Blog / Profesjonalne czujniki temperatury. Budowa, klasyfikacja i jak się w tym w ogóle odnaleźć?

Czujniki temperatury to jedne z najczęściej stosowanych elementów aparatury pomiarowej w przemyśle i automatyce. Umożliwiają precyzyjny pomiar temperatury gazów, cieczy oraz ciał stałych, dzięki czemu można kontrolować procesy technologiczne, monitorować pracę urządzeń oraz zapewniać bezpieczeństwo instalacji. Choć sam pomiar temperatury wydaje się prosty, w praktyce wymaga zastosowania odpowiednio dobranego czujnika – zarówno pod względem konstrukcji, materiału wykonania, jak i zastosowanego elementu pomiarowego, takiego jak termopara czy czujnik rezystancyjny Pt100.

W tym artykule wyjaśniamy jak zbudowany jest czujnik temperatury, jakie są jego najważniejsze elementy konstrukcyjne oraz od czego zależą parametry takie jak dokładność pomiaru, maksymalna temperatura pracy czy czas reakcji czujnika. Dzięki temu łatwiej zrozumieć, w jaki sposób dobierać czujniki temperatury do konkretnych aplikacji przemysłowych.

Czujniki temperatury – budowa i działanie

Pomiar temperatury to jeden z najbardziej podstawowych i najczęściej wykonywanych pomiarów wielkości fizycznych w otaczającym nas świecie. Już od zarania dziejów ludzie starali się określić temperaturę powietrza, wody czy różnych przedmiotów używanych w codziennym życiu. Początkowo były to wyłącznie obserwacje charakterystycznych zjawisk fizycznych, takich jak zamarzanie wody, wrzenie cieczy, rozżarzanie metali czy inne łatwo zauważalne zmiany stanu materii.

Współcześnie pomiar temperatury realizowany jest za pomocą specjalistycznych urządzeń – czujników temperatury. Dzięki nim możliwe jest dokładne monitorowanie temperatury w procesach przemysłowych, systemach HVAC, energetyce, przemyśle spożywczym czy automatyce.

Choć istnieje wiele rodzajów czujników temperatury, każdy z nich musi zostać odpowiednio zamontowany w środowisku pomiarowym, a uzyskany sygnał pomiarowy musi zostać przekazany do urządzenia odczytującego lub sterującego.

Zanim przejdziemy do szczegółowej klasyfikacji czujników, warto zrozumieć, jaką drogę musi przebyć informacja o temperaturze, aby mogła zostać zmierzona.

Jak działa pomiar temperatury?

Popularne określenie „temperatura” zawsze odnosi się do konkretnej substancji lub obiektu. Może to być gaz, ciecz lub ciało stałe. W praktyce mierzymy więc temperaturę czegoś – na przykład:

• temperaturę powietrza,
• temperaturę wody,
• temperaturę stopu metali,
• temperaturę łożyska,
• temperaturę mieszanki chemicznej,
• temperaturę spalin.

Aby pomiar był możliwy, czujnik temperatury musi najpierw przejąć temperaturę badanego ośrodka. Następnie specjalny element pomiarowy przekształca tę temperaturę w sygnał fizyczny możliwy do odczytania przez urządzenie pomiarowe – najczęściej w postaci wielkości elektrycznej, takiej jak napięcie lub rezystancja.

Na końcu sygnał ten musi zostać przesłany do urządzenia zewnętrznego, które dokona jego interpretacji i prezentacji wyniku. Więcej informacji na temat zasady działania czujników temperatury można znaleźć w naszym artykule “Zasada działania czujników temperatury”.

Budowa czujnika temperatury

W uproszczeniu można przyjąć, że każdy czujnik temperatury składa się z trzech podstawowych elementów:

• obudowy,
• elementu przetwarzającego temperaturę,
• sposobu podłączenia.

W praktyce pojęcie obudowy jest bardziej złożone i obejmuje kilka dodatkowych aspektów konstrukcyjnych.

Elementy konstrukcyjne czujnika temperatury

Aby dokładnie opisać czujnik temperatury, należy uwzględnić następujące elementy:

• materiał obudowy (osłony),
• kształt i wymiary obudowy,
• sposób montażu czujnika w miejscu pomiaru (przyłącze procesowe),
• element pomiarowy,
• sposób podłączenia do instalacji pomiarowej.

Najważniejsze cechy czujników temperatury

Na podstawie powyższych elementów można określić podstawowe kryteria opisujące niemal każdy czujnik temperatury:

1. Kształt i wymiary obudowy

Przykład: rurka o długości 100 mm i średnicy 5 mm.

1a. Sposób montażu czujnika

Przykłady:

• gwint M12x1,
• uchwyt zaciskowy,
• otwór montażowy pod wkręt.

2. Materiał obudowy

Przykłady:

• stal nierdzewna 316L,
• stal żaroodporna 321,
• ceramika C699.

3. Element przetwarzający temperaturę

Najczęściej stosowane:

• czujnik rezystancyjny Pt100,
• czujnik Ni500,
• termopara typu K,
• termopara typu S.

4. Sposób podłączenia

Najczęściej stosowane rozwiązania:

• przewód wyprowadzony z czujnika,
• złącze elektryczne w głowicy czujnika.

Parametry pracy czujnika temperatury

Każdy z wymienionych elementów wpływa na najważniejsze parametry czujnika, takie jak:

• maksymalna temperatura pracy,
• dokładność pomiaru,
• odporność na agresywne środowisko,
• wytrzymałość mechaniczna (np. na drgania),
• szybkość reakcji czujnika.

Spośród tych parametrów szczególnie istotna jest maksymalna temperatura pracy, ponieważ jej przekroczenie może doprowadzić do trwałego uszkodzenia czujnika.

Kształt czujnika temperatury

Kształt czujnika to pierwszy element na drodze przekazywania informacji o temperaturze.

Aby pomiar był możliwie dokładny, czujnik musi jak najlepiej przejąć temperaturę badanego ośrodka. Oznacza to, że jego obudowa powinna mieć jak największą powierzchnię kontaktu z medium pomiarowym.

Im lepsze dopasowanie kształtu czujnika do miejsca pomiaru, tym:

• lepsze przewodzenie ciepła,
• mniejsza różnica temperatur między czujnikiem a medium,
• mniejszy błąd pomiarowy.

W praktyce:

• czujniki temperatury gazów i cieczy mają zazwyczaj kształt rurki,
• czujniki temperatury ciał stałych są często projektowane indywidualnie do konkretnej aplikacji.

W takich zastosowaniach stosuje się między innymi:

• gwintowane końcówki pomiarowe,
• sprężyny dociskowe,
• specjalne uchwyty montażowe.

Kształt czujnika wpływa również na czas reakcji. Zasada jest prosta:

im cieńszy i mniejszy czujnik, tym szybciej reaguje na zmianę temperatury.

Materiał obudowy czujnika temperatury

Oprócz kształtu bardzo ważny jest materiał, z którego wykonana jest osłona czujnika.

Musi ona zapewniać odpowiednią:

• odporność temperaturową,
• odporność chemiczną,
• wytrzymałość mechaniczną.

Najczęściej stosowanym materiałem jest stal kwasoodporna, która sprawdza się w większości aplikacji przemysłowych. Szacuje się, że aż około 90% czujników temperatury wykorzystuje stal nierdzewną jako materiał obudowy.

W bardziej wymagających warunkach stosuje się także:

• stal żaroodporną,
• ceramikę na bazie tlenku glinu,
• węglik krzemu,
• teflon.

Element pomiarowy – serce czujnika temperatury

Najważniejszym elementem czujnika jest element przetwarzający temperaturę na sygnał elektryczny.

W nowoczesnych systemach pomiarowych sygnał ten jest najczęściej:

• napięciem elektrycznym,
• rezystancją,
• prądem elektrycznym.

W profesjonalnych zastosowaniach przemysłowych stosuje się głównie dwa typy czujników temperatury:

Czujniki rezystancyjne

Najpopularniejsze to:

• Pt100
• Pt1000

Ich działanie polega na zmianie rezystancji elektrycznej wraz ze zmianą temperatury.

Termopary

Są to czujniki termoelektryczne, które generują napięcie w wyniku różnicy temperatur między dwoma złączami metali.

Najczęściej stosowane typy to:

• termopara typ K
• termopara typ S

Rodzaj elementu pomiarowego wpływa przede wszystkim na:

• maksymalną temperaturę pomiaru,
• dokładność pomiaru,
• odporność na drgania,
• odporność na gwałtowne zmiany temperatury.

Sposób podłączenia czujnika temperatury

Ostatnim istotnym elementem konstrukcji jest sposób podłączenia czujnika do instalacji pomiarowej.

Najczęściej stosuje się dwa rozwiązania:

Czujniki przewodowe

W tym przypadku z czujnika wyprowadzony jest bezpośrednio przewód sygnałowy.

Czujniki głowicowe

Element pomiarowy znajduje się w osłonie zakończonej głowicą, w której znajduje się kostka zaciskowa.

W naszej ofercie rozwiązania czujniki głowicowe reprezentują między innymi serie:

• TP-100
• TP-200
• TP-300
• TP-400
• TP-500
• TP-600
• TP-800
• TP-900