Rodzaje czujników temperatury

Czujników temperatury używamy codziennie do regulacji np. temperatury w budynkach, regulacji temperatury wody. Czujniki temperatury są również niezbędne w wielu innych zastosowaniach, takich jak elektronika użytkowa, medyczna i przemysłowa.

Każde zastosowanie może mieć inne potrzeby w zakresie czujników temperatury. Różnią się one między innymi tym, co jest mierzone (powietrze, masa lub ciecz), gdzie jest mierzone (wewnątrz lub na zewnątrz) oraz zakresem mierzonej temperatury.

Skupimy się dzisiaj na 7 typach czujników i urządzeń do mierzenia temperatur wykorzystywanych wewnątrz budynków i pomieszczeń oraz na zewnątrz – jak działają, co je wyróżnia oraz wady i zalety takich rozwiązań.

Termopary

Termopary są najczęściej stosowanym typem czujnika temperatury. Stosowane są w aplikacjach przemysłowych, motoryzacyjnych i konsumenckich. Termopary są samozasilane, nie wymagają wzbudzenia, mogą pracować w szerokim zakresie temperatur i mają szybki czas reakcji.

Termopary są wykonane przez połączenie dwóch niepodobnych do siebie metalowych drutów. Powoduje to powstanie efektu Seebeck’a. Efekt Seebeck’a jest zjawiskiem, w którym różnica temperatur dwóch różnych przewodników powoduje różnicę napięć pomiędzy tymi dwoma substancjami. To właśnie ta różnica napięć może być zmierzona i użyta do obliczenia temperatury.

Istnieje kilka rodzajów termopar, które są wykonane z różnych materiałów, co pozwala na uzyskanie różnych zakresów temperatur i różnych czułości. Poszczególne typy rozróżnia się za pomocą oznaczeń literowych. Wyróżniamy między innymi typy: E, J, K, N, T, R/S, B.

Niektóre wady termopar obejmują fakt, że pomiar temperatury może być trudny ze względu na ich małe napięcie wyjściowe, które wymaga precyzyjnego wzmocnienia, podatność na zewnętrzne zakłócenia na długich przewodach i zimne połączenie. Zimne połączenie jest tam, gdzie przewody termopary spotykają się z miedzianymi ścieżkami obwodów sygnałowych. To tworzy kolejny efekt Seebecka, który musi być skompensowany, zwany kompensacją zimnego złącza.

Rezystancyjny czujnik temperatury (RTS – Resistance Temperature Sensor)

Wraz ze zmianą temperatury zmienia się również opór każdego metalu. Ta różnica w oporności jest tym, na czym opierają się rezystancyjne czujniki temperatury. RTS to rezystor z dobrze zdefiniowaną charakterystyką rezystancji w zależności od temperatury. Platyna jest najbardziej powszechnym i najdokładniejszym materiałem używanym do produkcji tego typu czujników.

Platynowe RTS’y są najczęściej spotykane, ponieważ oferują niemal liniową odpowiedź na zmiany temperatury, są stabilne i dokładne, zapewniają powtarzalność odpowiedzi i mają szeroki zakres temperatur. Rezystancyjne czujniki temperatury są często używane w aplikacjach precyzyjnych ze względu na ich dokładność i powtarzalność.

Elementy RTS mają zwykle większą masę termiczną i dlatego wolniej reagują na zmiany temperatury niż termopary. Kondycjonowanie sygnału jest ważne w przypadku czujników RTS. Wymagają one również przepływu prądu wzbudzenia przez czujniki. Jeżeli prąd ten jest znany, można obliczyć rezystancję.

Termistory

Termistory są podobne do rezystancyjnych czujników w tym sensie, że zmiany temperatury powodują mierzalne zmiany rezystancji. Termistory są zazwyczaj wykonane z polimeru lub materiału ceramicznego. W większości przypadków termistory są tańsze, ale są również mniej dokładne niż RTS’y. Większość termistorów jest dostępna w konfiguracjach z dwoma przewodami.

Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) jest najczęściej stosowanym termistorem do pomiaru temperatury. Rezystancja termistora NTC maleje wraz ze wzrostem temperatury. Termistory mają nieliniową zależność rezystancji od temperatury. Wymaga to znacznej korekty w celu poprawnej interpretacji danych. Popularne podejście do użycia termistora polega na tym, że termistor i rezystor o stałej wartości tworzą dzielnik napięcia z wyjściem, które jest przetwarzane na wartość cyfrową przez przetwornik ADC.

Półprzewodnikowe układy scalone

Półprzewodnikowe czujniki temperatury występują w dwóch różnych typach: lokalny czujnik temperatury i zdalny cyfrowy czujnik temperatury. Lokalne czujniki temperatury to układy scalone, które mierzą temperaturę własnej matrycy wykorzystując właściwości fizyczne tranzystora. Zdalne cyfrowe czujniki temperatury mierzą temperaturę zewnętrznego tranzystora.

Lokalne czujniki temperatury mogą wykorzystywać wyjścia analogowe lub cyfrowe. Wyjścia analogowe mogą być napięciowe lub prądowe, podczas gdy wyjścia cyfrowe mogą być widziane w kilku formatach, takich jak I²C, SMBus, 1-Wire® i Serial Peripheral Interface (SPI). Lokalne czujniki temperatury wyczuwają temperaturę na płytkach drukowanych lub otaczającego je powietrza.

Zdalne cyfrowe czujniki temperatury działają podobnie jak lokalne czujniki temperatury, wykorzystując fizyczne właściwości tranzystora. Różnica polega na tym, że tranzystor jest umieszczony z dala od układu czujnika. Niektóre mikroprocesory i FPGA zawierają bipolarny tranzystor czujnikowy do pomiaru temperatury matrycy docelowego układu scalonego.

Czujniki podczerwieni

Czujniki podczerwieni są czujnikami bezkontaktowymi. Na przykład, jeśli przyłożysz typowy czujnik podczerwieni do frontu biurka bez kontaktu, czujnik wskaże Ci temperaturę biurka na podstawie swojego promieniowania - prawdopodobnie temperaturę pokojową.

W przypadku bezdotykowego pomiaru wody z lodem, pomiar będzie nieco poniżej 0 °C z powodu parowania, co nieznacznie może obniżyć spodziewany odczyt temperatury.

Czujniki temperatury o zmiennej fazie

Czujniki zmiany fazy mierzą zmianę stanu materiału wywołaną zmianą temperatury, jak w przypadku zmiany lodu w wodę, a następnie w parę wodną. Dostępne w handlu urządzenia tego typu mają postać etykiet, pastylek, kredek lub lakierów.

Na przykład, etykiety mogą być stosowane na odwadniaczach. Kiedy odwadniacz wymaga regulacji, staje się gorący; wtedy biała kropka na etykiecie wskazuje wzrost temperatury, zmieniając kolor na czarny. Kropka pozostanie czarna, nawet jeśli temperatura wróci do normalnego poziomu.

Etykiety temperaturowe są przydatne, gdy potrzebne jest potwierdzenie, że temperatura nie przekroczyła pewnego poziomu, na przykład ze względów technicznych lub prawnych podczas transportu. Ponieważ urządzenia zmiennej fazy są nieelektryczne, tak jak pasek bimetaliczny, mają one przewagę w niektórych zastosowaniach. Niektóre formy z tej rodziny czujników (lakier, kredki) nie zmieniają koloru; ślady przez nie wykonane po prostu znikają. Wersja z pastylkami ulega wizualnej deformacji lub całkowicie się rozpływa.

Ograniczeniem jest stosunkowo wolny czas reakcji. Dlatego też, jeśli pojawi się skok temperatury idący w górę, a następnie w dół bardzo szybko, może nie być widocznej reakcji. Dokładność również nie jest tak wysoka, jak w przypadku większości innych urządzeń powszechnie stosowanych w przemyśle. Są one jednak bardzo praktyczne w zastosowaniach, w których potrzebne jest wskazanie nieodwracalne, które nie wymaga zasilania elektrycznego.

Inne etykiety, które są odwracalne, działają na zupełnie innej zasadzie, wykorzystując wyświetlacz ciekłokrystaliczny. Wyświetlacz zmienia kolor z czarnego na brązowy, niebieski lub zielony, w zależności od osiągniętej temperatury.

Dioda silikonowa

Czujnik z diodą krzemową jest urządzeniem, które zostało opracowane specjalnie dla zakresu temperatur kriogenicznych. Zasadniczo są to urządzenia liniowe, w których przewodność diody wzrasta liniowo w niskich zakresach kriogenicznych.

Niezależnie od wybranego czujnika, prawdopodobnie nie będzie on działał samodzielnie. Ponieważ większość czujników pokrywa się pod względem zakresu temperaturowego i dokładności, wybór czujnika będzie zależał od tego, jak zostanie on zintegrowany z systemem.

Podsumowanie - Czujniki temperatury

Termopary, czujniki rezystancyjne, termistory i półprzewodnikowe układy scalone są głównymi typami czujników temperatury używanymi obecnie. Termopary są niedrogie, trwałe i mogą mierzyć szeroki zakres temperatur. RTS’y oferują szeroki zakres pomiarów temperatury (choć są mniejsze niż termopary) i zapewniają dokładne i powtarzalne pomiary. Są jednak wolniejsze, wymagają prądu wzbudzenia i wymagają kondycjonowania sygnału. Termistory są trwałe i małe, ale są mniej dokładne niż rezystancyjne czujniki i wymagają większej ilości korekt danych do interpretacji temperatury. Półprzewodnikowe układy scalone są elastyczne na implantację i mogą występować w bardzo małych obudowach, ale mają ograniczony zakres temperatur.

Reszta rozwiązań, które zostały przedstawione jest niestandardowa i najczęściej wykorzystywana w specyficznych aplikacjach.