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 urządzenie, dostarczające informacji o pojawieniu się określonego bodźca, 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 temperaturę 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 wykorzystujący 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: S_A i S_B 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:

• wysoką temperaturę topnienia,

• dużą odporność na czynniki zewnętrzne,

• małą rezystywność,

• wysoką temperaturę pracy ciągłej,

• mały współczynnik cieplny rezystancji,

• niezmienność parametrów w czasie.

Do budowy wykorzystuje się metale szlachetne: platyna i platynorod, wolfram i molibden, oraz nieszlachetne. Np.: żelazo i miedź-nikiel, miedź i miedź-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(ΔT) 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 się 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 zawierających związki 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 się temperaturę krytyczną)

• 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 * P_T + T_a

gdzie

T - temperatura termistora

T_a - temperatura otoczenia

P_T - 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

---