Czujniki / przetworniki temperatury

Czujnik temperatury to urządzenie, które mierzy temperaturę otoczenia lub obiektu, przekształcając ją w sygnał elektryczny. Najczęściej stosowane czujniki bazują na zjawisku fizycznym, takim jak zmiana rezystancji, napięcia lub siły elektromotorycznej, które są proporcjonalne do temperatury.

Do najczęściej stosowanych typów czujników temperatury należą: termopary, rezystancyjne czujniki temperatury (RTD), termistory, półprzewodnikowe czujniki temperatury oraz pirometry. Każdy z tych czujników działa na innej zasadzie fizycznej i ma swoje specyficzne zastosowania.

Termopara mierzy różnicę temperatur między dwoma złączami wykonanymi z różnych metali, co generuje napięcie proporcjonalne do temperatury. Czujnik RTD (Resistance Temperature Detector) mierzy zmianę rezystancji przewodnika (najczęściej platyny), która zmienia się liniowo wraz z temperaturą.

Termopara działa na zasadzie efektu Seebecka, który generuje napięcie w wyniku różnicy temperatur na złączach dwóch różnych metali. Napięcie to jest przekształcane na sygnał mierzalny, który jest proporcjonalny do temperatury złącza.

RTD działa na zasadzie zmiany rezystancji materiału, zazwyczaj platyny, w funkcji temperatury. Wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji, a relacja między nimi jest wysoce liniowa w szerokim zakresie temperatur.

RTD są stosowane w aplikacjach wymagających wysokiej precyzji pomiaru temperatury, takich jak procesy chemiczne, farmaceutyczne, energetyczne oraz w automatyce przemysłowej. Są cenione za stabilność i dokładność pomiaru.

Termopary są klasyfikowane według ich składu materiałowego i mają różne oznaczenia literowe, takie jak typ K, typ J, typ T. Różnią się zakresem temperatur i zastosowaniem. Na przykład, termopara typu K ma szeroki zakres temperatur i jest używana w aplikacjach przemysłowych.

NTC (Negative Temperature Coefficient) to termistory, których rezystancja spada wraz ze wzrostem temperatury. PTC (Positive Temperature Coefficient) działa odwrotnie – rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Termistory NTC są powszechnie stosowane do pomiarów temperatury, a PTC jako zabezpieczenia termiczne.

Termopary charakteryzują się szerokim zakresem pracy, szybkim czasem reakcji oraz niskim kosztem. Mogą działać w ekstremalnych temperaturach, zarówno bardzo wysokich, jak i bardzo niskich, co czyni je uniwersalnymi w przemyśle.

Głównymi wadami termopar są mniejsza dokładność w porównaniu do RTD i podatność na szumy elektryczne, co może zakłócać sygnał pomiarowy. Ponadto, termopary mogą się starzeć, co zmienia ich charakterystyki.

Przetwornik temperatury to urządzenie, które przekształca sygnał z czujnika temperatury (np. rezystancji z RTD lub napięcia z termopary) na standardowy sygnał elektryczny, np. 4-20 mA lub 0-10 V, który może być dalej przetwarzany lub monitorowany.

Przetworniki temperatury umożliwiają przetwarzanie sygnału pomiarowego na bardziej stabilny sygnał analogowy, który może być przesyłany na większe odległości bez utraty dokładności. Są stosowane w aplikacjach przemysłowych, gdzie pomiary muszą być monitorowane i sterowane.

Przetwornik temperatury z termoparą przekształca sygnał napięciowy (wytworzony przez termoparę) na standardowy sygnał wyjściowy (np. 4-20 mA). Przetwornik kompensuje również tzw. zimne złącze, aby uzyskać dokładny pomiar.

Kompensacja zimnego złącza polega na korekcie temperatury referencyjnej w termoparze. Ponieważ termopara mierzy różnicę temperatur między dwoma złączami, konieczne jest skorygowanie tej różnicy, aby uzyskać rzeczywistą temperaturę mierzoną.

Kalibracja czujnika temperatury polega na porównaniu odczytów z czujnika z wartościami referencyjnymi. Regularna kalibracja jest kluczowa, aby zapewnić dokładność i wiarygodność pomiarów, zwłaszcza w aplikacjach krytycznych.

Do najczęstszych błędów należą szumy elektryczne, starzenie czujników, niewłaściwe połączenia elektryczne, błędy kompensacji zimnego złącza w termoparach oraz uszkodzenia mechaniczne czujników.

Żywotność czujnika temperatury zależy od jego rodzaju, zastosowania i warunków pracy. Na przykład, RTD ma dłuższą żywotność niż termopara w ekstremalnych warunkach, ale każdy czujnik może ulec degradacji w wyniku eksploatacji i wymaga okresowej kalibracji lub wymiany.

Czujniki PT100 i PT1000 to rezystancyjne czujniki temperatury, które różnią się nominalną rezystancją przy 0°C. PT100 ma rezystancję 100 Ω, a PT1000 – 1000 Ω. PT1000 jest mniej podatny na szumy i zakłócenia w dłuższych przewodach.

Limity temperaturowe zależą od typu czujnika. Na przykład, termopara typu K działa w zakresie od -200°C do 1260°C, natomiast RTD ma zakres typowo od -200°C do 600°C. Termistory mają mniejsze zakresy temperatur, zazwyczaj od -50°C do 150°C.

Czas odpowiedzi czujnika temperatury to czas, w którym czujnik reaguje na zmiany temperatury i stabilizuje swój sygnał. Czas odpowiedzi zależy od konstrukcji czujnika, jego wielkości oraz zastosowanego medium.

Dłuższe przewody w czujnikach RTD mogą powodować błędy pomiarowe z powodu rezystancji.