Spis treści:
Teplota je jednou z nejčastěji měřených veličin ve všech odvětvích elektroniky. V našem průvodci se dozvíte o nejdůležitějších typech snímačů teploty.
Mezi stovkami fyzikálních veličin zaujímá teplota zvláštní místo. Velmi často je to totiž právě tento parametr, který umožňuje určit, zda systém nebo zařízení pracuje za bezpečných podmínek, a také umožňuje rychle odhalit případné poruchy a/nebo rizika. V medicíně je tělesná teplota jednou z nejdůležitějších informací o zdravotním stavu pacienta, zatímco v průmyslu nebo v laboratorních aplikacích je klíčovou veličinou v mnoha technologických procesech. Meteorologie intenzivně využívá měření teploty vzduchu ke sledování a předpovídání počasí, zatímco v automatizaci budov je hodnota vnitřní teploty hlavním parametrem, který se bere v úvahu při řízení zařízení HVAC. Příkladů by bylo možné uvést mnohem více, ale o to nejde – rádi bychom vás upozornili na skutečnost, že tak rozsáhlá škála aplikací měření teploty přirozeně vyžaduje i jejich konstrukční rozmanitost.
V tomto článku se proto budeme zabývat konstrukcí a principem fungování různých typů. snímačů teploty používaných v elektronice.
Termistory
Mezi nejjednodušší a nejčastěji používané snímače teploty patří termistory. Jak už název napovídá, jedná se o (polovodičové) rezistory, jejichž odpor se výrazně mění v závislosti na změně teploty – což je přesný opak klasických rezistorů, od kterých očekáváme co nejstabilnější odpor bez ohledu na okolní podmínky. Termistory se vyrábějí ve dvou variantách: PTC (s kladným tepelným koeficientem, což znamená, že odpor se zvyšuje s rostoucí teplotou) a NTC (se záporným tepelným koeficientem, odpor se snižuje s rostoucí teplotou).
Velkou výhodou termistorů je jejich vysoká citlivost (což značně zjednodušuje konstrukci měřicích obvodů, které s nimi pracují) a nízká cena, zatímco nevýhodou je značná nelinearita a spíše průměrná přesnost.
Senzory RTD
Senzory RTD, známé také jako termorezistory, jsou prvky založené na tenké dráze, nanesené na keramickém nebo skleněném substrátu, nebo vyrobené ve formě drátěné spirály, nejčastěji z platiny, protože to je kov, který vykazuje stabilní odporové charakteristiky v závislosti na teplotě, což se projevuje v přesnosti platinových termorezistorů (včetně ikonického PT100, hojně používaného mimo jiné v průmyslové automatizaci a laboratorních zařízeních).
Citlivost odporových snímačů je bohužel poměrně nízká, což znamená, že při daném zvýšení teploty se odpor zvýší jen o malou hodnotu – to vyžaduje použití citlivých měřicích systémů založených na Wheatstoneových můstcích nebo ADC s vysokým rozlišením.
Termočlánky
Termočlánkové senzory využívají takzvaný Seebeckův jev, kdy rozdíl teplot mezi dvěma různými kovovými prvky spojenými dohromady vyvolává malé napětí mezi oběma “elektrodami”. Na rozdíl od odporových snímačů a termistorů, termočlánky jsou proto schopny generovat malé množství energie, které se navíc využívá v experimentálních technikách rekuperace energie založených na tzv. termostatech.
Konstrukce termočlánku je triviálně jednoduchá – na jednom konci jsou svařeny dva různé kovové dráty, které tvoří měřicí bod. Rozdíl teplot mezi termočlánkem a druhým (volným) koncem vodičů se promítá do výsledku měření (napětí jako funkce teploty) – to znamená, že k měření absolutní hodnoty teploty v zájmovém bodě potřebujeme znát také teplotu volných konců termočlánku, což se v technickém žargonu označuje jako “kompenzace studeného konce” čidla.
Polovodičové senzory
Moderní elektronická zařízení velmi často používají teplotní senzoryzaložené na křemíkových strukturách, i když obvykle využívají teplotní závislost vodivostního napětí mikroskopické malosignálové diody – na rozdíl od termistorů, které reagují na změnu teploty změnou svého odporu. Polovodičové snímače jsou ve skutečnosti velmi širokou a rozmanitou kategorií součástek, od jednoduchých součástek vyžadujících externí obvody pro zpracování signálu (zesílení, linearizace a offset, tj. posun) až po integrované sofistikované snímače s digitálním výstupem, které implementují automatické signálové procedury pro zlepšení přesnosti prostřednictvím kalibrace, automatického nulování atd. Tyto typy senzorů komunikují s hostitelským systémem (obvykle mikrokontrolérem) prostřednictvím rozhraní I2C, SPI nebo 1-Wire.
Pyrometry
Pyrometrické senzory (pyrometry) se skládají ze středně nebo daleko infračerveného detektoru, který je schopen měřit intenzitu tepelného záření vyzařovaného všemi objekty s teplotou nad absolutní nulou. Naměřené záření se pak převede na hodnotu teploty. Přes některé nevýhody (pyrometrické senzory vyžadují stanovení emisivity – parametru, který ovlivňuje přesnost měření a který se liší pro různé typy povrchů) našly infračervené teploměry řadu aplikací v lékařství, průmyslu, stavebnictví, technickém dozoru, vytápění a mnoha dalších aplikacích.
Bimetalové spínače
Přestože bimetalové spínače nepatří mezi klasické měřicí senzory, stojí za zmínku díky své jednoduché a spolehlivé konstrukci. Každý “bimetal” je z výroby nastaven na určitou mezní teplotu, při jejímž překročení se speciální kontakty rozpojí. Bimetalový spínač je tedy jakýmsi termostatem, který díky své chytré konstrukci kombinuje teplotní čidlo, řídicí systém a relé. Bimetaly jsou mimo jiné hojně využívány v domácích spotřebičích (trouby, žehličky atd.), protože umožňují také jednoduchou realizaci obvodů pro ochranu spotřebičů před přehřátím, např. v důsledku poruchy topného tělesa.
