Jak działają czujniki temperatury i do czego się je wykorzystuje?

Czujniki temperatury to podstawowe elementy poprawnego funkcjonowania wielu urządzeń elektronicznych. Precyzyjny czujnik nie tylko pozwala na monitorowanie temperatury, ale i zapobiega m. in. nadmiernemu nagrzewaniu oraz powstawaniu uszkodzeń w systemach elektronicznych. Jaki powinien być „odpowiedni czujnik temperatury”? Jak działają różne typy czujników i do czego dokładnie się je wykorzystuje? Zapraszamy do lektury!

Spis treści:

1. Co to jest sensor temperatury?

1.1 Jaka klasa dokładności charakteryzuje precyzyjny czujnik temperatury?

1.2 Podstawowe typy czujników wykorzystywanych do pomiaru temperatury
2. Do czego wykorzystywane są czujniki temperatury?

2.1 Rezystancyjne czujniki temperatury

2.1.1 Co określa oznaczenie czujnik temperatury typu Pt100, Pt500 i Pt1000??

2.1.2 Podłączenie rezystancyjnych czujników temperatury

2.2 Czujniki termoelektryczne (termopary)

2.3 Diody półprzewodnikowe

2.4 Zintegrowane czujniki temperatury

2.5 Zdalne czujniki temperatury
3. Czujnik ciśnienia, sensor temperatury, termostat i czujnik jakości powietrza – integracje

3.1 W jakich dziedzinach stosuje się integracje czujników temperatury z innymi czujnikami?

Co to jest sensor temperatury?

Czujniki temperatury stanowią nieodzowny element budowy niemal każdego urządzenia grzejnego . To elementy pomiarowe, które odpowiadają za wskazywanie wysokości temperatury, co przekłada się bezpośrednio m. in. na zapobieganie ich nadmiernemu nagrzewaniu.

Jaka klasa dokładności charakteryzuje precyzyjny czujnik temperatury?

Precyzyjność pomiaru, podobnie jak zakres pomiarowy czujników zmienia się m. in. w zależności od różnych rodzajów czujników. Precyzyjny czujnik temperatury może wskazywać zakres pomiarowy np. z dokładnością do 0,01°C, jednak prawidłowa dokładność pomiaru w pierwszej kolejności zależy od rodzaju sensora (granica błędu w czujnikach rezystancyjnych jest inna niż np. w termoparach), z kolei w dalszej kolejności od typu układu połączeń czujnika z miernikiem lub rejestratorem. Sprawność czujnika temperatury należy zatem sprawdzać, każdorazowo biorąc pod uwagę zapisy prawne dla poszczególnych modeli, (np. dozwolone odstępy dla platynowych czujników temperatury opisuje precyzyjnie norma PN-EN60751:2009).

Podstawowe typy czujników, wykorzystywanych do pomiaru temperatury

Istnieje wiele rodzajów czujników temperatury, a każdy z nich wykorzystywany jest do zgoła innych celów. Do podstawowych przykładów sensorów temperatury włączamy:

  • termoelektryczne czujniki temperatury,
  • rezystancyjne czujniki temperatury,
  • czujniki półprzewodnikowe,
  • czujniki zintegrowane,
  • czujniki zdalne.

Każda z wymienionych kategorii czujników temperatury posiada swoje własne podtypy, które znajdują zastosowanie w rozmaitych rodzajach urządzeń. Ich rodzaje ze względu na miejsce przeznaczenia możemy rozróżniać między innymi na:

  • czujniki temperatury otoczenia (czujniki temperatury zewnętrznej)
  • czujniki temperatury przeznaczone do mierzenia temperatury wewnętrznej

Niektórym sensorom poziomu temperatury towarzyszyć mogą czujnik wilgotności oraz np. czujnik ciśnienia i czujnik jakości powietrza.

Do czego wykorzystywane są czujniki temperatury?

Zazwyczaj czujniki temperatury kategoryzujemy przede wszystkim ze względu na sposób ich budowy oraz miejsce przeznaczenia; biorąc pod uwagę te czynniki wymieniamy ich podstawowe rodzaje. Poznaj elementarne przykłady czujników temperatury i dowiedz się, w jakich miejscach je wykorzystujemy!

Rezystancyjne czujniki temperatury

Rezystancyjne czujniki temperatury to najbardziej podstawowe sensory, wykorzystywane w głównej mierze do pomiarów niskiej i średniej temperatury. W swoim działaniu wykorzystują one zjawisko zmiany oporności przewodnika, z którego zostały wykonane. Zjawisko to ma miejsce pod wpływem zmiany temperatury. W jakich urządzeniach wykorzystywane są rezystancyjne czujniki temperatury?

  • piece centralnego ogrzewania
  • piece hartownicze
  • w piecach hutniczych
  • w systemach klimatyzacji i wentylacji
  • w silnikach środków transportu samochodowego, morskiego i kolejowego
  • w urządzeniach przemysłu spożywczego
  • w laboratoriach badawczych

Należy mieć na uwadze, że uniwersalne czujniki temperatury nie istnieją, a wybór konkretnego modelu należy dopasować do urządzenia, w jakim ma ono docelowo pełnić swoje funkcje. Poszczególne pozycje czujników różnią się od siebie bowiem wieloma elementami, np. budową, właściwościami, możliwościami pomiarowymi oraz przeznaczeniem.

Przykład: w piecach hutniczych zwykle stosuje się nieco inne rezystancyjne czujniki temperatury niż w urządzeniach przemysłowych.

Co określa oznaczenie czujnik temperatury typu Pt100, Pt500 i Pt1000?

Rezystancyjne czujniki temperatury dzielą się na swoje własne podtypy: rezystancyjny czujnik temperatury typu Pt100, czujnik temperatury typu Pt500 i Pt1000 to ich najpopularniejsze przykłady. Jak wspomnieliśmy, czujniki rezystancyjne wykorzystują zjawisko zmiany oporności swojego przewodnika, która odbywa się pod wpływem zmiany mierzonej temperatury.

  • czujnik typu Pt100 – czujnik, którego rezystancja (oporność) w temperaturze 0°C wynosi 100Ω. Sensory te mogą wskazywać temperaturę w zakresie od -200°C do 800°C (najczęściej jednak ich maksymalna temperatura jest niższa).
  • czujnik typu Pt500 – czujnik, którego rezystancja w temperaturze 0°C wynosi 500Ω (pozostają one dokładniejsze w stosunku do sensorów typu Pt100).
  • czujnik typu Pt1000 – czujnik, którego rezystancja w temperaturze 0°C wynosi 1000Ω (pozostają one odrobinę dokładniejsze niż czujniki Pt500).
  • Czujniki rezystancyjne Pt100, Pt500 i Pt1000 służą do wskazywania temperatury gazów, cieczy, elementów maszyn oraz instalacji.

Podłączenie rezystancyjnych czujników temperatury

Sensory temperatury typu Pt100 można podłączać do urządzeń pomiarowych z użyciem linii 2,3 lub 4-przewodowych, spośród których (ze względu na koszty) najbardziej popularnym rozwiązaniem jest zastosowanie linii 2-przewodowej. Jej wybór wiąże się jednak z możliwością powstawania niewielkich odchyłów pomiarowych, dlatego np. w przemysłowych pomiarach temperatury czujniki temperatury typu Pt100 podłączane są liniami 3-przewodowymi, które w znacznej mierze niwelują ten błąd. Odchyłki pomiarowe w 100% eliminuje z kolei zastosowanie linii 4-przewodowych.

Uwaga: zastosowanie linii 3 i 4-przewodowych w podłączaniu czujników temperatury wymaga (jest to wysoce rekomendowane) posiadania przez przyrządy wejścia pomiarowego; jego obecność pozwala na pełne wykorzystanie możliwości linii.

Rekomendowana długość montażowa rezystancyjnych czujników temperatury:

  • w pływającej wodzie: min. 6-8 średnic osłony zewnętrznej czujnika
  • w przepływającym powietrzu: min. 10-15 średnic osłony zewnętrznej czujnika

Czujniki termoelektryczne (termopary)

Czujniki termoelektryczne wykorzystywane są powszechnie dokonywaniu pomiarów temperatury wysokiej i bardzo wysokiej (najczęściej od -270°C do ponad 1800°C). Główna zasada ich działania skupia się wokół zjawiska Seebecka; powstawania różnicy potencjałów w miejscu zetknięcia dwóch różnych metali, proporcjonalnej do różnicy ich temperatur. Termopary pozostają bardziej odporne na obciążenia mechaniczne w stosunku do czujników oporowych i znajdują zastosowanie w następujących sektorach:

  • w przemyśle (m. in. w energetyce, przemyśle naftowo-gazowym, cementowym i farmaceutycznym)
  • w laboratoriach
  • w transporcie
  • w urządzeniach wojskowych
  • w piecach centralnego ogrzewania
  • w systemach termowizyjnych

Podobnie jak w przypadku czujników rezystancyjnych; istnieje wiele rodzajów czujników termoelektrycznych, a zgodnie z zapisami polskiej normy PN-EN 60584-1 wyróżnia się następujące ich typy:

  • Termopary typu J (od -40°C do +750°C)
  • Termopary typu K (od -200°C do +1200°C)
  • Termopary typu E (od -200°C do +900°C)
  • Termopary typu L (od -40°C do +750°C)
  • Termopary typu N (+1200°C)
  • Termopary typu T (od -200°C do +350°C)
  • Termopary typu S (platynowy, do 1600°C)
  • Termopary typu R (platynowy, do 1600°C)
  • Termopary typu B (platynowy, do 1800°C)
  • Termopary typu C (do 2200°C)
  • Termopary typu D czujników (do 2200°C)

Do najpopularniejszych termopar włączamy termopary typu J, K, E, K, T i N (pozbawione metali szlachetnych). Mniej liczną grupę stanowią termopary wysokotemperaturowe typu S, R i B (platynowe); wysoce zalecanym jest stosowanie ich wraz z osłonami ceramicznymi, które z kolei pokrywają osłony metalowe. Wyróżniamy również termopary wolframo-renowe typu C i typu D (stosowane do pomiaru bardzo wysokich temperatur).

Diody półprzewodnikowe

Diody półprzewodnikowe umożliwiają dokonanie pomiaru temperatury w zakresie pomiarowym od -55°C do +150°C. Wykorzystywane są one we wszystkich urządzeniach, w jakich potrzebna jest kontrola standardowych temperatur, na przykład:

  • w niektórych gałęziach przemysłu
  • w systemach wentylacyjnych

Do podstawowych zalet rozwiązania, jakim jest pomiar temperatury z użyciem diody, jest stosunkowo niska cena i niewielki rozmiar diod.

Zintegrowane czujniki temperatury

Zintegrowane czujniki wykorzystywane są powszechnie do dokonywania pomiarów temperatury wewnątrz urządzeń elektrycznych. Ich zadaniem jest zabezpieczenie systemów przed przegrzaniem, które potencjalnie może prowadzić do uszkodzenia maszyn. Gdzie zwykle je wykorzystujemy?

  • wewnątrz urządzeń elektronicznych

Czujniki zintegrowane dokonują zwykle wyjątkowo precyzyjnych pomiarów, jednak ich zakres temperatury waha się zwykle w przedziale jedynie od -55°C do +150°C. W tego rodzaju sensorach obwody przetwarzające sygnał pomiarowy wraz z elementem pomiarowym znajdują się w tej samej obudowie, na podłożu półprzewodnikowym.

Zdalne czujniki temperatury

Zdalne czujniki temperatury (tzw. przetworniki) dokonują pomiaru temperatury na odległość; ten typ sensorów wbrew pozorom przeprowadza pomiar temperatury w znacznie większym zakresie niż odbywa się to w przypadku czujników zintegrowanych. Wśród niektórych modeli zakres ten mieści się w skali od -270°C do nawet +1800°C. Zdalne czujniki temperatury wykorzystuje się w następujących miejscach:

  • wewnątrz urządzeń elektrycznych
  • w miejscach, gdzie warunki przeprowadzania pomiarów kategoryzują się jako trudne lub bardzo trudne; m. in. w zakładach przemysłowych (np. w rafineriach)


Czujnik ciśnienia, sensor temperatury, termostat i czujnik jakości powietrza – integracje

Czujniki temperatury stosowane są w licznych dziedzinach życia człowieka; znajdują zastosowanie zarówno w miejscach pracy, jak i w domach. Wyróżniamy wiele kategorii czujników, które z kolei można podzielić ze względu na różne cechy np. na bezprzewodowe czujniki oraz wewnętrzne i zewnętrzne sensory. Czujniki temperatury standardowo mogą występować ponadto również z innymi typami czujników.

W jakich dziedzinach stosuje się integracje czujników temperatury z innymi czujnikami?

Nowoczesne czujniki temperatury mogą być zwykle integrowane z innymi systemami, co z kolei sprawia, że ich zastosowanie staje się niemal nieograniczone. Poznaj przykłady miejsc, w jakich możemy spotkać integracje różnych kategorii czujników:

  • Czujniki temperatury wyposażone w czujnik jakości powietrza czy czujnik ciśnienia wykorzystywane są powszechnie w zakładach przemysłowych, gdzie samo monitorowanie temperatury nie wystarcza do spełnienia norm bezpieczeństwa
  • Czujnik temperatury podłogi może współpracować z termostatem, co zapobiega wychłodzeniu i nadmiernemu przegrzaniu posadzki w domu.
  • Czujniki temperatury zintegrowane z czujnikami ruchu wykorzystywane są w branży ochroniarskiej; m. in. w systemach monitoringu.

Dzięki technologii współczesny asortyment czujników temperatury pozwala na znalezienie różnych typów czujników, dopasowanych do indywidualnych przypadków i spersonalizowanych warunków pracy.