Spis treści:
Temperatura jest jedną z najczęściej mierzonych wielkości we wszystkich branżach elektroniki. Z naszym przewodnikiem poznasz najważniejsze rodzaje czujników temperatury.
Pośród setek wielkości fizycznych, temperatura zajmuje miejsce szczególne. Bardzo często bowiem to właśnie ten parametr pozwala określić, czy dany system lub urządzenie pracuje w bezpiecznych warunkach, umożliwia także szybkie wykrycie ewentualnych awarii i/lub zagrożeń. W medycynie temperatura ciała jest jedną z najistotniejszych informacji o stanie zdrowia pacjenta, w przemyśle czy też aplikacjach laboratoryjnych stanowi zaś kluczową zmienną wielu procesów technologicznych. Meteorologia intensywnie korzysta z pomiarów temperatury powietrza w celu monitorowania i prognozowania warunków pogodowych, zaś w automatyce budynkowej wartość temperatury wewnątrz pomieszczeń jest głównym parametrem, branym pod uwagę podczas sterowania urządzeniami HVAC. Przykładów można by jeszcze mnożyć znacznie więcej, ale nie o to nam chodzi – pragniemy zwrócić Twoją uwagę na fakt, że tak obszerny zakres zastosowań pomiarów temperatury w naturalny sposób wymusza także ich zróżnicowanie konstrukcyjne.
Dlatego też w tym artykule zajmiemy się budową i zasadą działania rozmaitych czujników temperatury, stosowanych w elektronice.
Termistory
Jedne z najprostszych i najczęściej stosowanych sensorów temperatury to termistory. Jak sama nazwa sugeruje, są one (półprzewodnikowymi) rezystorami, których oporność zmienia się znacząco w odpowiedzi na zmianę temperatury – dokładnie przeciwnie, niż w przypadku klasycznych rezystorów, od których oczekujemy możliwie jak najstabilniejszej rezystancji niezależnie od warunków otoczenia. Termistory występują w dwóch odmianach: PTC (o dodatnim współczynniku termicznym, co oznacza, że oporność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury) oraz NTC (ujemny współczynnik termiczny, oporność maleje wraz ze zwiększaniem temperatury).
Dużymi zaletami termistorów są: wysoka czułość (co znakomicie upraszcza budowę współpracujących z nimi torów pomiarowych), oraz niski koszt, zaś wad zaliczyć możemy znaczną nieliniowość i raczej przeciętną dokładność.
Czujniki RTD
Czujniki RTD, zwane także termorezystorami, to elementy bazujące na cienkiej ścieżce, osadzonej na ceramicznym lub szklanym podłożu, bądź też wykonane w postaci spiralki z drutu, najczęściej platynowego – ten właśnie metal wykazuje bowiem stabilną charakterystykę rezystancji w funkcji temperatury, co przekłada się na dokładność termorezystorów platynowych (w tym kultowego PT100, szeroko stosowanego m.in. w automatyce przemysłowej i aparaturze laboratoryjnej).
Niestety, czułość sensorów RTD jest stosunkowo mała co oznacza, że przy danym wzroście temperatury rezystancja rośnie o niewielką wartość – wymusza to stosowanie czułych układów pomiarowych, bazujących na mostkach Wheatstone’a lub wysokorozdzielczych przetwornikach ADC.
Termopary
Sensory termoparowe wykorzystują tzw. efekt Seebecka, w ramach którego różnica temperatury między dwoma różnymi, złączonymi ze sobą elementami metalowymi, wywołuje powstanie niewielkiego napięcia pomiędzy obydwiema „elektrodami”. W odróżnieniu od czujników RTD i termistorów, termopary są zatem zdolne do generowania niewielkiej ilości energii, co jest zresztą wykorzystywane w eksperymentalnych technikach odzyskiwania energii na bazie tzw. termostosu.
Konstrukcja termopary jest banalnie prosta – dwa różne przewody metalowe są spawane razem na jednym końcu, tworząc punkt pomiarowy. Różnica temperatury pomiędzy termozłączem, a drugim (wolnym) końcem przewodów, przekłada się na wynik pomiaru (napięcie w funkcji temperatury) – oznacza to, że aby zmierzyć bezwzględną wartość temperatury w interesującym nas miejscu, musimy także znać temperaturę wolnych końców termopary, co w żargonie technicznym określa się mianem „kompensacji zimnych końców” czujnika.
Czujniki półprzewodnikowe
Nowoczesne urządzenia elektroniczne bardzo często wykorzystują czujniki temperatury, oparte na strukturach krzemowych, choć w tym przypadku wykorzystuje się zwykle zależność napięcia przewodzenia mikroskopijnej diody małosygnałowej od temperatury – w odróżnieniu od termistorów, które na zmianę temperatury reagują poprzez zmianę rezystancji. Czujniki półprzewodnikowe to w istocie bardzo szeroka i zróżnicowana kategoria elementów – od prostych elementów, wymagających zewnętrznych obwodów przetwarzania sygnału (wzmocnienia, linearyzacji i przesunięcia, czyli offsetu), aż po scalone, zaawansowane czujniki z wyjściem cyfrowym, realizujące automatyczne procedury sygnałowe, mające na celu zwiększenie dokładności na drodze kalibracji, autozerowania itp. Tego typu sensory komunikują się z układem nadrzędnym (zwykle mikrokontrolerem) poprzez interfejs I2C, SPI bądź 1-Wire.
Pirometry
Czujniki pirometryczne (pirometry) składają się z detektora średniej lub dalekiej podczerwieni, mającego zdolność do mierzenia intensywności promieniowania termicznego, emitowanego przez wszystkie obiekty o temperaturze powyżej zera bezwzględnego. Zmierzone promieniowanie jest następnie przeliczane na wartość temperatury. Pomimo pewnych wad (sensory pirometryczne wymagają ustalenia emisyjności – parametru wpływającego na dokładność pomiaru, a różnego dla poszczególnych rodzajów powierzchni), termometry na podczerwień znalazły szereg zastosowań w medycynie, przemyśle, serwisie instalacji budynkowych, nadzorze technicznym, ogrzewnictwie i wielu innych aplikacjach.
Przełączniki bimetalowe
Przełączniki bimetalowe nie należą wprawdzie do klasycznych czujników pomiarowych, ale warto wspomnieć o nich z uwagi na prostą, niezawodną konstrukcję. Każdy „bimetal” jest fabrycznie ustawiony na określoną wartość progową temperatury, powyżej której następuje rozłączenie specjalnych styków. Przełącznik bimetalowy jest zatem swego rodzaju termostatem, łączącym – dzięki przemyślanej konstrukcji – czujnik temperatury, układ sterowania oraz przekaźnik. Bimetale są szeroko stosowane m.in. w sprzęcie AGD (piekarnikach, żelazkach, itp.), pozwalają bowiem także na prostą realizację obwodów zabezpieczających urządzenia przed przegrzaniem, np. w wyniku awarii grzałki.
