Technologický pokrok v oblasti měření teploty vedl k vývoji množství rozmanitých čidel a měřících přístrojů, které jsou nyní k dispozici za relativně nízkou cenu. Tento článek se vrací k základům a zkoumá tři nejpopulárnější teplotní čidla a poskytuje několik rad jak zabránit chybám a omylům, které často znehodnotí měřící proces.

Přístroje pro přesné měření typlot jsou v dnešní době snadno dosažitelné za přijatelné ceny. Výsledkem je možnost snadno a přesně měřit teplotu, přesto však mnoho uživatelů dělá základní chyby které znehodnocují výhody používání přesných čidel a přístrojů. Většina lidí, kteří potřebují měřit teplotu, nejprve zakoupí nejdražší čidlo a přístroj, které mohou sehnat. Z hlediska výrobce je to jistě hodno uznání, protože výrobce potřebuje prodávat hodně přístrojů. Avšak v zásadě to je špatné řešení pro toho, kdo chce dělat přesná měření.

Měřte správně

Uvažme, že chcete měřit teplotu. Příklad který vypadá úplně snadný, je měření teploty v místnosti s přesností 1°C. Problém je, že teplota v místnosti není jedna, ale je mnoho teplot v různých částech místnosti. Obrázek vlevo ukazuje jak se teplota mění s výškou ve skladové místnosti. Čidla ve třech různých výškách snímají teplotu v jednom našem skladišti. Hodnoty snímané čidly se mění minimálně o 1°C, přitom nehraje roli jak přesný je každý senzor. Nikdy nebudeme schopni měřit teplotu v místnosti s přesností 1°C.

Jiný samozřejmý, ale často přehlížený bod je, že zaznamenáváte pouze teplotu čidla. Každý rozdíl mezi teplotou čidla a teplotou, kterou se snažíte měřit, je přímá chyba. Například, umístíte-li čidlo okolo potrubí (viz obrázek vpravo), je chybou předpokládat, že měříte teplotu toho, co protéká uvnitř potrubí.

Mezi vnitřním a vnějším povrchem potrubí existuje teplotní rozdíl a okolní teplota vzduchu a proudění vzduchu okolo čidla způsobují přídavné chyby. Přesto, z praktických a bezpečnostních důvodů nemáte na výběr než provést měření tímto způsobem. Chyby mohou být redukovány umístěním čidla na vhodné místo potrubí.

Nakonec se zamyslete, jak může přítomnost čidla ovlivnit měření. Obrázek vlevo znázorňuje experiment, při kterém bylo použito čidlo a přístroj s malou a velkou přesností pro pozorování růstu teplot stejného objemu zahřívané vody. Dlouhé, drahé a přesné čidlo Pt100 bylo připojeno na PT-104 (oba s přesností 0.01°C) a zčásti ponořeno do kádinky.

Naproti tomu do druhé kádinky bylo ponořen termočlánek, připojený na TC-08 (přesnost 0.5°C). Použití čidla Pt100 znehodnocuje přesnost jak vlastního čidla, tak i přístroje a to z důvodů různých teplotních ztrát. Rozptyl tepla z dlouhého, zčásti ponořeného čidla, do atmosféry omezuje teplotu, na kterou by jinak byla voda zahřáta. Dále, v tomto příkladu, teplota Pt100 nikdy nedosáhla 100°C i když se voda vařila. Levnější, méně přesné řešení poskytovalo více přesné a odpovídající výsledky.

Uvážíme-li co budeme měřit, pak další krok je rozhodnout jaká typ čidla použijeme. Většinou připadají v úvahu tři typy čidel: termočlánek, odporové teplotní čidlo (v angličtině používaná zkratka "RTD" - Resistance Temperature Detector) a termistor.

Následující tabulka srovnává tyto tři čidla:

1. Linearita nemusí být brána v potaz, pokud se použití moderní měřící přístroje, dovolující použít linearizační tabulku a provádějící kompenzaci.
2. Teplotní stabilita je brána v úvahu pro měřící prvek, nikoliv pro kryt čidla.

Termočlánkům je věnován detailně příspěvek jak správně vybrat termočlánek.

RTD (Pt100)

Termočlánkům je věnován detailně příspěvek jak správně vybrat čidlo Pt100.

Termistory

Mnoho lidí se mylně domnívá, že termistory jsou nepřesná čidla. To možná platilo dříve, kdy termistory měly toleranci v nejlepším případě 5%. Pro extrémní přesnosti jsou RTD čidla pořád tou nejlepší volbou, ale moderní termistory příliš nezaostávají. Termistory s přesností 0.1°C jsou již dostatečně rozšířeny a to za přijatelné ceny. Mají rychlou odezvu a větší výstup na °C než RTD čidla.

Podobně jako RTD čidla, také termistory využívají vlastnosti, že materiál mění odpor v závislosti na teplotě. Většina termistorů je na bázi kysličníků kovů a mají záporný teplotní koeficient (NTC). Termistory dávají relativně vysokou přesnost (0.1 to 1.5°C) ale pracují pouze v omezeném teplotním rozsahu: -100 až 300°C. Kromě toho, žádný termistor nepokrývá celý tento rozsah a chybějící standardizace způsobuje, že je většinou potřeba koupit termistorové čidlo spolu s měřícím přístrojem. Odezva termistoru je nelineární a podobně jako u RTD čidel, je potřeba zabránit průchodu větších proudů skrze termistor, jinak by došlo k jeho vlastnímu zahřívání.

Připojení na přístroj je jednoduché, 2-drátové, na rozdíl od RTD čidel, netřeba kompenzovat odpor vodičů. Odpor vodičů je malý ve srovnání s odporem termistoru (obvykle mezi 1 a 100 kOhm).

Termistory, díky jejich vysoké citlivosti, jsou ideální pro detekci malých změn teploty, zejména je-li důležitá změna a nikoliv absolutní hodnota.

Měřící přístroj a kalibrace

Jestliže jsme tedy vybrali teplotní čidlo a rozhodli se jakým způsobem jej použijeme, abychom využili všech jeho dobrých vlastností, zbývá získat to nejlepší z měřícího přístroje. Je nutno ověřit přesnost přístroje, protože přesnost se široce pohybuje podle typu přístroje a výrobce. V některých případech, pokud se použijí RTD čidla, pak hlavní chyba připadá právě na vlastní měřící přístroj. Avšak pokud se použije termočlánku, pak měřící přístroj ve srovnání s čidlem má malou chybu. V případě termistoru, protože ty mají křivku závislou na typu, je zapotřebí koupit čidlo i přístroj společně od téhož výrobce.

Pro přesná měření musí být provedena kalibrace a pokud možno přístroj a čidlo (nebo čidla) by měly být kalibrovány společně jako systém.

Shrnutí

Vysoce přesná měření teploty jsou možná, pokud se použijí dobře navržená a vhodně kalibrovaná čidla a přístroje. Přesto, přesnost takovýchto měření bude bezvýznamná pokud se přístroj a čidlo nepoužijí správným způsobem.