Snímače teploty - termočlánky
(124)Jednou zo skupín bežne používaných snímačov sú snímače teploty, ktorá sa veľmi často meria, okrem iného, v priemyselných strojoch alebo pri rôznych druhoch procesov, ktoré musia nastať pri určitej teplote, preto sa teplotné snímače používajú v mnohých priemyselných odvetviach, laboratóriách, riadení a meraní prístrojov a výskumu a v oddeleniach R&D. Jej meranie je užitočné alebo nevyhnutné aj pri všetkých druhoch úkonov pri práci s elektronikou vykonávanou domácimi majstrami, napr. pri nabíjaní batériových článkov, spájkovaní/odpájkovaní komponentov teplým vzduchom na PCB doskách, pri budovaní systémov, kde je teplota jednou z kontrolovaných a riadených hodnôt. Aj v čoraz rozšírenejších 3D tlačiarňach je snímač teploty potrebný na ovládanie stupňa ohrevu tlačovej hlavy alebo pracovného stola, čo umožňuje zabezpečiť správnu kvalitu tlače.
Medzi snímačmi teploty existujú ďalšie podskupiny. Je to spôsobené rozdielmi v konštrukcii a spôsobe ich fungovania. Najobľúbenejšie sú termistory NTC, termistory PTC, odporové snímače teploty a termočlánky.
Snímače teploty – konštrukcia termočlánkov
Termočlánky sú konštrukčne jednoduché, spoľahlivé a odolné zariadenia, a preto sú to jedny z najčastejšie používaných snímačov na meranie teploty. Systémy, ktoré ich používajú, pracujú na základe merania napätia (rozdielu potenciálov) vytvoreného v uzavretom eklektickom obvode vytvorenom termočlánkom, teda termoelementom pozostávajúcim z dvoch termočlánkových drôtov. Tieto drôty sú vyrobené z rôznych vodičov alebo polovodičov, vybrané tak, že pri zvyšovaní nameranej teploty sa zvyšuje napätie produkované pri ich kontakte, čo sa nazýva termoelektrické napätie. Funguje tu tzv. Seebeckov efekt, pričom tzv. studené a horúce spoje musia byť umiestnené pri rôznych teplotách. V praxi sa referenčná teplota meria prostredníctvom nezávislého snímača v meracom systéme na izotermickom referenčnom bloku.
Typy a rozsahy merania termočlánku
Termočlánky, v závislosti od materiálov, ktoré boli použité na konštrukciu termoelementu, sú rozdelené do typov: J, T, K, E, N, S, R, B. Ide o štandardizované označenia označujúce typ materiálov použitých na vytvorenie snímačov. Charakteristiky jednotlivých typov termočlánkov určujúcich hodnoty termoelektrickej sily pre každý z nich sú opísané v norme PN-EN60584-1: 2014-04. Najčastejšie sa používajú termopary J (Fe-CuNi), K (NiCr-NiAl), E (NiCr-CuNi), T (Cu-CiNi) i N (NiCrSi-NiSi), na výrobu ktorých sa používajú materiály ako železo (Fe), meď (Cu), nikel (Ni), chróm (Cr), kremík (Si) alebo hliník (Al), to znamená bez použitia drahých kovov. Rozsah teplôt, ktorý je možné merať pomocou týchto snímačov, závisí od konkrétneho typu termočlánku. Pre termočlánok typu T je maximálna meracia teplota len okolo 350°C, avšak pre termočlánky typu K a N je to až 1200°C. Spodná hranica teplotného rozsahu pre uvedené, najčastejšie používané typy termočlánku je okolo -50°C, hoci niektoré dokážu merať nižšie teploty, až do -200°C.
Vysokoteplotné termočlánky
Na meranie vyšších teplôt sa používajú tzv. vysokoteplotné termočlánky vyrobené z drahých kovov, konkrétne platiny (Pt) a ródia (Rh). Sú to termočlánky typu S (Pt10Rh-Pt), R (Pt13Rh-Pt) a B (Pt30Rh-Pt6Rh). Môžu pracovať a merať teploty až do 1600°C, v prípade termočlánkov typu B až do 1800°C. Vzhľadom na použitie drahých kovov na ich konštrukciu sú drahšie ako vyššie uvedené termoprvky typu J, T, K, E a N.
Používanie teplotných snímačov
Merací systém, ktorý používa termočlánok na meranie hodnôt teploty, pozostáva z: termoelektrického článku (termočlánku), drôtov, ktoré spájajú snímač s meracím zariadením a meracieho zariadenia, napr. vo forme milivoltmetra alebo pokročilého meniča. Majte na pamäti, že charakteristiky termočlánku nie sú lineárnea líšia sa pre každý daný typ. Preto sa digitálna linearizácia vykonávaná mikroprocesorovým čipom najčastejšie používa v meracích systémoch, pretože analógová linearizácia je nákladovo neefektívna. Vďaka veľmi malému napätiu získanému z takéhoto snímača v rádoch niekoľkých mikrovoltov na jeden stupeň Celzia sa používajú signálne zosilňovače a rôzne typy filtrov, aby meranie bolo čo najpresnejšie a v súlade s aktuálnou nameranou teplotou.
Výber snímača teploty
Pri rozhodovaní o kúpe termočlánku na meranie teploty v konkrétnom zariadení alebo procese zvážte niekoľko faktorov. Prvým z nich je, samozrejme, rozsah teplotných hodnôt, ktoré budú merané. Je mimoriadne dôležité, aby rozsah nameranej hodnoty teploty bol v rozsahu merania zvoleného typu snímača. V opačnom prípade sa v dôsledku pokusu o meranie nesprávne zvoleným snímačom môžu získať falošné alebo neúplné informácie o procesoch, ktoré sa vyskytujú v testovacom prostredí, alebo dokonca viesť k trvalému poškodeniu snímača. Výber snímača s vhodným teplotným rozsahom je dôležitý aj z finančných dôvodov. Drahšie snímače využívajúce drahé kovy vo svojej konštrukcii môžu mať širší rozsah merania a merať oveľa vyššie teploty; v procese, ktorého teplota sa meria, sa však nemusia vyskytnúť nikdy. V tomto prípade nákup drahšieho snímača nie je odôvodnený a môže sa ukázať, že išlo o zbytočné dodatočné náklady.
Ďalším aspektom, ktorý je potrebné vziať do úvahy, je dĺžka vodiča. Stojí za to poukázať na to, že na rozdiel od iných snímačov, vrátane niektorých snímačov teplotymajú termočlánky vždy dva výstupy. Dĺžka vodiča by mala byť zvolená tak, aby bola dostatočná. Príliš krátky vodič môže zabrániť pripojeniu snímača k meraciemu zariadeniu a jeho predĺženie môže byť nemožné. Príliš dlhý vodič však môže viesť k väčšiemu rušeniu signálu, čo môže byť spôsobené všetkými druhmi interakcií všadeprítomného elektromagnetického rušenia, napr. zo štandardnej elektrickej siete, kde je striedavý prúd 50Hz a napätie 230V. Dajú sa takisto nájsť termočlánky s spojovacou hlavou, to znamená bez vodiča poskytnutého výrobcom.
Výstupy snímačov sú vybavené špeciálnou tepelne odolnou izoláciou z teflónu alebo sklolaminátu, ktorá ich chráni pred poškodením spôsobeným príliš vysokou teplotou a skratom. Sklolaminát je odolnejší voči vysokým teplotám a mäkne až pri cca 740 °C, kým teplota mäknutia teflónu dosahuje približne 260°C. Preto je tiež potrebné predpovedať, akým teplotným podmienkam môže byť pripojovací kábel termočlánku vystavený a vybrať taký, ktorý disponuje príslušnou izoláciou.
Irelevantná nie je ani koncovka snímača, rovnako ako aj jeho vonkajšie rozmery. Pre účely ochrany zvaru pred fyzickým poškodením alebo nečistotami termočlánku je zvyčajne umiestnený v kryte vo forme kovového, keramického alebo porcelánového valca. Môžete sa stretnúť s rôznymi koncovkami takéhoto krytu: plochými, polkruhovými a tiež kužeľovitými, s tuhým, 118° uhlom otvorenia. Typicky sú rozmery takéhoto snímača určené jeho priemerom a dĺžkou, avšak možno nájsť aj snímače s koncovkou v tvare očka.
Samozrejme, že nesmieme zabúdať, že typ termočlánku musí byť prispôsobený danému meraciemu systému alebo merací systém prispôsobiť typu termočlánku. Výrobca systémov určených na čítanie hodnôt teploty pomocou termočlánku jasne určuje, s akým typom snímača môže pracovať. Je potrebné sa držať týchto pokynov, aby hodnota teploty, ktorú čítate, bola pravdivá a aby ste nepoškodili niektorý z komponentov, ktoré používate.
Sklad:
