Zagadnienia pomiaru i regulacji temperatury odgrywają istotną rolę w niemal każdym systemie elektronicznym. Zarówno zbyt wysoka, jak i zbyt niska temperatura poszczególnych obwodów i komponentów może prowadzić do obniżenia wydajności, nieprawidłowego działania, a nawet trwałego uszkodzenia urządzenia. Precyzyjny pomiar temperatury oraz jej skuteczna regulacja mają zatem fundamentalne znaczenie dla konstrukcji bezpiecznych, energooszczędnych oraz niezawodnych rozwiązań – od elektroniki użytkowej, poprzez elementy linii produkcyjnych, aż po skomplikowane instalacje chemiczne i farmaceutyczne.
W tekście przedstawiono krótki przegląd najpopularniejszych typów czujników temperatury, omówiono zasadę ich działania oraz sposób integracji z układami pomiarowymi i regulacyjnymi. Przedstawiono również kryteria doboru czujnika do potrzeb aplikacji oraz przykłady praktycznych implementacji systemów pomiaru i regulacji.
Termopara
Termopara to jeden z najstarszych i wciąż najbardziej uniwersalnych typów sensorów temperatury. Komponent ten wykorzystuje tzw. zjawisko Seebecka, polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej (napięcia) w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki, jeśli ich złącza znajdują się w różnych temperaturach.
Wyróżnia się wiele różnych typów termopar (oznaczanych pojedynczą literą alfabetu, np. typ J, K, T, E, S, R, B), które różnią się zakresem pomiarowym i dokładnością pomiaru. Przykładowo, bardzo popularna termopara typu K działa w zakresie od –200°C do +1200°C, charakteryzuje się niemal liniową charakterystyką pracy i czułością o wartości 41 μV/°C.
Do głównych zalet termopar zaliczyć można szeroki zakres pomiarowy, wysoką odporność na uszkodzenia mechaniczne, zdolność do pracy z bardzo wysokimi temperaturami, relatywnie niską cenę, a także brak konieczności stosowania dodatkowego źródła zasilania. Wśród istotnych wad wymienić można małą dokładność (rzędu ±2°C), konieczność kompensacji temperatury złącza odniesienia oraz stosowania złożonych algorytmów przetwarzania i kondycjonowania sygnału pomiarowego.
Czujnik rezystancyjny (RTD)
Czujniki rezystancyjne (RTD, Resistance Temperature Detectors) wykonane są zazwyczaj z platyny, ponieważ metal ten charakteryzuje się niemal liniową charakterystyką zmian rezystancji w funkcji temperatury. Komponent ten ma dobrze zdefiniowaną, powtarzalną i scharakteryzowaną funkcję przejścia rezystancji i temperatury, dlatego też czujniki RTD są powszechnie używane w zastosowaniach naukowych i oprzyrządowaniu pomiarowym.
W praktyce czujnik RTD to z reguły platynowy drut lub cienka folia, czasami z dodatkiem innych metali szlachetnych, takich jak rod. Charakteryzuje się znaną rezystancją nominalną i dodatnią zmianą rezystancji w funkcji temperatury (tzn. dodatnim współczynnikiem temperaturowym – tzw. PTC). Czujniki RTD mogą być produkowane z różnymi wartościami rezystancji znamionowej, przy czym najbardziej powszechne są czujniki Pt100 i Pt1000 (czasami zapisywane jako PT100 i PT1000) o rezystancji nominalnej odpowiednio 100 Ω i 1000 Ω w temperaturze 0°C.
Zaletą RTD jest wysoka dokładność pomiaru (rzędu ±0,1°C), bardzo dobra powtarzalność oraz długoterminowa stabilność. Zakres pomiarowy mieści się zazwyczaj w przedziale od –200°C do +800°C. Tego typu czujniki wymagają zasilania prądowego oraz układów kompensujących rezystancję przewodów. W zależności od długości przewodów łączących czujnik z resztą obwodu pomiarowego stosuje się połączenie dwu-, trój- lub czteroprzewodowe. Dodatkowe wyprowadzenia pozwalają kompensować rezystancję przewodów połączeniowych.
Termistor
Termistor to rezystor półprzewodnikowych o rezystancji silnie zależnej od temperatury, w dużo większym stopniu niż w przypadku zwykłych oporników. Wyróżnia się termistory NTC (o ujemnym współczynniku temperaturowym – rezystancja maleje wraz ze wzrostem temperatury), PTC (dodatni współczynnik temperaturowy) oraz CTR (skokowa zmiana rezystancji – wzrost temperatury powyżej określonej wartości progowej powoduje gwałtowną zmianę rezystancji).
Do głównych zalet termistorów zalicza się wysoką czułość, niewielki koszt oraz małe rozmiary. Wśród największych wad wymienia się nieliniową charakterystykę temperaturową, która wymaga stosowania mechanizmów korekcji liniowej, ograniczony zakres pomiarowy, szczególnie w porównaniu z termoparami, a także podatność na zmiany starzeniowe.
Czujniki zintegrowane (scalone)
Półprzewodnikowe czujniki temperatury wykonane w formie układów scalonych to wygodne rozwiązania, oferujące kompletny system pomiarowy wyposażony w interfejs analogowy lub cyfrowy (np. I²C lub SPI). Do zalet tego typu rozwiązań zaliczyć można bardzo łatwą integrację z resztą systemu oraz dobrą dokładność pomiaru. Jedną z wad jest ograniczony zakres pomiarowy, z reguły mieszczący się w zakresie od –55°C do +150°C. Gotowe układy scalone bardzo często oferują dodatkowe funkcje, takie jak filtracja sygnału czy reakcja na przekroczenie określonych wartości granicznych.
Czujniki bezkontaktowe
Pomiar temperatury nie zawsze wymaga bezpośredniego kontaktu pomiędzy sensorem a badanym obiektem. Do najpopularniejszych bezkontaktowych metod pomiarowych zaliczyć można pomiar za pomocą promieniowania podczerwonego oraz za pomocą czujników światłowodowych.
Czujniki podczerwieni mierzą temperaturę na podstawie pomiaru natężenia promieniowania cieplnego emitowanego przez obiekt. Bardzo często stosowane są podczas pomiarów obiektów będących w ruchu lub znajdujących się w szczególnie niebezpiecznych warunkach, np. w piecach hutniczych.
Czujniki światłowodowe stosowane są z reguły tam, gdzie wymagana jest odporność na zakłócenia elektromagnetyczne lub iskrobezpieczeństwo, np. w strefach zagrożonych wybuchem.
Kryteria doboru czujnika
Dobór odpowiedniego typu czujnika temperatury powinien być poprzedzony analizą kilku kluczowych parametrów technicznych oraz warunków środowiskowych, w jakich ma pracować dany system.
Prawdopodobnie najbardziej istotnym kryterium jest zakres pomiarowy, który musi obejmować zarówno minimalne, jak i maksymalne wartości mogące wystąpić w danym systemie. Dla bardzo wysokich temperatur, np. w hutnictwie, najlepiej sprawdzają się termopary, zaś w przypadku precyzyjnych pomiarów laboratoryjnych często stosuje się czujniki RTD.
Nie mniej ważnym czynnikiem jest wymagana dokładność pomiaru. Jeśli system wymaga bardzo precyzyjnej regulacji temperatury (np. w procesach farmaceutycznych lub chemicznych), warto wybrać czujniki RTD lub zintegrowane układy scalone o niewielkiej wartości błędu pomiarowego. W rozwiązaniach, gdzie dokładność pomiaru nie jest zagadnieniem krytycznym, wystarczające mogą okazać się tanie termistory NTC.
Nie należy również ignorować wymagań dotyczących czasu reakcji czujnika, która zdecydują o tym, jak szybko system będzie w stanie reagować na zmiany temperatury. Bardzo krótkim czasem reakcji charakteryzują się termopary i termistory, co czyni je dobrymi kandydatami do pracy w środowiskach z dynamicznie zmieniającą się temperaturą. Czujniki RTD charakteryzują się dłuższym czasem odpowiedzi, oferują za to lepszą liniowość i stabilność.
Istotna jest także odporność czujnika na czynniki środowiskowe, takie jak wilgoć, drgania, pole elektromagnetyczne czy obecność gazów. W takich warunkach preferowane są czujniki światłowodowe lub IR, które nie mają części elektronicznych narażonych bezpośrednio na wpływ środowiska.
Na końcu warto uwzględnić także aspekty praktyczne: koszt zakupu i integracji czujnika, dostępność, łatwość montażu, a także możliwość jego kalibracji i ewentualnej wymiany serwisowej.
Obwody pomiarowe i przetwarzanie sygnału
Czujnik temperatury samodzielnie nie jest wystarczający do uzyskania wiarygodnych danych pomiarowych. Konieczne jest zastosowanie układów kondycjonowania i przetwarzania sygnału, które pozwolą dostosować sygnał wyjściowy czujnika do możliwości jego dalszego przetwarzana, np. przez mikroprocesor lub sterownik PLC.
W przypadku termopar generowany przez czujnik sygnał napięciowy jest bardzo niski (rzędu mikrowoltów), dlatego konieczne jest jego wzmocnienie. W tym celu stosuje się precyzyjne wzmacniacze różnicowe o dużej wartości wzmocnienia i niskim poziomie zakłóceń. Korzystanie z termopar wymaga też kompensacji złącza odniesienia. Istnieje kilka podstawowych sposobów realizacji – co do zasady podzielić je można na metody związane z utrzymywaniem stałej temperatury złącza odniesienia lub monitorowaniem i kompensacją wpływu tej temperatury na wynik pomiaru.
Przy korzystaniu z czujników RTD niezbędne jest zasilanie ich stałym prądem o małej wartości, rzędu miliamperów, co pozwala ograniczyć efekt samoogrzewania czujnika. Napięcie wygenerowane na rezystorze mierzy się za pomocą przetwornika ADC. Istotne znaczenie dla dokładności pomiaru ma wartość rezystancji przewodów. Aby zminimalizować negatywne efekty, stosuje się układy kompensacyjne w konfiguracji 3- lub 4-przewodowej.
Termistory wykorzystywane są zazwyczaj w konfiguracji dzielnika napięcia, co upraszcza konstrukcję obwodu, ale wymaga linearyzacji uzyskanego sygnału pomiarowego. Kompensacja ta realizowana jest zazwyczaj programowo, przez wykorzystanie danych tabelarycznych, aproksymacje wielomianowe lub równanie Steinharta–Harta.
Czujniki zintegrowane w formie układów scalonych są z reguły bardzo proste w integracji z resztą systemu, ponieważ dostarczają przetworzony sygnał w formie cyfrowej lub analogowej. Wiele z nich ma dodatkowe funkcje, takie jak programowalne wartości alarmowe lub możliwość kalibracji.
Czujniki IR wymagają dodatkowych układów do przetwarzania sygnału optycznego na wartość temperatury, uwzględniających korekcję emisyjności i wpływu temperatury otoczenia obiektu. Z reguły, podobnie jak zintegrowane układy scalone, dostarczane są w formie gotowych rozwiązań pomiarowych, które integruje się z resztą systemu za pomocą odpowiedniego interfejsu komunikacyjnego.
Regulacja temperatury
W wielu systemach kolejnym kluczowym krokiem po zmierzeniu temperatury jest jej skuteczna regulacja. Realizacja tego zadania wymaga zastosowania odpowiedniego algorytmu sterowania oraz komponentów wykonawczych.
Najprostszym sposobem regulacji temperatury jest metoda on/off, znana również jako histerezowa. W tym trybie element grzewczy lub chłodzący jest włączany, gdy temperatura spada poniżej ustalonej wartości dolnej, a wyłączany po przekroczeniu wartości górnej. Główną zaletą tego sposobu sterowania jest prostota implementacji. Metoda ta może jednak prowadzić do cyklicznych wahań temperatury i nie nadaje się do zastosowań wymagających wysokiej precyzji.
Dużo bardziej zaawansowanym rozwiązaniem jest zastosowanie regulatora PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkującego). Regulator PID uwzględnia nie tylko bieżący błąd (różnicę między temperaturą zadaną a zmierzoną), ale także jego całkowitą sumę w czasie oraz szybkość zmian. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie wysokiej precyzji sterowania bez przeregulowań i z minimalnym czasem stabilizacji.
Regulatory PID znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, spożywczym, a także w automatyce budynkowej i systemach HVAC (heating, ventilation, air conditioning). Współczesne sterowniki często wyposażone są w funkcje automatycznego strojenia parametrów PID, a także możliwość definiowania profili temperaturowych (np. krzywej grzania i chłodzenia, programy cykliczne).
W systemach rozproszonych lub IoT coraz częściej stosuje się metody regulacji temperatury oparte o algorytmy adaptacyjne i predykcyjne, zdolne do analizy zgromadzonych w systemie danych historycznych oraz prognozy zmian warunków zewnętrznych. Takie podejście pozwala nie tylko na lepsze dostosowanie do zmiennych warunków pracy, ale również na optymalizację zużycia energii i zwiększenie żywotności komponentów.
Elementami wykonawczymi w układach regulacji temperatury mogą być grzałki rezystancyjne, moduły Peltiera, zawory elektromagnetyczne, wentylatory, sprężarki czy pompy. Dobór odpowiedniego komponentu zależy od charakterystyki obciążenia cieplnego oraz wymagań aplikacyjnych.
Praktyczne zastosowanie
Czujniki temperatury i układy ich regulacji są szeroko stosowane niemal we wszystkich rodzajach systemów technicznych – od rozwiązań przemysłowych, poprzez elektronikę użytkową, automatykę przemysłową, aż do motoryzacji i przemysłu lotniczego.
Do obszarów intensywnie i powszechnie wykorzystujących systemy pomiaru i regulacji temperatury zaliczyć można:
- Przemysł spożywczy, gdzie kontrola temperatury odgrywa kluczową rolę w procesach takich jak pasteryzacja, sterylizacja, fermentacja czy mrożenie. Niewłaściwa temperatura może skutkować obniżeniem jakości produktu lub zagrożeniem bezpieczeństwa żywności. Stosuje się tu zarówno termopary, jak i RTD, w zależności od wymagań dotyczących precyzji i zakresu pomiaru.
- Przemysł farmaceutyczny i chemiczny, w których właściwa temperatura ma krytyczny wpływ na przebieg reakcji chemicznych oraz jakość produktów końcowych. Stosowanie precyzyjnych czujników RTD i zaawansowanych regulatorów PID pozwala zapewnić powtarzalność procesów produkcyjnych i zgodność z wymaganiami jakościowymi.
- Produkcję i montaż PCB, gdzie precyzyjna kontrola temperatury niezbędna jest podczas procesu lutowania oraz testowania termicznego komponentów. Stosowane są tu czujniki IC oraz termopary o szybkim czasie reakcji.
- Sektor HVAC, w którym czujniki temperatury sterują systemami ogrzewania i klimatyzacji, zapewniając komfort użytkownikom pomieszczeń oraz optymalizację wykorzystania energii. W układach automatyki budynkowej bardzo często spotkać można termistory NTC oraz czujniki cyfrowe.
- Motoryzację, gdzie kluczowe parametry pojazdu, takie jak temperatura silnika, akumulatora czy elektroniki pokładowej, monitorowane są na bieżąco, co pozwala uniknąć awarii i zoptymalizować zużycie paliwa. W podzespołach pojazdu powszechnie montowane są czujniki cyfrowe oraz termistory NTC.
Podsumowanie
Pomiar i regulacja temperatury to kluczowe zagadnienia znacznej liczby systemów elektronicznych i przemysłowych. Wybór odpowiedniego czujnika zależy od wymagań i uwarunkowań systemu, takich jak zakres pomiarowy, oczekiwana dokładność pomiaru, czas reakcji na zmiany wartości mierzonej czy szybkość i łatwość integracji. Znajomość typów dostępnych sensorów oraz ich podstawowych właściwości pozwala na podejmowanie świadomych i korzystnych decyzji projektowych. Uzupełnieniem skutecznego systemu kontroli temperatury są odpowiednio dobrane algorytmy regulacyjne. Kompleksowe podejście do pomiaru i regulacji temperatury jest bardzo często niezbędne dla zapewnienia poprawnej pracy całego systemu.
Damian Tomaszewski
