Czujniki temperatury

Do czego służą czujniki temperatury?

Czujniki temperatury służą do pomiaru wartości temperatury obiektu lub medium. Sensory pomiarowe stosowane do odczytu temperatur współpracują z modułami odczytu analogowego lub cyfrowego. W zależności od przeznaczenia sondy temperatury podłączyć można poprzez złącza oraz dedykowane przewody.

Urządzenia, które współpracują z czujnikami temperatury to:

• Regulatory temperatury
• Rejestratory temperatury
• Przetworniki temperatury

Rodzaje czujników temperatury.

Czujniki pomiaru temperatury można podzielić na dwa rodzaje ze względu na zastosowany element pomiarowy.

Rezystancyjne czujniki temperatury.

W tym przypadku elementem pomiarowym jest termorezystor. Jest to element elektryczny reagujący na zmianę temperatury zmianą rezystancji. W zależności od typu zastosowanego termorezystora rezystancyjne czujniki temperatury mają odpowiednie klasy dokładności.

Rezystancyjne czujniki temperatury mają również specyficzne odchyłki. I tak:

• Klasa A:
  ∆t = (0,15 + 0,002 • | t |) dla t < −200 °C ; + 600 °C >
• Klasa B:
  ∆t = (0,30 + 0,005 • | t |) dla t < −200 °C ; + 850 °C >
• Klasa 1/3 B:
  ∆t = (0,10 + 0,0017 • | t |) dla t < −50 °C ; + 200 °C >
• Klasa 1/10 B:
  ∆t = (0,07 + 0,0007 • | t |) dla t < −50 °C ; + 200 °C >

Podział ze względu na zastosowane elementy pomiarowe. Najpopularniejszymi elementami czujników temperatury są te oparte o platynę.

Typ czujnika temperatury PT100 to rodzaj, który przy zerze stopni Celsjusza ma rezystancję 100 ohm. Pt500 to typ czujnika temperatury mający 500 ohm przy zerze stopni Celsjusza. Zaś typ czujnika temperatury PT1000 ma 1kohm przy zerze stopni Celsjusza. 

Występują również w mniejszym stopniu elementy z Niklu czy Miedzi.

Półprzewodnikowe - rezystancyjne czujniki temperatury.

Półprzewodnikowa sonda temperatury występuje w dwóch wersjach opartych o spiekane druciki platyny.

• Typ czujnika temperatury PTC

To nic innego jak złącze z dodatnim współczynnikiem zmian rezystancji z ang. positiv thermally coefficient.

• Typ czujnika temperatury NTC

Wykonany ze złączem ze współczynnikiem ujemnym zmian rezystancji. Z ang. negative thermally coefficient.

Podłączenie czujników rezystancyjnych następuje przewodem dwużyłowym, trzyżyłowym lub czterożyłowym. Podłączenie przewodem więcej niż dwużyłowym ma na celu uwzględnienie strat rezystancyjnych na oprzewodowaniu.

Termoelektryczne czujniki temperatury.

Ten typ czujnika temperatury termopary charakteryzuje się zwartą budową dwóch przewodzących metali połączonych spoiną. To właśnie tutaj następują zjawiska Seebecka, Peltiera i Thomsona generujące różnicę potencjałów.

W zależności od zastosowanych materiałów przewodników istnieją różne rodzaje termopar.

• Termopara typu J.

Jest połączeniem konstantan i żelaza. Występuje w zakresie pomiaru temperatur od -210 do 1200°C.

• Termopara typu K.

Przewodniki występujące w tym połączeniu to chromel i alumel. Pracuje w zakresie -270 do 1350°C.

• Termopara typu R, S.

Składa się z dwóch metali tj. platynorod oraz platyna. Sonda obsługuje temperatury 0 do 1750°C.

• Termopara typu T.

Składa się z połączenia miedzi z konstantenem. Ten typ czujnika temperatury mierzy w przedziale -210 do 400°C.

• Termopara typu C.

Połączenie wolfram 5% -ren oraz wolfram 26% -ren. Ta sonda działa w zakresie -210 do 1200°C.

Każdy rodzaj termopary cechuje odpowiednia klasa dokładności mieszcząca się w 1 lub 2 kategorii. Określają one dopuszczalny, występujący błąd w odczycie. Ponadto każda sonda temperatury  jest odpowiednio podłączona przewodem lub złączem sklasyfikowanym wg odpowiedniej normy, uwzględniając polaryzację. 

W zależności od typu termopary stosowane są odpowiednie przewody termoelektryczne lub kompensacyjne. Dla przykładu dla termopary typu K, R, S, B podłącza się przewodem kompensacyjnym. Natomiast termopary T, J, K, N, E podłączamy przewodem termoelektrycznym.

Wersje czujników temperatury.

W zależności od zapotrzebowania zarówno czujniki rezystancyjne, jak i czujniki termoelektryczne występują w różnych obudowach.

Czujniki temperatury głowicowe.

Składają się z puszki/głowicy, w której zainstalowane są zaciski elektryczne do podłączenia okablowania. Głowica wykonana jest jako stalowa lub aluminiowa w różnych konfiguracjach.

W dolnej części zainstalowana jest rurka zazwyczaj ze stali nierdzewnej o odpowiedniej długości, szczelnie zarobiona na końcu. Wewnątrz rurki zainstalowany jest termoelement w postaci termorezystora, termistora lub termopary. Ponadto na czujnik temperatury ma zainstalowane odpowiednie przyłącze procesowe dostosowane do zapotrzebowania aplikacyjnego.

W samych głowicach czujników można zainstalować przetworniki temperatury zarówno z wyjściami analogowymi, jak i komunikacyjnymi również wspierające Przemysł 4.0.

Czujniki temperatury przewodowe.

Sonda temperatury w wersji przewodowej to osłona, która obsługuje zarówno rezystancyjne czujniki temperatury, jak i termopary.

Składa się z osłony ze stali nierdzewnej oraz odpowiedniego przewodu łączącego. Osłona czujnika posiada różne wykonania. Tego typu sonda temperatury może występować w formie zakończonej otworem, stożkiem, ze sprężyną, czy też szybkozłączem.

Przewodowy typ czujnika temperatury ze względu na gabaryty jest używany w bardziej kompaktowych aplikacjach.

Czujniki temperatury puszkowe - opaskowe

W tym wykonaniu sonda temperatury została zainstalowana w puszce z materiału. Puszka jako osłona czujnika wykonana jest z aluminium, poliwęglanu lub tworzywa ABS. Zastosowanie odpowiedniej osłony uzależnione jest od temperatury mierzonej.

Dla przykładu czujniki z obudowami ABS mogą pracować w przedziałach -20...80°C. Czujniki temperatury w obudowach aluminium -40...80°C. Z kolei sondy temperatury w obudowach poliwęglanu w zakresach -40...120°C. 

W przemyśle, ale również w budownictwie występują także cyfrowe czujniki temperatury.

Zasada działania na etapie pomiaru jest taka sama jak tradycyjnie, jednak przekazanie wyników nieco inne. Cyfrowe czujniki temperatury takie jak np. DS18B20 mogą odczytywać temperaturę i przekazywać poprzez magistralę komunikacyjną np. 1-wire. Tego typu sondy temperatury stosuje się do 125°C. Do obsługi cyfrowych czujników wymagane są sterowniki lub rejestratory temperatury.

Zastosowanie czujników temperatury.

Przeznaczenie standardowych sond temperatury można podzielić na między innymi na zakres odczytu temperatur. W przypadku czujników rezystancyjnych jest to realnie do 800°C. Czujniki termoparowe mogą osiągać pomiary do 1750°C. Natomiast cyfrowe czujniki temperatury ze względu na zainstalowaną elektronikę nieco ponad 100°C. Istnieje również podział ze względu na typ obudowy. Czujniki głowicowe lepiej odnajdą się w procesach przemysłowych, przewodowe w maszynach. Opaskowe w ciepłownictwie, zaś cyfrowe w automatyce budynkowej. 

Głowicowy czujnik temperatury występuje w:

• Pomiarze temperatury zbiorników
• Przemyśle klimatyzacyjnym i wentylacyjnym
• Pomiarze temp. procesów
• Ciepłownictwie

Przewodowy czujnik temperatury stosujemy w:

• Maszynach do przetwórstwa tworzyw sztucznych
• Elementach maszyn przemysłowych
• Magazynach i halach produkcyjnych
• Przetwórstwie spożywczym i chemicznym

Opaskowe czujniki temperatury znajdziemy w:

• Pomiarze temp. elementów kulistych i wałów
• Pomiarze temp. rur w ciepłownictwie
• W elementach instalacji wody lodowej
• W instalacjach klimatyzacji i wentylacji

Cyfrowe czujniki temperatury.

Tego typu czujniki znajdują się w elementach pomiarowych w budownictwie. Dzięki niewielkim, kompaktowym rozmiarom zastosowanie znalazły także w elektronice użytkowej i hobbystycznej.

Urządzenia współpracujące z czujnikami temperatury.

Zarówno rezystancyjne czujniki temperatury, jak i termoparowe sondy do poprawnej pracy potrzebują odpowiednich urządzeń odczytujących. Zaliczają się do nich:

• Rejestratory temperatury
• Regulatory temperatury
• Termostaty
• Moduły pomiarowe
• Sterowniki PLC z funkcją PID
• Moduły komunikacyjne