Snímače teploty - odporové

Teplota je mírou střední kinetické energie neuspořádaného pohybu molekul v tělese. Pro měření teploty v soustavě SI se používá Kelvínova stupnice, která začíná absolutní nulou, při kteréžto teplotě kmitavý pohyb molekul ustává. V praxi je obvyklá stupnice Celsiova. Přepočet mezi oběma stupnicemi je dán vztahem:

0°C=273,15 K

Pro praktické ověřování teploměrů byla stanovena mezinárodní praktická stupnice, ve které jsou definovány pevné body. Základních bodů je 6, celkem jich je asi 20. Vesměs se jedná o body varu plynů a body tuhnutí kovů. Všechny údaje platí při tlaku 101,325 Pa. Základní body jsou:

teplota varu kapalného kyslíku 90,188 K -182,962°C;

teplota trojného bodu vody 273,16 K 0,01°C;

teplota varu vody 373,16 K 100,0°C;

teplota tuhnutí zinku 692,73 K 419,58°C;

teplota tuhnutí stříbra 1 235,08 K 961,93°C;

teplota tuhnutí zlata 1 337,58 K 1 064,43°C.

Teplota se měří v průmyslových ohřívacích pecích, sušárnách, někdy také v topeništi, například v plynovém hořáku a v různých chemických reaktorech. Měření teploty představuje zvláštní specializaci a vědomosti. Snímače použité ke snímání teploty závisí na rozsahu materiálů.

K měření teploty slouží teploměry. Dotykové teploměry musí být ve styku s měřenou látkou a ohřívají se na její teplotu. Množství tepla, které musíme teploměru dodat pro jeho ohřátí, je dáno jeho tepelnou kapacitou. Ta je důležitá zejména při měření teplot velmi malých množství látek, například ve zkumavce. Bezdotykové teploměry do měřené látky bezprostředně nezasahují a teplo je sdíleno zářením.

Odporové snímače teploty

Pro měření teploty využívají teplotní závislost odporu:

Odpor kovů při vzrůstající teplotě roste, odpor polovodičů naopak klesá. Protože základními požadavky na snímač jsou linearita, teplotní, časová a chemická stabilita a reprodukovatelnost při výrobě, používají se většinou snímače kovové, nejčastěji platinové. Teploměr je tvořen platinovým drátkem navinutým na keramickém tělísku, které je vloženo do ochranné trubky. Vývody jsou na svorkovnici na jednom konci trubky. V trubce může být jeden nebo dva měřicí odpory. Svorkovnice umožňuje různá zapojení měřicího obvodu. Teploměry se vyrábí pod označením Pt 100, Pt 500 a Pt 1000. Pt značí, že se jedná o platinový teploměr, číslo udává odpor teploměru při 0°C. V minulosti byl obvyklý typ Pt 100, který je mezinárodním standartem pro měření teploty v rozmezí -80 až +630°C. Dnes jsou často používány typy Pt 500 a Pt 1000. Jejich výhodou je větší základní odpor, a proto se ve výsledku měření méně uplatní odpor připojovacího vedení. Další výhodou je větší absolutní změna odporu při změnách teploty. Jsou ovšem dražší, neboť obsahují více drahého kovu. Závislost odporu na teplotě bývá udávána cejchovní tabulkou, kterou k teploměru dodává výrobce. Zkrácená tabulka pro Pt 100:

Pro typy Pt 500 a Pt 1000 budou hodnoty 5x respektive 10x větší.

Odpor se měří většinou speciálními přístroji, ve kterých je teploměr zapojen do odporového můstku na vstupu přístroje. Proud protékající teploměrem při měření by neměl přesáhnout 10 mA, protože tímto proudem je teploměr vyhříván. Vstupní obvod měřicího přístroje bývá nastaven pro měření v určitém rozsahu teplot. Současně bývá na přístroji uvedeno, jakým způsobem má být teploměr k přístroji připojen. Musíme si uvědomit, že k odporu teploměru se přičítá i odpor připojovacího vedení. Dříve bylo obvyklé, že se do připojovacího vedení vkládal tak zvaný justovací (vyrovnávací) odpor, kterým se celkový odpor vedení nastavoval na 20 Ω, případně jinou hodnotu vyznačenou na štítku měřicího přístroje.

Dnes se tento odpor u některých přístrojů nepoužívá a správné nastavení rozsahu se provede seřízením přístroje při uvádění obvodu do provozu. Připojení teploměru může být dvouvodičové, třívodičové nebo s pomocnou smyčkou atd. Při dvouvodičovém připojení je teploměr zapojen do jedné větve můstku. Zapojení je vhodné pro krátká vedení. Při dlouhých vedeních, v jejichž okolí se může měnit teplota, a tak se může měnit odpor vedení, se používá zapojení třívodičové nebo s pomocnou smyčkou. V obou případech je měřicí obvod zapojen ve dvou větvích můstku tak, že se vliv odporu vedení na měření potlačuje.

Dnes se často setkáváme s tím, že přímo v hlavici teploměru je vestavěn převodník, který převádí naměřenou hodnotu na unifikovaný proudový signál v rozmezí 4 až 20 mA. Výhodou je, že tento signál není ovlivňován parametry připojovacího vedení. V obvodu však musí být zapojen v proudové smyčce napájecí zdroj. Odporové teploměry jsou použitelné v rozmezí -190 až +1000°C. Jsou to nejpřesnější teploměry v oboru nízkých a středních teplot. Mají vysokou citlivost na malé teplotní změny, jsou vhodné pro dálkové měření.

Obr. 1: Odporový teploměr – dvouvodičové zapojení

 

Obr. 2: Odporový teploměr – třívodičové zapojení

Zdroje

• BENEŠ, P. a kol. Automatizace a automatizační technika 3, Prostředky automatizační techniky. 1. vyd. Praha: Computer Press, 2003. ISBN 80-7226-248-3.
• Měřící člen regulačního obvodu. [online]. [cit. 2014-08-10]. Dostupné na WWW: <http://www.spsei.cz/att/soubory/automatizace.pdf>.
• SCHMID, D. a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. 1. vyd. Praha: Europa - Sobotáles, 2005. ISBN 80-86106-10-9.
• Základy automatizace. [online]. [cit. 2014-07-15]. Dostupné na WWW: < http://www.elearn.vsb.cz/archivcd/FS/Zaut/Skripta_text.pdf>