Pomiar temperatury jest bodaj najbardziej podstawowym z pomiarów wielkości fizycznych otaczającego nas świata. Od zarania dziejów ludzkość na różne sposoby określała temperaturę powietrza i przedmiotów używanych w codziennym życiu. Były to najczęściej obserwacje charakterystycznych stanów materii (np. lód, wrząca woda, rozżarzenie substancji, czy język przyczepi się nam do klamki itd)
Dzisiejsze czujniki temperatury można klasyfikować według kilku kryteriów. Jednak każdy czujnik trzeba w jakiś sposób umieścić w środowisku, zamocować, sygnał wyciągnąć i podłączyć.
Nim jednak podejmiemy się próby szczegółowej klasyfikacji, zastanówmy się nad drogą jaką musi przebyć informacja o temperaturze (ośrodka), aby ta mogła być zmierzona. Trzeba pamiętać, że popularne określenie „temperatura” musi odnosić się do jakiejś konkretnej substancji. Może to być gaz, ciecz albo ciało stałe. Zawsze bowiem mierzymy temperaturę czegoś. Może to być temperatura: powietrza, wody, jakiegoś stopu, łożyska, mieszanki, spalin itd. Czujnik temperatury musi tę temperaturę niejako „przejąć” od danej substancji. Następnie potrzebny będzie element zamieniający przejętą już czyli de facto swoją własną temperaturę na wielkość fizyczną możliwą do odczytania przez jakieś urządzenie zewnętrzne. Finalnie trzeba jeszcze oba te elementy (pomiarowy i wskazujący) połączyć ze sobą.
Budowa czujnika temperatury
W uproszczeniu można przyjąć, że każdy czujnik składa się z trzech zasadniczych elementów:
– obudowy
– elementu przetwarzającego (zamieniającego temperaturę na sygnał który można zmierzyć)
– sposobu podłączenia
Pojęcie „obudowa” jest jednak zbyt ogólne i aby móc opisać w pełni czujnik trzeba je podzielić na co najmniej dwa, a nawet trzy, kolejne elementy:
– materiał (obudowy)
– kształt, rozmiar (obudowy)
– sposób zamocowania (obudowy) czujnika w miejscu pomiaru (przyłącze procesowe)
Ostatni element może występować jako oddzielnie kryterium albo być składową częścią obudowy.
Cechy charakterystyczne
Według powyższego wprowadzimy cztery zasadnicze i jedno dodatkowe kryterium, na podstawie których można opisać niemal każdy czujnik temperatury. Będą to zatem:
1. kształt i wymiary obudowy – (np.: rurka długości 100mm o średnicy 5mm)
1a. sposób montażu czujnika (np.:gwint M12x1, uchwyt zaciskowy, otwór pod wkręt)
2. materiał z jakiego jest wykonana obudowa (osłona) – (np.: stal 321, stal 316L, ceramika C699)
3. rodzaj elementu przetwarzającego – (np.: Pt100, Ni500, termopara typu K, termopara typu S)
4. sposób podłączenia – (np.: wyprowadzony przewód, złącze w głowicy)
Każdy z wyżej wymienionych elementów ma swoje ograniczenia i ma bezpośredni wpływ na wszystkie istotne parametry czujnika jako całości:
– maksymalną temperaturę jaką jest w stanie mierzyć (element przetwarzający, materiał obudowy)
– dokładność pomiaru (element przetwarzający, obudowa, materiał obudowy)
– agresywność środowiska pracy (obudowa, materiał obudowy)
– wytrzymałość mechaniczną (np. na drgania) (element przetwarzający, obudowa, materiał obudowy)
– szybkość działania (inaczej czas reakcji) (element przetwarzający, obudowa, materiał obudowy)
Z wymienionych ograniczeń najistotniejsza jest maksymalna temperatura jaką może wytrzymać bez uszkodzenia.
1. Kształt czujnika
To jest pierwszy krok na przytoczonej wcześniej „drodze”. Jak wspomniano wcześniej, czujnik temperatury musi temperaturę niejako „przejąć” od danej substancji. Temperaturę należy przejąć możliwie jak najlepiej, jak największą powierzchnią obudowy czujnika. Im bardziej dopasowany będzie kształt obudowy tym lepsze będzie przejęcie temperatury, tym mniejsza będzie różnica temperatur elementu mierzonego czy ośrodka mierzonego i tym samym mniejszy błąd pomiarowy zostanie wprowadzony.
W praktyce większość czujników temperatury gazów i cieczy ma formę rurki o średnicy wynikającej z konkretnych potrzeb (o tym w kolejnych wpisach). Czujniki przeznaczone do pomiarów temperatury ciał stałych często mają kształty dostosowane do konkretnych aplikacji. Są wykonywane w postaci gwintów, posiadają sprężyny dociskowe lub inne elementy zapewniające dobry kontakt z powierzchnią ciała stałego.
Kształt czujnika determinuje w znacznej mierze czas reakcji czujnika. Jak się można domyślić im cieńszy i mniejszy czujnik tym czas reakcji jest krótszy.
2. Materiał obudowy (osłony) czujnika
Sam kształt to jednak nie wszystko. W zależności od temperatury i agresywności środowiska czujnik musi dysponować odpowiednio wytrzymałą konstrukcją. Najpopularniejszym materiałem osłonowym jest stal kwasoodporna. Jest ona odporna na większość substancji i stanowi 90% aplikacji. Kolejno można wymienić stal żaroodporną, ceramikę (głównie na bazie tlenku glinu), a także węglik krzemu oraz teflon.
3. Element przetwarzający czyli serce czujnika
To najważniejszy z elementów składowych czujnika. Element zamieniający swoją temperaturę na wartość możliwą do odczytania przez jakieś urządzenie elektroniczne. Dlaczego elektroniczne? W dzisiejszym świecie najłatwiej, najszybciej i najdokładniej dokonuje się pomiarów elektronicznie. Bez trudu potrafimy mierzyć rezystancję, napięcie czy też prąd. Należy znaleźć zatem element, którego temperatura przekłada się na którąś z wielkości elektrycznej. Taki element to właśnie element przetwarzający. Jego typ, rodzaj, to jedno z podstawowych kryteriów klasyfikacji czujników. W świecie profesjonalnych urządzeń do pomiarów temperatury (czujników temperatury) są stosowane w zasadzie tylko dwa rozwiązania: czujniki termoelektryczne czyli termopary oraz czujniki rezystancyjne (Pt100 i pokrewne).
Element przetwarzający determinuje przede wszystkim temperaturę maksymalną, jaką dany czujnik będzie w stanie zmierzyć oraz dokładność pomiaru. Ma wpływ także na jego wytrzymałość mechaniczną (np. na wibracje, gwałtowne skoki temperatury) i czas reakcji.
4. Sposób podłączenia
Podłączenie czujnika może być realizowane bezpośrednio, kiedy z czujnika wyprowadzone są przewody (czujniki przewodowe), albo za pomocą kostki zaciskowej umieszczonej w chroniącej ją głowicy czujnika (czujniki głowicowe). W naszej ofercie są to odpowiednio czujniki serii TP-100, TP-200, TP-300 oraz TP-400, TP-500, TP-600, TP-800, TP-900.
Każde ze wspomnianych kryteriów będzie przedmiotem kolejnych wpisów.
Czujnik temperatury TP-301_305 Czujnik temperatury TP-388 Czujnik temperatury TP-Exi-461_463
