Czujniki temperatury - przegląd najpopularniejszych typów układów

Czujniki temperatury spotkać można niemal w każdym urządzeniu elektronicznym - od najprostszych układów mikroprocesorowych po rozległe systemy sterujące skomplikowanymi procesami o krytycznym znaczeniu. Szczególnie ważną funkcję układy te pełnią w zastosowaniach przemysłowych, m.in. w branży spożywczej, chemicznej, naftowej, górnictwie czy motoryzacji. Szeroka gama zastosowań wymusza stosowanie różnych typów czujników, w zależności od potrzeb aplikacji - do monitorowania temperatury silnika wykorzystuje się inne układy niż np. w systemie zarządzającym klimatyzacją.

Czujniki zintegrowane

Tabela 1. Podstawowa charakterystyka dwóch wybranych czujników zintegrowanych

W czujnikach zintegrowanych (scalonych) obwody przetwarzające sygnał pomiarowy umieszczone są wraz z elementem pomiarowym w jednej obudowie. Całość wykonana jest na podłożu półprzewodnikowym, najczęściej krzemowym. Tego typu układy mają dość ograniczony zakres temperaturowy, mieszczący się zwykle w przedziale od -55 do +150°C, czyli w typowym obszarze pracy układów półprzewodnikowych.

Tego rodzaju czujniki stosuje się powszechnie do pomiaru temperatury wewnątrz urządzeń elektronicznych. Pozwala to na ochronę układów przed przegrzaniem oraz może zapobiec nieodwracalnym uszkodzeniom sprzętu. Często wykorzystuje się je również w celu kompensacji wpływu temperatury na układy pomiarowe, np. poprzez korektę dryft u temperaturowego.

Tabela 2. Podstawowe właściwości różnych typów termopar

Mechanizm działania krzemowych elementów pomiarowych opiera się zazwyczaj na wykorzystaniu zależności napięcia złącza baza-emiter (lub różnicy napięć obu złączy tranzystora) od temperatury. Napięcie baza-emiter maleje wraz ze wzrostem temperatury o ok. 2 mV/K.

Czujniki zintegrowane charakteryzują się przeciętną dokładnością, zazwyczaj nie lepszą niż ±0,5°C. Umieszczane są w różnych typach obudów, przeznaczonych zarówno do montażu powierzchniowego, jak i przewlekanego. Mogą mieć wyjście analogowe (napięcie na wyjściu zmienia się proporcjonalnie do mierzonej wielkości), cyfrowe (najpopularniejsze interfejsy to I²C, SPI oraz 1-wire) lub progowe (zmiana stanu wyjścia sygnalizuje wartość temperatury poniżej/powyżej określonego progu).

Do zalet tego typu czujników należą niewielka cena, prostota obsługi oraz mały rozmiar. W tabeli 1 przedstawiono podstawową specyfikację dwóch różnych modeli tego rodzaju układów, charakteryzujących się odmiennym poziomem dokładności.

Czujniki zdalne

Rys. 1. Monitorowanie temperatury i kontrola warunków środowiskowych mają krytyczne znaczenie m.in. dla prawidłowego przeprowadzenia procesu destylacji ropy naftowej

W przypadku czujników zdalnych element pomiarowy (przetwornik temperatury) umieszczony jest w pewnej odległości od reszty toru pomiarowego. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie bardzo dużego zakresu pomiarowego, nawet od -270°C do ponad +1800°C (w przypadku niektórych rodzajów termopary). Czujniki zdalne mogą być wykorzystywane do kontroli procesów przemysłowych przebiegających w bardzo niekorzystnych warunkach, jak np. destylacja ropy naftowej czy produkcja artykułów spożywczych.

Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy przebieg procesu destylacji ropy naft owej, wykorzystujący różne temperatury wrzenia poszczególnych produktów końcowych - dla poprawnej realizacji tego zadania krytyczne znaczenie ma precyzyjne monitorowanie temperatury w poszczególnych miejscach zbiornika, do czego świetnie nadają się właśnie czujniki zdalne.

Dla większości typów czujników zdalnych dostępne są specjalne układy kontrolerów pozwalające na pełną obsługę sygnału pomiarowego. Układy takie (np. MAX31865 dla termorezystorów oraz MAX31856 dla termopar) wyposażone są zazwyczaj w wyjście cyfrowe, umożliwiające łatwą integrację z resztą systemu.

Diody półprzewodnikowe

Diody, tak jak pozostałe elementy półprzewodnikowe, umożliwiają pomiar temperatury w zakresie od ok. -55 do ok. +150°C, z dokładnością rzędu ±1°C. Mogą znaleźć zastosowanie w systemach pracujących w przeciętnym zakresie temperatur. Do ich głównych zalet należą niewielki rozmiar oraz niski koszt. Mogą być ponadto umieszczane na jednym podłożu z innymi elementami scalonymi, np. w układach ASIC.

Rys. 2. Przykładowe czujnik termorezystancyjne w wersji z drucikiem platynowym i jako cienkowarstwowe (po prawej)

Termopary (czujniki termoelektryczne)

Rys. 3. Wygląd przykładowej termopary

Termopary wykorzystują zjawisko polegające na powstawaniu różnicy potencjałów w miejscu styku dwóch różnych metali, proporcjonalnej do różnicy ich temperatur. Zjawisko to odkryte zostało w XIX wieku przez niemieckiego fizyka Thomasa Johanna Seebecka.

Termopary charakteryzują się największym zakresem pomiarowym spośród wszystkich typów sensorów, sięgającym od -270°C do ponad +1800°C. Dzięki temu znajdują zastosowanie m.in. w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, np. do pomiaru temperatury we wnętrzu silnika. Do innych zalet tych układów należą mały rozmiar, niewielka bezwładność czasowa (szybki czas reakcji na zmiany temperatury), duża niezawodność oraz brak konieczności stosowania dodatkowego zasilania.

Właściwości termopary zależą w dużym stopniu od rodzaju materiałów, z których została wykonana. Zgodnie z polską normą PN-EN 60584-1 wyróżnia się następujące typy termopar: J, T, K, E, N, S, R, B. Ich podstawowe charakterystyki przedstawiono w tabeli 2.

Każdy z tych typów ma nieco odmienną charakterystykę temperaturową, cechującą się pewną nieliniowością. Układy kontrolerów przeznaczone dla poszczególnych typów wyposażone są we wbudowane procedury linearyzacyjne, umożliwiające prawidłowy odczyt temperatury.

Czujniki termorezystancyjne

Rys. 4. DS18B20 - jeden z najpopularniejszych zintegrowanych czujników temperatury wyposażony w interfejs one-wire

Działanie czujników termorezystancyjnych opiera się na wykorzystaniu zjawiska zmiany rezystancji elementu pomiarowego w funkcji temperatury - sposób tych zmian określony jest w tzw. charakterystyce termoelektrycznej danego elementu. Ze względu na materiał wykonania wyróżnia się dwa rodzaje czujników termorezystancyjnych - metalowe oraz półprzewodnikowe.

Termorezystory metalowe przypominają zwyczajne rezystory - składają się z odpowiednio ukształtowanego metalowego uzwojenia rezystancyjnego. W celu uzyskania wysokiej powtarzalności charakterystyk termoelektrycznych tego typu czujniki wykonuje się zazwyczaj z czystych metali. Najczęściej wykorzystywanym materiałem jest platyna, spotyka się również termorezystory niklowe, miedziane oraz żelazne. W tabeli 3 przedstawiono wpływ materiału użytego do konstrukcji na zakres pomiarowy elementu.

Podstawowym parametrem termorezystora jest jego rezystancja znamionowa, czyli rezystancja w temperaturze odniesienia 0°C. Kolejnym ważnym parametrem jest czułość definiowana jako stosunek wartości rezystancji czujnika w temperaturze 100°C do jego rezystancji znamionowej. Charakterystyki standardowych termorezystorów platynowych umieszczone są w normie PN-EN 60751+A2. W porównaniu do czujników platynowych, elementy niklowe i miedziane charakteryzują się mniejszą dokładnością oraz zakresem pracy, cechują się jednak niższym kosztem.

Termorezystory (termistory) półprzewodnikowe mogą być wykorzystywane do pomiaru temperatury w zakresie od ok. -150 do 800°C, największą dokładnością (wyższą od termorezystorów metalowych) charakteryzują się jednak w zakresie od -100 do 50°C. W zależności od znaku współczynnika zmian rezystancji w funkcji temperatury (dodatni lub ujemny) wyróżnia się termistory typu NTC (Negative Temperature Coefficient) oraz PTC (Positive Temperature Coefficient).

Tabela 3. Zakresy pomiarowe termorezystorów wykonanych z różnych materiałów

Termistory NTC stosuje się m.in. do kompensacji temperaturowej oraz ograniczenia prądów rozruchu. Termistory PTC wykorzystywane są głównie do sygnalizacji przekroczenia określonej temperatury jako zabezpieczenie przed nadmiernym natężeniem prądu (np. w silnikach elektrycznych).

W porównaniu z termorezystorami metalowymi, termistory półprzewodnikowe mają mniejsze wymiary oraz charakteryzują się wyższym współczynnikiem zmian rezystancji, co pozwala uzyskać większą dokładność pomiaru.

Podsumowanie

Tabela 4. Porównanie podstawowych charakterystyk różnych typów czujników zdalnych

Czujniki temperatury różnych typów charakteryzują się całkowicie odmiennymi właściwościami. Zintegrowane układy półprzewodnikowe świetnie nadają się do pomiaru temperatur w niewielkim zakresie, np. we wnętrzu urządzeń elektronicznych.

Sensory zdalne można wykorzystać do konstrukcji systemu pomiarowego pozwalającego na monitorowanie nawet bardzo wysokich temperatur, znacznie przekraczających 1000°C. W tabeli 4 przedstawiono podsumowanie podstawowych właściwości różnych rodzajów czujników zdalnych, wymieniono również dedykowane im przykładowe typy układów kontrolerów.

Damian Tomaszewski