Spis treści:
Powiedzieć, jak działa termometr, to niby każdy potrafi – trzeba włożyć pod pachę albo wystawić za okno i voilà. Szkoda, że tak wielu z nas kojarzy pomiary temperatury z tak oczywistymi zastosowaniami, bo czujniki temperatury znajdują wiele ciekawych zastosowań – także w domu.
Co to jest czujnik temperatury?
Bodaj najczęściej stosowany typ spośród wszystkich czujników – a jest ich naprawdę dużo – to te, które wykrywają ciepło. Powiedzmy dla uproszczenia, że zimno nie istnieje, a istnieje jedynie brak ciepła. Czujnik temperatury dostarczy nam informacji o pojawieniu się określonego bodźca lub o przekroczeniu danej wartości. Tak przygotowana sonda, najczęściej jako niewielka część innego urządzenia, przydaje się do monitorowania temperatury nawet w najbardziej wymagających warunkach. Czujniki temperatury obejmują urządzenia od prostych urządzeń termostatycznych typu ON/OFF, które kontrolują systemy ogrzewania ciepłej wody użytkowej, aż po wysoce czułe sensory półprzewodnikowe, które mogą na przykład kontrolować złożone instalacje pieców.
Jak działają czujniki temperatury?
Wracamy na chwilę do szkoły. Ruch cząsteczek i atomów wytwarza ciepło (energię kinetyczną). Czujniki temperatury mierzą ilość energii cieplnej, która jest generowana przez obiekt lub system, pozwalając nam “wyczuć” lub wykryć każdą fizyczną zmianę tej temperatury. Służy do tego wyjście analogowe lub cyfrowe. Istnieje wiele różnych typów dostępnych czujników temperatury i wszystkie mają różne charakterystyki w zależności od ich zastosowania. Cztery najczęściej spotykane rodzaje czujników temperatury to:
- Termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC)
- Detektory temperatury rezystancyjnej (RTD)
- Termopary
- Czujniki oparte na półprzewodnikach
Termistor o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC)
Termistor jest termicznie wrażliwym rezystorem, który wykazuje ciągłą, małą, przyrostową zmianę rezystancji skorelowaną ze zmianami temperatury.
Termistory NTC (z ang. negative temperature coefficient thermistor) zapewniają większą rezystancję w niskich temperaturach. Wraz ze wzrostem temperatury rezystancja spada przyrostowo. Małe zmiany odzwierciedlają dokładnie duże zmiany rezystancji na °C.
Wyjście termistora NTC jest nieliniowe ze względu na jego wykładniczy charakter; jednakże może być zlinearyzowane w oparciu o jego zastosowanie. Efektywny zakres pracy wynosi od -50 do 250°C dla termistorów w obudowie szklanej lub 150°C dla termistorów standardowych.
Rezystancyjny czujnik temperatury (RTD)
Rezystancyjny czujnik temperatury RTD (resistance temperature detector) zmienia rezystancję elementu RTD wraz z temperaturą. Czujniki te składają się z folii lub, dla większej dokładności, drutu owiniętego wokół ceramicznego lub szklanego rdzenia. Platyna tworzy najdokładniejsze RTD – platynowe RTD oferują bardzo dokładne liniowe wyjście w zakresie od -200 do 600 °C, ale są znacznie droższe od modeli miedzianych czy niklowych.
Termopara składa się z dwóch drutów z różnych metali połączonych elektrycznie w dwóch punktach. Zmienne napięcie powstające pomiędzy tymi dwoma niepodobnymi do siebie metalami odzwierciedla proporcjonalne zmiany temperatury.
Termopary są nieliniowe i wymagają konwersji z tabelą, gdy są używane do kontroli i kompensacji temperatur. Dokładność jest niska, od 0,5 °C do 5 °C, ale termopary działają w najszerszym zakresie temperatur, bo w przedziale od -200 °C do 1750 °C.
Czujnik temperatury półprzewodnikowy
Półprzewodnikowy czujnik temperatury jest zwykle wbudowany w układy scalone (IC). Czujniki te wykorzystują dwie identyczne diody z wrażliwą na temperaturę charakterystyką napięcia i prądu, które są wykorzystywane do monitorowania zmian temperatury.
Oferują one liniową odpowiedź, ale mają najniższą dokładność spośród podstawowych typów czujników. Czujniki oparte na półprzewodnikach mają również najwolniejszą reakcję w najwęższym zakresie temperatur (-70 °C do 150 °C).
Czujniki analogowe a czujniki cyfrowe
Jeszcze jedno ważne rozróżnienie. Czujnik analogowy i cyfrowy temperatury różnią się sposobem, w jaki przetwarzają i prezentują informacje o temperaturze.
Czujnik analogowy temperatury przekazuje sygnał analogowy, który zmienia się w zależności od temperatury. W zależności od konstrukcji czujnika może to być sygnał napięciowy, prądowy lub rezystancyjny.
Czujniki analogowe są stosowane, gdy potrzebujemy pomiaru temperatury w sposób ciągły i płynny, np. w procesie przemysłowym, gdzie potrzebujemy precyzyjnego pomiaru temperatury.
Z kolei czujnik cyfrowy temperatury przetwarza sygnał temperatury na sygnał cyfrowy, który może być łatwo przetwarzany przez mikrokontroler lub komputer.
Czujniki cyfrowe są łatwiejsze w użyciu niż analogowe, ponieważ zwykle posiadają funkcje takie jak przetwarzanie sygnału na wartość liczbową, sprawdzanie błędów i wykrywanie awarii.
Czujniki temperatury na co dzień
Czujniki temperatury są niezbędne w codziennym życiu. Mierzą ilość ciepła wydzielanego przez obiekt lub system. Dzięki tym pomiarom możemy fizycznie wyczuć zmianę temperatury. Jedną z najważniejszych funkcjonalności czujników temperatury jest zapobieganie. Skoro czujniki temperatury wykrywają, kiedy pojawia się ustalony wysoki punkt, to daje to czas na podjęcie działań zapobiegawczych. Najlepszy przykład stanowią czujniki przeciwpożarowe. Czujnik temperatury jest więc jednym z najważniejszych sensorów dla takich branż jak petrochemia, motoryzacja, gałęzie aeronautyki, szeroko pojęta nawigacja czy wreszcie elektronika użytkowa.
Zostańmy jednak przy zastosowaniach bliskich każdemu. Czujniki temperatury można wykorzystywać na co dzień. Wiele urządzeń takich jak termometry kuchenne, klimatyzatory czy termostaty do ogrzewania wykorzystuje czujniki temperatury.
Nie ma konieczności bycia znawcą elektroniki, aby korzystać z czujników temperatury. W przypadku gotowych urządzeń z czujnikami temperatury zazwyczaj nie ma też potrzeby skomplikowanego konfigurowania ani trudnego montażu, a cała nasza praca polega na odczytaniu wyniku pomiaru. Poniżej przykłady.
- Kontrola temperatury w pomieszczeniach: Czujniki temperatury są powszechnie stosowane w systemach klimatyzacji i ogrzewania (inteligentny budynek), aby utrzymać odpowiednią temperaturę w pomieszczeniach.
- Kontrola temperatury w samochodach: Czujniki temperatury są wykorzystywane w samochodach do kontroli temperatury silnika, oleju i płynów chłodzących.
- Monitorowanie temperatury w urządzeniach elektronicznych: Czujniki temperatury są stosowane w urządzeniach elektronicznych takich jak komputery, telewizory i telefony, aby zapobiec ich przegrzaniu i uszkodzeniu.
- Kontrola temperatury w żywności: Czujniki temperatury są stosowane w lodówkach i zamrażarkach, aby monitorować temperaturę żywności i zapobiegać psuciu się produktów.
- Kontrola temperatury w przemyśle: Czujniki temperatury są szeroko stosowane w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym i spożywczym, aby monitorować procesy produkcyjne.
Projekty DIY z czujnikami temperatury
Ta sfera zasługuje na odrębny akapit. Czujniki temperatury są chętnie wykorzystywane w projektach DIY takich jak termometry, kontrolery akwarium czy sterowniki systemów nawadniania.
Termometr na bazie Arduino? Do projektu wystarczy wykorzystać czujnik temperatury DS18B20 i oczywiście platformę Arduino.
Inteligentny system nawadniania? Projekty te wykorzystują czujniki temperatury i wilgotności do monitorowania warunków glebowych i automatycznej regulacji nawadniania roślin.
Coś bardziej niszowego dla pasjonatów to kontroler akwarium – czujnik temperatury posłuży tutaj do monitorowania temperatury wody w akwarium i automatycznej regulacji grzałki, aby ją utrzymać.
W sieci można natknąć się nawet na tak osobliwe pomysły jak termometr w ołówku z czujnikiem i modułem komunikacji Bluetooth, dzięki któremu można przesyłać odczyty na smartfona. A jak wiadomo każdy szanujący się majster składa się z ołówka za uchem i ze zbioru danych z pomiarów.
Jeszcze inny pomysł to termowizyjna kamera, która zapewni obraz temperatury otoczenia i wyświetli go na ekranie komputera. Reszta leży w wyobraźni projektanta, ale mnóstwo gotowych do wzięcia i twórczego przetworzenia projektów można znajdziesz na hubach makerskich i hacksterskich.
