Čidla teploty - termočlánky
(124)Jednou ze skupin všeobecně používaných sensorů jsou teplotní čidla. Velmi často se jimi měří mj. v průmyslových strojích nebo při procesech různého druhu, které musejí probíhat při konkrétní teplotě, proto nacházejí teplotní čidla uplatnění v mnoha odvětvích průmyslu, laboratořích, kontrolních a měřicích přístrojích a výzkumných a vývojových odděleních. Její měření se hodí nebo je přímo nezbytné rovněž při elektronických pracích všeho druhu, které provádějí kutilové, např. při nabíjení akumulátorových článků, pájení/odpájení součástek horkým vzduchem na plošných spojích, při stavbě obvodů, u nichž je teplota jednou z kontrolovaných a řízených veličin. Rovněž ve stále více se rozšiřujících 3D tiskárnách je teplotní čidlo nezbytné, aby bylo možno kontrolovat stupeň ohřevu tiskové hlavy nebo pracovního stolu, aby byla zajištěná patřičná kvalita výtisku.
Teplotní čidla se rozdělují na podskupiny. Děje se tak s ohledem na rozdíly v konstrukci a principu funkce. Nejpopulárnějšími z nich jsou termistory NTC, termistory PTC, odporová teplotní čidla a termočlánky.
Teplotní čidla – konstrukce termočlánku
Termočlánky jsou konstrukčně jednoduchá zařízení, spolehlivá a trvanlivá, proto jsou jedněmi z nejčastěji používaných čidly pro měření teploty. Obvody, které je využívají, fungují na principu měření napětí (rozdílu potenciálů) vzniklého v uzavřeném elektrickém obvodu, který tvoří termočlánek čili prvek sestávající ze dvou termočlánkových drátů. Tyto dráty jsou vyrobeny z různých vodičů nebo polovodičů, zvolených tak, že se vzrůstem měřené teploty se zvyšuje napětí vznikající na jejich styku, které se označuje jako termoelektrické napětí. Funguje zde tak zvaný Seebeckův jev, přičemž tak zvané studené a teplé konce musejí být umístěny v různých teplotách. V praxi se vztažná teplota měří nezávislým čidlem v měřicím obvodu na vztažném izotermickém bloku.
Typy a rozsahy měření termočlánky
Termočlánky, v závislosti na materiálech, jaké byly použity pro konstrukci termočlánku, se dělí na typy: J, T, K, E, N, S, R, B. Je to normalizované označení indikující druh materiálů použitých při výrobě čidel. Charakteristiky jednotlivých typů termočlánků popisující hodnoty termoelektrického napětí každého z nich jsou popsány v normě PN-EN60584-1: 2014-04. Nejčastěji se používají termočlánky J (Fe-CuNi), K (NiCr-NiAl), E (NiCr-CuNi), T (Cu-CiNi) a N (NiCrSi-NiSi), u kterých se nejčastěji používají takové materiály, jako je železo (Fe), měď (Cu), nikl (Ni), chrom (Cr), křemík (Si) nebo hliník (Al), neboli bez použití drahých kovů. Teplotní rozsah, jaký lze změřit pomocí těchto čidel, závisí na konkrétním typu termočlánku. Pro termočlánek typu T je maximální teplota měření pouze 350 °C, avšak pro termočlánky typu K a N je to dokonce 1200 °C. Spodní hranice teplotního rozsahu u uvedených, nejčastěji používaných typů termočlánků, je kolem -50 °C, i když některé mohou mít schopnost měřit nižší teploty, až od -200 °C.
Termočlánky pro vysoké teploty
Pro měření vyšších teplot se používají tzv.termočlánky pro vysoké teploty, vyrobené z drahých kovů, konkrétně z platiny (Pt) a rhodia (Rh). Jsou to termočlánky typu S (Pt10Rh-Pt), R (Pt13Rh-Pt) a B (Pt30Rh-Pt6Rh). Mohou pracovat a měřit teploty do kolem 1600 °C, přičemž termočlánky typu B až do 1800 °C. S ohledem na použití drahých kovů pro jejich výrobu jsou dražší než dříve uvedené termočlánky typu J, T, K, E a N.
Využití teplotních čidel
Měřicí obvod, který pro měření teploty využívá čidlo v podobě termočlánku, se standardně skládá z: termoelektrického článku (termočlánku), vodičů, které propojují čidlo s měřicím zařízením, a ze vzpomínaného měřicího zařízení, např. v podobě milivoltmetru nebo vyspělého převodníku. Je třeba pamatovat, že charakteristika termočlánku není lineární a liší pro každý z typů. Z tohoto důvodu se v měřicích obvodech nejčastěji používá číslicová linearizace, kterou realizuje mikroprocesorový obvod, když analogová linearizace je cenově neefektivní. S ohledem na velmi malé napětí, které získáváme z takového čidla, v řádu několika mikrovoltů na jeden stupeň Celsia, se používají zesilovače signálu a různé druhy filtrů, abychom získali co nejpřesnější výsledek měření a shodný se skutečnou, měřenou teplotou.
Výběr teplotního čidla
Rozhodujeme-li se pro nákup termočlánku za účelem měření teploty v daném zařízení nebo procesu, je potřeba rozvážit několik faktorů. Prvním z nich je samozřejmě rozsah teplot, které budeme měřit. Velmi důležité je, aby rozsah měřených hodnot teploty spadal do měřicího rozsahu vybraného typu čidla. V opačném případě můžeme jako výsledek pokusu měření s nesprávně zvoleným čidlem získat špatnou nebo neúplnou informaci o procesech, které probíhají ve zkoumaném prostředí, nebo trvale čidlo poškodit. Výběr čidla s vhodným měřicím rozsahem je důležitý také z finančních důvodů. Dražší čidla, využívající ve své konstrukci drahé kovy, mohou mít širší měřicí rozsah a měřit značně vyšší teploty, avšak v procesu, jehož teplota se měří, mohou takové nikdy nenastat. V takovém případě není koupě dražšího čidla opodstatněná a může se ukázat, že je zbytečným dodatečným výdajem.
Dalším faktorem, který je třeba zvážit, je délka kabelu. Zde stojí za zmínku, že na rozdíl od jiných čidel, včetně některých teplotních čidel, mají termočlánky vždy dva vývody. Délka kabelu musí být zvolená tak, aby byla dostatečná. Příliš krátký kabel může znemožnit připojení čidla k měřicímu zařízení a jeho prodloužení může být nemožné. Příliš dlouhý kabel pak může vést k velkému rušení signálu, které může být způsobeno různými druhy běžně se objevujícího elektromagnetického rušení, např. ze standardní elektrické sítě, kde je střídavý proud s kmitočtem 50 Hz a napětí 230 V. Lze rovněž nalézt termočlánky s připojovací hlavicí, čili bez kabelu zajišťovaného výrobcem.
Vývody čidla se nacházejí ve speciální izolaci z teflonu nebo skleněného vlákna odolné vůči vysokým teplotám, díky které jsou chráněny před poškozením způsobeným vysokou teplotou a možností zkratu. Skleněné vlákno je odolnější vůči vysokým teplotám a měkne až kolem 740 °C, zatímco teplota měknutí teflonu je kolem 260 °C. Z tohoto důvodu je třeba také zohlednit, jakým teplotním podmínkám bude připojovací kabel vystavený a zvolit ten s vhodnou izolací.
Bez významu také není koncovka čidla, jak i jeho vnější rozměry. Obvykle se pro ochranu spoje před fyzickým poškozením či znečištěním termočlánku tyto umisťují do krytu v podobě kovového, keramického nebo porcelánového válce. Můžeme se setkat s různými koncovkami takého krytu: plochou, půlkulatou nebo kuželovou, s úhlem rozevření 118°. Rozměry takového čidla jsou obvykle definovány jeho průměrem a délkou, avšak můžeme nalézt rovněž čidla s očkovou koncovkou.
Samozřejmě nesmíme zapomenout, že typ termočlánku musí být vhodný pro měřicí obvod, který máme, nebo měřicí obvod vhodný pro typ termočlánku, který máme. Výrobce obvodů určených pro zobrazení údaje teploty s použitím termočlánku jasně definuje, s jakým typem čidla může obvod spolupracovat. Uživatel se musí držet těchto údajů, aby zobrazovaná hodnota teploty byla shodná se skutečnou a nedošlo k poškození žádné z používaných komponent.
Sklad:
