Czujnik (sensor) - jest to obiekt, który swoją reakcję na bodziec przekształca na
mierzalny sygnał innej wielkości fizycznej (np. światło w prąd elektryczny).
W naukach technicznych czujnik jest to urzÄ…dzenie, dostarczajÄ…ce informacji
o pojawieniu się określonego bodz
ca, przekroczeniu pewnej wartości progowej lub nawet
o wartości rejestrowanej wielkości fizycznej. W tym ujęciu tak zwany czujnik składa się
z czujnika, przetwornika oraz często układu kondycjonowania sygnału. Najczęściej
spotykanymi czujnikami są czujniki dostarczające informację w jednej z wielkości
elektrycznych takich jak: napięcie, natężenie prądu, opór elektryczny.
(Przyczyną tego jest fakt, że prąd elektryczny to sygnał, który łatwo przesłać na duże
odległości, poddać dalszemu przetwarzaniu lub przy użyciu technik cyfrowych i komputerów a
także zachować).
Pomiar temperatury
Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą
temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś mają różną
temperaturę, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o
niższej - aż do wyrównania się temperatur obu ciał.
Pomiar temperatury może być realizowany na wiele sposobów. W zależności od interakcji
pomiędzy badanym obiektem pomiarowym a czujnikiem pomiarowym wyróżnić można:
pomiar dotykowy (kontaktowy) - czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego
temperaturÄ™ mierzymy
pomiar bezdotykowy (bezkontaktowy) - poprzez pomiar parametrów promieniowania
elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało (promieniowanie cieplne)
np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt.
W zależności od wykorzystanych do pomiaru własności fizycznych czujnika
pomiarowego, wyróżnić można m.in. pomiar z wykorzystaniem zjawiska:
odkształcenia bimetalu
wytwarzania napięcia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w różnych
temperaturach
zmiany rezystancji elementu (termistor)
zmiany parametrów złącza półprzewodnikowego (termometr diodowy)
zmiany objętości cieczy, gazu lub długości ciała stałego (termometr, termometr
cieczowy),
zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor pod
wpływem temperatury,
 Termopara
Termopara (termoogniwo, termoelement, ogniwo termoelektryczne) to czujnik
temperatury wykorzystujÄ…cy zjawisko Seebecka.
Termopara składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów,
spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy
drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia.
Schemat termopary Termoelement
Zjawisko Seebecka  zjawisko termoelektryczne polegające na powstawaniu siły
elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki gdy ich złącza
znajdują się w różnych temperaturach..
W przedstawionym obwodzie A i B są różnymi metalami lub półprzewodnikami, T1 i
T2 to temperatury w miejscach styku metali. W tym obwodzie powstaje napięcie elektryczne
określone wzorem:
gdzie: SA i SB to współczynniki Seebecka charakterystyczne dla wybranych
substancji. Powstające napięcie jest rzędu od kilku do kilkudziesięciu mikrowoltów na kelwin
(stopień Celsjusza).
Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i
"odniesienia") powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym
przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur. Spoina
pomiarowa może znajdować się w obudowie o dużym przewodnictwie cieplnym. Instaluje się
ją w miejscu pomiaru temperatury. Złącze odniesienia może umieszczane w ściśle określonej
temperaturze odniesienia, np. topniejącym lodzie. Złącze to może nie być złączem
bezpośrednim a zamkniecie obwodu odbywa się poprzez zaciski miernika.
Termopary odznaczają się dużą dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala
na ich zastosowanie w różnych warunkach. Wadą jest mechaniczna nietrwałość złącza
pomiarowego i możliwość przepływu prądu poza obwodem termopary, gdy złącze nie jest
izolowane. Izolacja złącza eliminuje ten efekt, ale wydłuża czas reakcji termopary na zmianę
temperatury. Dlatego w pomiarach o dużej dynamice zmian stosuje się termopary bez osłony.
Materiały wykorzystywane do budowy termoelementów powinny w miarę możliwości
posiadać:
wysokÄ… temperaturÄ™ topnienia,
dużą odporność na czynniki zewnętrzne,
małą rezystywność,
wysoką temperaturę pracy ciągłej,
mały współczynnik cieplny rezystancji,
niezmienność parametrów w czasie.
Do budowy wykorzystuje siÄ™ metale szlachetne: platyna i platynorod, wolfram i
molibden, oraz nieszlachetne. Np.: żelazo i miedz
-nikiel, miedz
i miedz
-nikiel, nikiel-chrom i
nikiel-aluminium.
Zalety termopar
nie wymagają zewnętrznego zasilania
niewielkie rozmiary - możliwość lokalnego pomiaru temperatury
niska pojemność cieplna
mała bezwładność czasowa
szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości
prostota budowy
duża niezawodność
Zalecane uziemnienia
 Pomimo bardzo prostej konstrukcji, przemysłowe wykonanie dokładnych termopar o
powtarzalnych charakterystykach nie jest zadaniem łatwym. Dlatego też termopary nie są tak
tanie jak się powszechnie uważa. Własności metrologiczne termopary zależą przede
wszystkim od jakości drutów użytych do wykonania termoelektrod (ich czystości). Istotny
jest też dobór przyrządu użytego do pomiaru napięcia termoelektrycznego, gdyż napięcia
powstające w termoparach nie przekraczają kilkudziesięciu miliwoltów. W przypadku
termopar z metali szlachetnych wartości te są jeszcze mniejsze - kilka miliwoltów.
Termoparę można wykonać samodzielnie, nawet do bardzo zaawansowanych
pomiarów. Wymaga ona jednak cechowania w zakresie temperatur, w jakim ma być użyta.
Dokładnie przeprowadzone cechowanie umożliwia korzystanie z termopary w bardzo
szerokim zakresie temperatur, nawet jeżeli zależność U("T) przestaje już być liniowa.
Termistor
Termistor jest to opornik o oporności elektrycznej zależnej w znacznym stopniu od
zmian temperatury. Termistory stosowane są m.in. do stabilizacji napięcia, kompensacji
zmian temperatury, w czujnikach temperatury.
Rodzaje termistorów
NTC  o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature
coefficient)  wzrost temperatury powoduje zmniejszanie siÄ™ rezystancji;
PTC  (pozystor) o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. positive
temperature coefficient), wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji;
CTR  o skokowej zmianie rezystancji (ang. critical temperature resistor)  wzrost
temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowną zmianę wzrost/spadek
rezystancji. W termistorach polimerowych następuje szybki wzrost rezystancji
(bezpieczniki polimerowe), a w ceramicznych zawierajÄ…cych zwiÄ…zki baru, spadek.
Podstawowe parametry
R  rezystancja nominalna, znormalizowana podawana jest zazwyczaj w temperaturze
25°C jako R25
a  TWR  Temperaturowy Współczynnik Rezystancji (dla termistorów typu CTR
podaje siÄ™ temperaturÄ™ krytycznÄ…)
P  dopuszczalna moc
B  stała materiałowa [wyrażona zwykle w kK  kiloKelwinach
tolerancja, w zależności od rodzaju wykonania termistora
Dla termistorów (z wyjątkiem typu CTR) dla niezbyt dużych różnic temperatur
zależność rezystancji od temperatury można uznać za liniową, co można wyrazić wzorem:
R = R0 * [1 + a * (T - T0)]
gdzie
R  rezystancja termistora w temperaturze T
R0  rezystancja w temperaturze odniesienia T0
a  główny współczynnik temperaturowy termistora.
Dla termistorów PTC współczynnik a jest większy od zera, a dla NTC mniejszy od zera.
Zmiana temperatury wewnętrznej termistora, a tym samym i jego rezystancji może
być powodowana zmianą temperatury otoczenia lub też zmianą natężenia prądu płynącego
przez termistor (wydzielanej mocy elektrycznej).
Temperatura termistora zależy od wydzielanej w nim mocy zgodnie z zależnością:
T = K * PT + Ta
gdzie
T  temperatura termistora
Ta  temperatura otoczenia
PT  moc wydzielana w termistorze
K  opór cieplny liczony w [ K/W ].
Zależność oporności względnej od temperatury (najlepsza czułość dla niklu)
Schemat standardowego platynowego termometru oporowego