k určitému podnětu nebo když je překročená určitá hodnota. Takto připravená sonda, obvykle jako malá součást jiného zařízení, je užitečná pro sledování teploty i v těch nejnáročnějších podmínkách. Snímače teploty sahají od jednoduchých termostatických přístrojů ON/OFF, které řídí teplovodní topné systémy, až po vysoce citlivé polovodičové snímače, které mohou například řídit složité instalace kotlů.
Jak fungují čidla teploty?
Na chvíli se vrátíme do školy. Při pohybu molekul a atomů vzniká teplo (kinetická energie). Snímače teploty měří množství tepelné energie, které je generováno objektem nebo systémem, a umožňují nám “vycítit” nebo detekovat jakoukoli fyzikální změnu této teploty. K tomu se používá analogový nebo digitální výstup. K dispozici je mnoho různých typů snímače teploty a všechny mají různé vlastnosti v závislosti na jejich použití. Čtyři nejběžnější typy snímačů teploty jsou:
- Termistory se záporným teplotním koeficientem (NTC)
- Odporové detektory teploty (RTD)
- Termočlánky
- Senzory na bázi polovodičů
Termistor se záporným teplotním koeficientem (NTC)
Termistor je tepelně citlivý rezistor, který vykazuje spojitou, malou, postupnou změnu odporu v závislosti na změnách teploty.
Termistory NTC (termistor se záporným teplotním koeficientem) poskytují vyšší odpor při nízkých teplotách. S rostoucí teplotou se odpor postupně snižuje. Malé změny přesně odrážejí velké změny odporu na °C.
Výstup termistoru NTC je nelineární kvůli své exponenciální povaze; lze jej však linearizovat na základě jeho použití. Efektivní pracovní rozsah je -50 až 250 °C u termistorů se skleněným pouzdrem nebo 150 °C u standardních termistorů.
Odporový detektor teploty (RTD)
Odporový teplotní detektor RTD (resistance temperature detector) mění odpor odporového prvku RTD s teplotou. Tyto senzory se skládají z fólie nebo, pro větší přesnost, z drátu omotaného kolem keramického nebo skleněného jádra. Platinové odporové teploměry jsou nejpřesnější – Platinové odporové teploměry nabízejí vysoce přesný lineární výstup v rozsahu teplot od -200 do 600 °C, ale jsou výrazně dražší než měděné nebo niklové modely.
Termočlánek se skládá ze dvou vodičů z různých kovů elektricky spojených ve dvou bodech. Měnící se napětí, které vzniká mezi dvěma různorodými kovy, odráží úměrné změny teploty.
Termočlánky jsou nelineární a při použití k regulaci a kompenzaci teploty vyžadují převod pomocí tabulky. Přesnost je nízká, od 0,5 °C do 5 °C, ale termočlánky pracují v nejširším rozsahu teplot, od -200 °C do 1750 °C.
Polovodičový snímač teploty
Polovodičový snímač teploty je obvykle zabudován do integrovaných obvodů (IC). Tyto senzory používají dvě identické diody s napěťovou a proudovou charakteristikou citlivou na teplotu, které se používají ke sledování teplotních změn.
Nabízejí lineární odezvu, ale mají nejnižší přesnost ze základních typů snímačů. Senzory na bázi polovodičů mají také nejpomalejší odezvu v nejužším teplotním rozsahu (-70 °C až 150 °C).
Analogové versus digitální senzory
Ještě jeden důležitý rozdíl. Analogové a digitální snímače teploty se liší způsobem zpracování a prezentace informací o teplotě.
Analogový snímač teploty vysílá analogový signál, který se mění v závislosti na teplotě. V závislosti na konstrukci senzoru může jít o napěťový, proudový nebo odporový signál.
Analogové snímače se používají v případech, kdy potřebujeme měřit teplotu kontinuálně a nepřetržitě, například v průmyslových procesech, kde potřebujeme přesné měření teploty.
Naproti tomu digitální snímač teploty převádí teplotní signál na digitální signál, který může být snadno zpracován mikrokontrolérem nebo počítačem.
Digitální snímače se používají snadněji než analogové, protože mají obvykle funkce, jako je převod signálu na hodnotu, kontrola chyb a detekce poruch.
Snímače teploty pro každodenní použití
Snímače teploty jsou v každodenním životě nezbytné. Měří množství tepla vydávaného objektem nebo systémem. Pomocí těchto měření můžeme fyzikálně zaznamenat změnu teploty. Jednou z nejdůležitějších funkcí snímačů teploty je prevence. Vzhledem k tomu, že teplotní čidla detekují, kdy nastane pevně stanovený vysoký bod, je čas na provedení preventivních opatření. Nejlepším příkladem jsou požární detektory. Snímač teploty je proto jedním z nejdůležitějších snímačů pro průmyslová odvětví, jako je petrochemie, automobilový průmysl, letectví, navigace v nejširším slova smyslu nebo v neposlední řadě spotřební elektronika.
Zůstaňme však u aplikací, které jsou všem blízké. Snímače teploty lze používat denně. Mnoho zařízení, jako jsou kuchyňské teploměry, klimatizace nebo termostaty pro vytápění, používá teplotní čidla.
K používání snímačů teploty není nutné být odborníkem na elektroniku. V případě hotových zařízení se snímači teploty také obvykle není třeba složitě konfigurovat nebo složitě instalovat a veškerá naše práce spočívá v odečtení výsledku měření. Níže jsou uvedeny příklady.
- Regulace pokojové teploty: Snímače teploty se běžně používají v klimatizačních a topných systémech (inteligentní budovy) k udržování správné teploty v místnosti.
- Regulace teploty v automobilech: Snímače teploty se v automobilech používají ke sledování teploty motoru, oleje a chladicí kapaliny.
- Monitorování teploty v elektronických zařízeních: Snímače teploty se používají v elektronických zařízeních, jako jsou počítače, televizory a telefony, aby se zabránilo jejich přehřátí a poškození.
- Sledování teploty potravin: Snímače teploty se používají v chladničkách a mrazničkách ke sledování teploty potravin a k prevenci jejich zkažení.
- Kontrola teploty v průmyslu: teplotní senzory se hojně používají v chemickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu k monitorování výrobních procesů.
DIY projekty se snímači teploty
Tato oblast si zaslouží samostatný odstavec. Snímače teploty se snadno používají v kutilských projektech, jako jsou teploměry, regulátory akvárií nebo regulátory zavlažovacích systémů.
Teploměr na bázi Arduina? Pro projekt stačí použít teplotní čidlo DS18B20 a samozřejmě Arduino.
Chytrý zavlažovací systém? Tyto projekty využívají teplotní a vlhkostní senzory ke sledování půdních podmínek a automatické regulaci zavlažování rostlin.
Pro nadšence je tu spíše regulátor akvária – teplotní čidlo zde slouží ke sledování teploty vody v akváriu a automatickému nastavení topného tělesa tak, aby ji udržovalo.
Na webu můžete narazit i na takové kuriózní nápady, jako je teploměr v tužce se senzorem a komunikačním modulem Bluetooth,komunikačním modulem, aby bylo možné odesílat naměřené hodnoty do smartphonu. A jak víte, každý sebeúctyhodnější kutil se skládá z tužky za uchem a sbírky dat z měření.
Dalším nápadem je termokamera, která poskytuje obraz okolní teploty a zobrazuje jej na obrazovce počítače. Zbytek záleží na fantazii designéra, ale spoustu návrhů připravených k převzetí a kreativnímu přetvoření najdete na webech pro makery a hackery.
