Měření teploty: ale správným způsobem

Měření teploty je tak důležitou součástí řady testovacích a měřicích aplikací, že teplota pravděpodobně patří k nejčastěji měřeným parametrům. V tomto článku uvádíme řadu užitečných informací pro optimální výběr senzorů a měřicích přístrojů.

Existuje velký počet nejrůznějších aplikací, při kterých se mají provádět co nejpřesnější měření teploty. Některými případy může být zahořování napájecího zdroje, tepelná zátěž při testování životnosti se zvýšeným namáháním, snímání teplotních profilů součástek, testy zatěžování životního prostředí, sledování a řízení výroby/prostředí, měření na automobilních, leteckých a kosmických systémech, certifikační testy atd. U řady těchto aplikací se sleduje teplota stovek testovaných objektů (DUTs, Device Under Test) současně. Tak kontrolní laboratoře například často potřebují stovky kanálů pro sledování teploty zařízení produkujících teplo, jako jsou pece, sušičky prádla, autosedačky, kuchyňské sporáky, nebo součástek, jako jsou termoelektrické chladiče (TECs) a zesilovací moduly. K realizaci řešení měření teploty je dnes k dispozici velký výběr senzorů a měřicích přístrojů.

Obr. 1 Model 3706 System Switch/Multimeter

Přehled teplotních senzorů

K nejčastěji používaným teplotním senzorům patří termočlánky (T/C), odporová teplotní čidla (RTD), termistory, monolitické polovodičové teplotní senzory (IC) a infračervené senzory (IR). Kromě toho existují některé spíše exotické možnosti, jako např. lak citlivý na teplotu. Pokud jsou tyto senzory správně implementovány a odpovídajícím způsobem přizpůsobeny dané aplikaci, dávají použitelné výsledky. Pro zajištění spolehlivého měření teploty je ovšem třeba dodržovat níže uvedené body.

Prvním faktorem, který se musí brát v úvahu při výběru teplotního senzoru, je rozsah měřených teplot. K dalším důležitým faktorům patří požadovaná přesnost, nároky na výměnu senzoru, druh přístrojů, se kterými mají senzory komunikovat, a fyzikální podmínky okolí (některé RDTs jsou příkladně citlivé na nárazy nebo vibrace).

Termočlánek je s určitostí nejmnohostrannější výrobek a hodí se i pro větší vzdálenosti mezi senzorem a přístrojem. Termistor je nejcitlivější senzor (což znamená, že odpor termistoru se s teplotou mění nejsilněji), čtyřdrátové odporové teplotní čidlo je nejstabilnější senzor a třídrátové odporové teplotní čidlo minimalizuje počet vodičů na senzor.

Termočlánky

Termočlánky patří k nejčastěji používaným teplotním senzorům. Jsou založeny na termoelektrickém nebo Seebeckově efektu, který byl pojmenován po fyzikovi Thomasu Seebeckovi. Jsou-li spolu spojeny dva vodiče z kovů různého druhu, je v místě spojení generováno napětí. Výše tohoto napětí je závislá na teplotě a na materiálu. Při změnách teploty se mění i napětí termočlánku, takže hodnota napětí vždy odpovídá určité hodnotě teploty. Linearita výstupního napětí termočlánku závisí na typu termočlánku a na rozsahu teplot. Termočlánky jsou robustní a pokrývají velmi široký rozsah teplot (až 2 300 °C), produkují však jen velmi malá výstupní napětí, takže použité měřicí přístroje musejí mít dostatečné rozlišení, aby bylo možno registrovat i malé změny napětí.

Běžné chyby při měření s termočlánky

Při použití termočlánků mají být brány v úvahu následující body:

• CJC (Cold Junction Compensation – kompenzace studených míst) nebyla konfigurována nebo kompenzována: Termočlánky měří rozdíl teplot mezi horkým (využívá se k vlastnímu měření) a studeným místem spoje nebo referenčním bodem (na přístroji). Není-li teplota studeného spoje známá nebo kompenzovaná (pomocí kompenzace studeného místa), jsou naměřené hodnoty teploty nepřesné.
• Použití měděných vodičů od spoje termočlánku k měřicímu přístroji: Spojení mezi termočlánkem a přístrojem by mělo být ze stejného materiálu, jako jsou vodiče termočlánku. Teoreticky je možno použít měděné vodiče, pak však musí být teplota všech vodičů regulována, což je všeobecně nepraktické.
• Přístroj na měření napětí není pro měření termočlánku dostatečně citlivý nebo přesný: Výstupní napětí termočlánku je v rozsahu několika μV, takže použitý přístroj musí mít dostatečné rozlišení, aby bylo možno tato nízká napětí přesně měřit. Řada moderních digitálních multimetrů (DMM) má speciální funkce pro měření teploty s termočlánky. Například systém Switch/Multimeter, model 3706 firmy Keithley, podporuje termočlánky typu J, K, N, T, E, R, S a B. Podle druhu termočlánku je s modelem 3706 možné měření od −200 do +1 820 °C s rozlišením od 0,001 K (s typem J) do 0,1 K (s typem B).

Maximalizace přesnosti termočlánků

Je-li termočlánek spojen přímo se vstupem digitálního multimetru, pak je nejméně jeden z těchto spojů ze dvou různých kovů, takže vzniká elektrické napětí. Vzhledem k tomu, že toto napětí se musí připočítat k napětí termočlánku, vyplývá chybná hodnota naměřené teploty. Pro kompenzaci vlivu tohoto nežádoucího termoelektrického napětí na základě spojení různých kovů vyžaduje obvod termočlánku referenční spoj, který je udržován na stabilní, známé teplotě.

Je-li teplota tohoto referenčního místa (studený spoj) známá, může měřicí přístroj referenční teplotu zohlednit při výpočtu hodnoty naměřené teploty na termočlánku. Normálně se jako standardní referenční teplota v převodních tabulkách napětí-teploty NIST používá bod mrazu (0 °C), je však možno použít i jiné známé teploty. Model 3706 může například měřit teplotu v místě studeného spoje pomocí termistoru nebo čtyřdrátového odporového čidla, alternativně však může hodnotu teploty zadávat i uživatel.

Nejpřesnějšího měření s termočlánkem je možno dosáhnout pomocí simulovaného referenčního spoje a bodu mrazu jako referenční hodnoty (viz obr. 2).

Obr. 2 Simulovaný referenční spoj s použitím bodu mrazu jako referenční hodnoty

Měděné vodiče ke spojům termočlánku se ponoří do ledové lázně (elektricky izolované) a uživatel zadá do přístroje simulovanou referenční hodnotu 0 °C. Simulovanou referenční teplotu je u modelu 3706 možno nastavit v rozsahu od 0 do +65 °C.

Dlouhé přívody termočlánku mohou mít vysokou hodnotu kapacity, která je zjistitelná na vstupu digitálního multimetru. Při občasném přerušování v obvodu termočlánku může tato hodnota kapacity způsobit chybu naměřené hodnoty. Pro zabránění takovým chybám má např. model 3706 obvod pro rozpoznání přerušování termočlánku. Tento obvod vyšle před začátkem každého měření teploty impuls na termočlánek.

Odporová teplotní čidla

Odporová teplotní čidla měří teplotu sledováním změn elektrického odporu kovových drátků nebo tenkých vrstev. Jako vodič se normálně používá platina, jsou však i odporová teplotní čidla z jiných kovů, jako je nikl, ze slitiny nikl/železo nebo z mědi. Odporová teplotní čidla dávají vysokou stabilitu a linearitu všech teplotních převodníků popisovaných v tomto článku.

Běžné chyby při měření s odporovými teplotními čidly

Podobně jako u termočlánků je třeba i u odporových teplotních čidel dodržovat určité body, aby se zabránilo chybám při měření teploty:

• Zabránění vlastnímu zahřívání: K odečtení teploty musí být odporovým teplotním čidlem veden proud. Tento proud ovšem může vést k vlastnímu zahřívání čidla. Výše tohoto proudu, procházejícího odporovým teplotním čidlem Pt100 (má vnitřní odpor 100 Ω při 0 °C), se musí udržovat např. pod 1 mA, aby se zabránilo problémům v důsledku vlastního zahřívání. U odporových teplotních čidel z niklu nebo ze slitiny nikl/železo musí tento proud být ještě nižší.
• Zohlednění odporu měřicích vedení: odpor měřicích vedení může přesnost měření teploty s odporovým teplotním čidlem velmi ovlivnit. Jsou-li vedení delší než několik cm, je lepší používat tří − nebo čtyřdrátové zapojení (Kelvin).
• Volba nesprávného typu odporového teplotního čidla pro rozsah teplot: Platinové čidlo se hodí pro rozsah teplot od −240 do +649 °C, platinové čidlo s tenkým filmem pro −196 až +538 °C a niklové čidlo, které projevuje větší změny odporu než čidlo Pt, pro −136 až +316 °C. Odporové teplotní čidlo ze slitiny nikl/železo by se přes výrazně větší změnu odporu než u čidla platinového mělo používat jen v rozsahu −73 až +204 °C.
• Použití nesprávného měřicího přístroje: Odporové teplotní čidlo pracuje zpravidla mimořádně přesně, dává však jen velmi malé změny odporu. Změna teploty o 1 K má u standardního odporového teplotního čidla Pt za následek změnu odporu jen 0,385 Ω. Tím musí být měřicí přístroj schopen měřit nejmenší změny odporu.

Maximalizace přesnosti odporových teplotních čidel

Platinová odporová teplotní čidla jsou buď drátové vinuté odpory, nebo odpory s kovovou vrstvou, přičemž ty druhé mají kratší dobu reakce. Vzhledem k tomu, že senzor Pt je v principu rezistor, je možno jeho hodnotu změřit ohmmetrem. Díky malému odporu senzoru a jeho malé citlivosti (0,385 Ω/K) je přesné měření na základě odporu vedení obtížné. Odpor o velikosti 1 Ω každého přívodního vodiče Pt100 k měřicímu přístroji způsobí již chybu větší než 5 K. Aby se zabránilo chybě vlivem odporu vodičů, je většina měření Pt100 prováděna přes čtyřdrátové vedení, přičemž dva vodiče jsou využity pro budicí proud a přes druhé dva se na odporové teplotní čidlo připojuje voltmetr. Je-li impedance voltmetru vysoká, je možno chybu několika ohmů, způsobenou malým odporem vedení, zanedbat.

Měřicí přístroj model 3706 nabízí například rozsah měření s odporovým teplotním čidlem od −200 do +630 °C a podporuje různé typy odporových teplotních čidel, jako Pt100, D100, F100, Pt385 a Pt3916. Přístroj normálně provádí čtyřdrátová vedení s kompenzací odchylky, která dovolují měření nízkého odporu čidla s maximální přesností. Pro rychlejší měření s odporovými teplotními čidly a v případě, když nejsou nutná velmi přesná měření, je možno kompenzaci odchylky deaktivovat.

Termistory

Termistor je výraz pro „rezistor, citlivý na teplotu“ (temperature sensitive resistor). Hodnota odporu se s teplotou mění nelineárně. U termistoru se záporným teplotním koeficientem (NTC) odpor při rostoucí teplotě klesá; u termistoru s kladným teplotním koeficientem (PTC) odpor s teplotou naproti tomu roste. U termistorů se odpor mění silněji než u odporových teplotních čidel, zato je však rozsah teploty a odpor nižší. Navíc je jejich zaměnitelnost a dlouhodobá stabilita výrazně horší. Přesto, že jsou ideální pro aplikace s nízkými změnami teploty, musí být vyšší citlivost vykoupena nižší linearitou. Vzhledem k tomu, že nelinearita se projevuje obzvláště při vysokých teplotách, měly by se používat jen pro měření teplot nižších než 100 °C.

Možné chyby při měření s termistory

U termistorů by se měly dodržovat následující body, aby se zabránilo chybám při měření teploty:

• Zohlednění vlastního zahřátí: U termistoru je stejně jako u odporového teplotního čidla k „odečtení“ teploty nutný proud. Tento proud může zvyšovat teplotu součástky. Proto je důležité omezit budicí proud na co nejnižší hodnotu, aby byl ještě zajištěn uspokojivý výstupní signál.
• Volba termistoru s nedostatečným teplotním rozsahem: Přesto, že výstupní rozsah termistoru je mnohem větší než u odporového teplotního čidla nebo u termočlánku, měl by se tento senzor používat jen v omezeném rozsahu teplot.

Maximalizace přesnosti termistorů

Měří-li se odpor termistoru digitálním multimetrem, musí se hodnota teploty vypočítat pomocí rovnic. Rovnice přitom využívají i konstanty k aproximaci křivek.

Zde je potřeba upozornit, že aproximace křivek specifikovaná výrobcem termistoru nemusí být shodná s tou, kterou použil výrobce multimetru.

Další možné zdroje chyb měření teploty

• Opomenutí termoelektrického efektu přívodních vodičů: Pokud je jakýkoliv typ senzoru teploty napojen silnými vodiči, potom může být vodiči přeneseno tolik tepla, že změní výsledek naměřené teploty. Proto je nejlepší, když vodiče poblíž senzoru mají teplotu, která se blíží měřené teplotě.
• Nedostatečný termální kontakt mezi senzorem a povrchem: Když má senzor špatný kontakt s objektem který je měřen, potom má patrně i jinou teplotu. Když měříte teplotu povrchu, připevněte k němu senzor pevně. Pokud je teplota mírná, potom mohou být k připevnění senzoru použity i navazující objekty, např. chladič.
• Umístění senzoru ve stojaté oblasti při měření teploty kapaliny: Když se měří kapaliny, ujistěte se, že teplotní senzor snímá teplotu v tom správném místě kapaliny, ne v místě, kde kapalina necirkuluje.

Vybrání optimálního měřicího vybavení pro danou aplikaci

I když jsou teplotní senzory jako jsou termočlánky, RTD a termistory kompatibilní s mnoha typy měřicích přístrojů, digitální multimetry jsou nejčastější volbou při měření teploty. Ty jsou přitom často použity ve spojení s přepínacím zařízením, když se vyžaduje monitorování teploty ve více místech. Tak např. model 3706 System Switch/Multimeter zajišťuje další požadavky potřebné pro různé druhy monitorování teploty a navazující úlohy:

• Až 360 termočlánkových kanálů v jednom 2U šasi.
• Automatická kompenzace studeného spoje (CJC) na navazujících modelech 3720, 3721 a 3724 Multiplexer Cards s příslušenstvím v podobě šroubového připojení termočlánků.
• Zabudovaná podpora pro měření teploty s třemi typy termistorů: 2.2 k, 5 k a 10 k.
• LXI/Ethernet připojení pro zjednodušené monitorování teploty ve vzdálených místech.
• Možnost dodatečného rozšíření kanálů pro monitorování teploty v přídavném šasi Series 3700 pomocí zabudované interface TSP-Link™.
• 14 programovatelných digitálních I/O umožňuje ovládat externí zařízení, jako jsou další měřicí přístroje, nebo a

Závěr

Zajištění přesnosti měření teploty není obtížné, pokud jsou senzory a měřicí aparatura vybrány a konfigurovány pro danou aplikaci správně. Nejdůležitější je rozumět výhodám i limitům dostupných možností a najít u nich správnou kombinaci funkčnosti a přesnosti.

O autorovi

Dale Cigoy je aplikační technik ve firmě Keithley Instruments. Pomáhá uživatelům v praxi při používání různých měřicích metod. Po ukončení bakalářského studia na Capitol College v Laurelu ve státě Maryland přišel v roce 1976 do firmy Keithley