4.3  Měření teploty

Teplota je jednou z nejdůležitějších veličin ovlivňující téměř všechny stavy a procesy v přírodě. Při měření teploty J měříme obecně jinou veličinu A, která je na teplotě závislá podle určitého vztahu  A = f(J),  který jsme schopni vyčíslit. K měření teploty se využívá celé řady funkčních principů, jejichž přehled je uveden v tab. 4.1.

Tab. 4.1  Přehled teploměrů

V inženýrské praxi je důležité nejen správně rozhodnout o vhodném typu teploměru, ale je nutno zabudovat teploměr tak, aby správně měřil a aby byly eliminovány nebo potlačeny rušivé vlivy na jeho údaj.

4.3.1  Teploměry dilatační

Tyto teploměry využívají objemové nebo délkové roztažnosti plynných, kapalných i tuhých látek. Měření teploty se převádí na měření tlaku, objemu nebo délky.

Teploměry plynové využívají toho, že tlak plynu za stálého objemu je přímo úměrný teplotě

Teploměr sestává z vlastního čidla - jímky (kovová banička válcového tvaru o objemu 100 až 500 cm³), dále ze spojovací kapiláry a měřicího ústrojí, které tvoří obvykle deformační tlakoměr. Nejčastější náplní je dusík, hélium nebo vzduch. Rozsah použití je od -50 °C do +500 °C. Jako provozních teploměrů se jich nepoužívá.

Teploměry tenzní využívají závislosti mezi teplotou a rovnovážným tlakem v soustavě o jedné složce a dvou fázích: kapalina - pára. Závislost tenze par na teplotě je možno popsat rovnicí

kde  A, B, C  jsou konstanty charakteristické pro danou látku. Poslední člen v rovnici (4.18) se uplatňuje jen ve větším teplotním intervalu. Průběh závislosti tenze par na teplotě ukazuje obr. 4.25a. Teplotní rozsah pro danou látku je dán teoreticky intervalem mezi bodem varu  T_V  při atmosférickém tlaku a kritickým bodem  T_K.  Nad kritickou teplotou, kdy systém obsahuje pouze přehřáté páry (plyn), vztah (4.18) neplatí. Průběhy rovnovážných tlaků v závislosti na teplotě u některých látek, používaných do tenzních teploměrů, jsou uvedeny na obr. 4.25b.

Teploměry kapalinové jsou založeny na měření změn objemu kapaliny s teplotou. Běžné jsou skleněné teploměry, nejčastěji plněné rtutí. Jsou jednoduché, spolehlivé, přesné a levné. Jejich nevýhodou, hlavně z provozního hlediska je křehkost a někdy i špatná čitelnost a obtížnost dálkového přenosu údaje. Snímač pro provozní použití je kovový a tvoří jej nádobka, spojovací kapilára a deformační tlakoměr. Nádobka je obvykle válcového tvaru o průměru asi 15 mm a délce 100 až 200 mm, někdy bývá ve tvaru šroubovice. Spojovací kapilára má vnitřní průměr 0,1 až 0,35 mm. Celý systém je zcela vyplněn kapalinou a uzavřen. Změna objemu kapaliny s teplotou působí deformaci deformačního prvku tlakoměru. Pro změnu objemu kapalin s teplotou platí

kde je  V_J ,  V₀ objem kapaliny při teplotách  J  resp. 0 °C,  b teplotní součinitel objemové roztažnosti (pohybuje se v rozmezí 1.10^-4 K^-1 až 16.10^-4 K^-1).

Teploměry založené na roztažnosti pevných látek využívají různé délkové roztažnosti pevných látek, nejčastěji kovů. V praxi se využívá bimetalických teploměrů, které jsou tvořeny dvojicí pevně spojených kovových pásků s rozdílným teplotním součinitelem roztažnosti. Při zvýšení teploty se pásek prohne na stranu materiálu s nižším součinitelem roztažnosti. Bimetalický pásek je na jednom konci pevně uchycen, pohyb volného konce může být převeden na ukazovatel nebo přímo ovládá spínač. pro dvoupolohovou regulaci teploty.

 4.3.2  Termoelektrické teploměry

Rovnice (4.20) platí pro úzký rozsah teplot. Pro přesnější vyjádření závislosti se používá vztahu

kde  n  je rovno 2 až 14 podle požadované přesnosti rozsahu teplot a typu termoelektrického článku.

Tab. 4.2  Přehled vlastností termočlánků

Obě připojovací svorky měřidla musí mít stejnou teplotu, aby při zapojení měřidla do obvodu nedošlo ke změně termoelektrického napětí. Při praktické realizaci termočlánku se setkáváme s tím, že mezi měřicí přístroj a vlastní termočlánek je zařazeno ještě spojovací vedení, u kterého se velikost odporu upravuje vyrovnávacím (justačním) odporem na stanovenou hodnotu (obvykle 20 W) (obr. 4.31).

Měřicí spoj termočlánku, vyrobeného z kovů A a B má teplotu  J,  srovnávací spoj má teplotu  J_o.  Propojení s měřicím přístrojem je provedeno vodičem C a D, přičemž svorky měřicího přístroje mají teplotu  J₁.  S použitím 2. Kirchhoffova zákona můžeme psát pro napětí termočlánku vztah:

Dále platí

Uvažujeme-li, že  J = J_o,  pak  E = 0  a platí

Po dosazení vztahů (8.7) a (8.8) do vztahu (8.6) dostaneme

Z rovnice vyplývá již dříve uvedené tvrzení, že teplotu srovnávacího spoje je nutno udržovat konstantní, anebo člen  -a_AB(J_o)  vhodně kompenzovat. Na počtu dalších přídavných spojů nezáleží.

Vliv kolísání teploty srovnávacího spoje lze vyloučit umístěním srovnávacích spojů do termostatu (v laboratoři při 0 °C, u průmyslových aplikací při 50 °C) nebo použitím kompenzačních obvodů. U číslicových měřicích systémů se nejčastěji používá tzv. izotermické svorkovnice, jejíž teplota se snímá např. polovodičovým odporovým teploměrem. Příslušná korekce se vyhodnotí číslicově.

Užití termočlánků je zvlášť vhodné při monitorování velkého množství měřicích míst. V těchto případech lze použít i různých typů termočlánků, jejichž srovnávací spoje jsou připojeny k izotermické svorkovnici. Kompenzace vlivu změn teploty srovnávacího spoje se provádí softwarově s využitím počítače (obr. 4.32). Počítač řídí vyhodnocování signálu a prostřednictvím multiplexoru i sériové snímání údajů z jednotlivých míst. Multiplexer představuje vlastně mnohapolohový přepínač, který zajišťuje postupné připojování jednotlivých termočlánků k vyhodnocovacímu zařízení. Jistou nevýhodou tohoto uspořádání je delší čas potřebný pro zpracování údajů. Při požadavku rychlé odezvy je nutno použít hardwerové kompenzace speciální pro každý termočlánek.

Provedení termoelektrického snímače pro provozní aplikace je patrné z obr. 4.32. Termoelektrický snímač teploty je vlastně termoelektrický článek, umístěný v ochranné armatuře, která zabraňuje jeho mechanickému poškození a chrání jej před nepříznivými fyzikálními a chemickými vlivy. Vlastní termoelektrický článek je vložen do stonkové trubky zakončené přírubou, na které je svorkovnice s připojenými vývody termočlánku. Materiál vnější ochranné trubky je různý podle charakteru prostředí a velikosti měřené teploty. Ochranná jímka chrání teploměr před nepříznivými účinky prostředí, zhoršuje však jeho dynamické vlastnosti.

	a) detail termočlánku           b) plášťový termočlánek 1 ... termočlánkové dráty, 2 ... keramická izolace 3 ... keramický prášek
Obr. 4.33  Termoelektrický snímač s ochrannou trubkou	Obr. 4.34  Termočlánek

Termoelektrické měřicí vložky se vyrábějí s jedním nebo dvěma články. Termočlánkové dráty jsou vzájemně elektricky izolované keramickými trubičkami (obr. 4.34 a). Moderním typem kompak­tních snímačů jsou tzv. plášťové termočlánky, u nichž jsou dráty uloženy v niklové trubičce vyplněné práškovým MgO nebo Al₂O₃ (obr. 4.34 b). Průměr kovového pláště činí (0,15 až 10) mm.. Plášťové termočlánky lze je ohýbat, mají malou časovou konstantu a umožňují měření i na těžko přístupných místech.

Termoelektrický článek je zdrojem napětí, k jehož vyhodnocování se používá magnetoelektrických přístrojů, měřicích zesilovačů nebo kompenzačních měřicích metod. V případě, že se měří termoelektrické napětí pomocí přístrojů s proudovou spotřebou, vzniká na vnitřním odporu termočlánku a na odporu vedení úbytek napětí. O tento úbytek bude napětí na svorkách vyhodnocovacího přístroje nižší nežli termoelektrické napětí článku. Proto vyhodnocovací přístroje s měřicím ústrojím s otočnou cívkou mají předem nacejchovaný odpor vedení 20 W. S tímto odporem vedení se počítá při cejchování stupnice přístroje ve ºC. Při zapojení termočlánkového snímače je nutno zjistit odpor celého obvodu (odpor termočlánku, odpor kompenzačního vedení, odpor kompenzační krabice či termostatu, odpor spojovacího vedení) a hodnotu vyrovnávacího (justačního) odporu R_j upravit tak, aby celkový odpor obvodu byl 20 W.

Je-li k měření termoelektrického napětí použito některé kompenzační metody, při které neprotéká proud obvodem termoelektrického článku, není nutno vyrovnávat odpor vedení.

V průmyslové praxi se k vyhodnocování signálu termočlánků často využívá tzv. dvouvodičových převodníků. Blokové schéma zapojení je na obr. 4.35. Při měření se využívá skutečnosti, že vlastní spotřeba elektrického proudu zesilovače převodníku je menší než 4 mA. Při počáteční hodnotě měřené veličiny (v našem případě teploty) odpovídá proud 4 mA. S rostoucí hodnotou měřené veličiny se zvyšuje velikost proudového výstupu až k maximální hodnotě 20 mA při maximální hodnotě měřené veličiny. Výhodou dvouvodičového převodníku je proudový výstupní signál, úspora materiálu na spojovacím vedení, snadná identifikace přerušení vedení (proud 0 mA je mimo přípustný rozsah).

U moderních teploměrů se analogový signál termočlánku zpracovává na číslicový výstupní signál. Blokové schéma teploměru s číslicovým výstupem je na obr. 4.36. Termočlánek je na vstup zesilovače připojen prostřed­nictvím izotermické svorkovnice pro kompenzaci vlivu změn teploty srovnávacího spoje. Po zesílení je analogový signál převeden na signál číslicový pomocí analogově-digitálního převodníku. Vyhodnocovacím zařízením je číslicový displej, který slouží k zobrazení hodnoty měřené teploty. Při vyhodnocení signálu se využívá ve značné míře mikroprocesorové techniky. Při zpracování signálu z teplotního čidla se provádí v příslušných elektronických obvodech výpočet podle příslušné nelineární závislosti a výstupní signál se zobrazuje obvykle v číslicové formě na displeji.

Celková chyba při měření teploty s termoelektrickými snímači bude ovlivněna:

a)    velikostí odporu vyhodnocovacího přístroje,

b)    nesprávným vyrovnáním odporu vedení,

c)    změnou odporu vedení vlivem teploty,

d)    základní chybou vyhodnocovacího přístroje,

e)    chybou termočlánku (odchylka od normalizované cejchovní řady),

f)     chybou kompenzačního vedení u termočlánku z drahých kovů,

g)    nedokonalou kompenzací teploty srovnávacího spoje.

Při užití kompenzačních měřicích metod se neuplatní vlivy a), b), c).

Termočlánek používaný pro provozní měření by měl být pravidelně kontrolován v intervalu 1 až 1,5 roku. V některých případech je zapotřebí umožnit výměnu termočlánku i během provozu technologického zařízení. Pro kontrolu měřicího řetězce pro vyhodnocování signálu termočlánků slouží přenosná kalibrační zařízení, která mohou měřit velikost signálu i simulovat termočlánkové signály. Pro zjištění stavu termočlánkového snímače lze s výhodou využít měření jeho elektrického odporu. Nízká hodnota odporu obecně indikuje uspokojivý stav, zatímco vysoký odpor může signalizovat konec životnosti termočlánku.

4.3.3  Odporové teploměry

4.3.3.1  Kovové odporové teploměry 

Elektrický odpor kovových vodičů vzrůstá s teplotou. Pro čisté kovy je možno závislost vyjádřit polynomem

V technické praxi vystačíme s aproximační rovnicí

a pro menší teplotní rozsah  (DJ < 100 ºC)  lze použít lineárního vztahu

kde  a  je teplotní součinitel definovaný v pracovním bodě  J₀ . Například pro rozmezí teplot 0 až 100 ºC stanovíme  a  změřením odporu při teplotě trojného bodu a bodu varu vody

Pro realizaci odporových teploměrů se používají především čisté kovy, jejichž teplotní součinitel má být stálý a pokud možno co největší. Používanými materiály jsou platina, nikl a měď, jejichž teplotní součinitele a meze použití jsou uvedeny v tab. 4.3.

Nejčastěji používaným materiálem je platina, poněvadž může být vyrobena ve standardně čistém stavu a je fyzikálně i chemicky stálá. Nikl má výhodu vyšší citlivosti, je však méně stálý a obtížně se vyrábí ve standardní čistotě. Používá se v teplotním rozmezí od ‑60 ºC jen do 200 ºC, protože při vyšších teplotách dochází ke změně krystalické modifikace, provázené i změnou teplotního součinitele. Použití mědi je omezeno z důvodů snadné oxidovatelnosti a malého měrného odporu.

Tab. 4.3  Materiály pro kovové odporové teploměry

Čistota platiny pro provozní teploměry je dána podmínkou pro tzv. redukovaný odpor  W_J :

Kde R _100 °C   je odpor teploměru při  J = 100 ºC,   R _0 °C   je odpor teploměru při  J = 0 ºC.  Na čistotu platiny pro výrobu etalonových teploměrů jsou požadavky přísnější.

 U provozních platinových odporových teploměrů je důležitá záměnnost, umožňující sestavovat měřicí obvody ze snímačů a převodníků tak, aby bylo možné měřit s chybami v určitých dohodnutých mezích bez ověřování přesnosti. Z tohoto důvodu jsou normami určeny základní hodnoty platinových měřicích odporů včetně přípustných odchylek.

Obr. 4.37  Platinový odporový teploměr	Obr. 4.38  Plošný odporový teploměr

Čidlem odporového snímače teploty je tzv. měřicí odpor, který je nejčastěji tvořen spirálovitě stočeným tenkým platinovým drátkem (f 0,05 mm); zataveným do keramického nebo skleněného tělíska (obr. 4.37). Tělísko je pak často uloženo v ochranné trubici a v ochranné jímce podobně jako tomu bylo u termočlánku (viz obr. 4.33).

Základní měřicí rozsah pro platinové měřicí odpory je od -200 ºC do 850 ºC. Základní odpor při 0 ºC je  R₀ = 100 W. Příslušné rovnice popisující závislost odporu na teplotě jsou definovány doporučením mezinárodní komise IEC (International Electrotechnical Commision).

 V poslední době se vyrábějí měřicí odpory tenkovrstvou technologií, při níž se platinový odpor vytvoří na ploché korundové destičce technikou napařování a iontového leptání. Struktura takového plošného odporového teploměru je patrná z obr. 4.38. Plošné měřicí odpory s vrstvičkou platiny ve formě jednoduchého meandru mají rychlejší odezvu než odpory drátové, mají obvykle vyšší odpor a jsou levnější. Drátové odpory jsou však časově stálejší.

4.3.3.2  Polovodičové odporové teploměry

Polovodičové senzory teploty podobně jako kovové využívají závislosti odporu na teplotě. Mezi polovodičové odporové teploměry řadíme NTC-termistory, PTC-termistory a monokrystalické senzory teploty.

NTC-termistory (negastory) jsou vyráběny spékáním oxidů Fe₂O₃, TiO₂, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO a dalších. Závislost odporu na teplotě je nelineární a odpor s teplotou klesá podle vztahu

kde jsou   R_o  , R  odpory termistoru při teplotě T_o resp. T,   B  veličina úměrná aktivační energii.

Závislost odporu na teplotě pro NTC-termistor je nakreslena na obr. 4.39 pro srovnání spolu s charakteristikami pozistoru a platinového odporového teploměru.

Mění-li se teplota termistoru jen v malém rozmezí okolo pracovní teploty T₀, můžeme charakteristiku linearizovat rozvojem do Taylorovy řady:

kde teplotní součinitel  a  se zmenšuje se čtvercem absolutní teploty termistoru. Hodnota veličiny B závisí na složení a zpracování směsi oxidů, z níž je termistor vyroben. Její velikost závisí i na teplotě termistoru. Hodnoty B a a pro jednotlivé typy termistorů bývají uváděny výrobcem. Veličinu B pro daný pracovní interval můžeme určit změřením odporu termistoru při dvou teplotách

Termistory jsou vyráběny v širokém rozmezí hodnot odporu od 0,1 W až do několika MW. Teplotní součinitel je asi o řád vyšší než u kovů. Pro účely měření se používají nejčastěji perličkové termistory ve skleněném držáku. Průměr perličky bývá 0,2 až 3 mm. Výhodou termistorů je velká citlivost a malá hmotnost čidla, což umožňuje měření velmi malých a rychlých teplotních změn, bodové měření teploty, měření povrcho­vých teplot apod. Běžný měřicí rozsah teploty je od -60 ºC až do +200 ºC (výjimečně až do 400 ºC). Nevýhodnou vlastností termistorů je jejich časová nestálost. Zlepšení lze dosáhnout výběrem a umělým stárnutím.

PTC-termistory (pozistory) jsou polovodičové součástky s kladným teplotním součinitelem odporu. Vyrábějí se z polykrystalické feroelektrické keramiky, např. BaTiO₃. Jak je patrno z charakteristiky na obr. 4.39 dochází nejprve k mírnému poklesu odporu, načež v poměrně úzkém teplotním rozmezí elektrický odpor prudce stoupá. Použití pozistorů je dáno tvarem jejich charakteristiky a jsou vhodné pro měření ve velmi úzkém teplotním intervalu, zejména pak pro signalizační účely.

Polovodičové monokrystalické senzory teploty se vyrábějí z křemíku, germania či india. V prů­myslové praxi se setkáváme s křemíkovými senzory teploty. Monokrystalický křemík je vhodný k měření teploty v rozsahu od -50 ºC do +150 ºC. Teplotní závislost rezistivity křemíku je v tomto rozsahu teplot dána teplotní závislostí pohyblivosti nosičů (tzv. nevlastní elektronová vodivost podmíněná přítomností cizích prvků). Zvyšující se teplotou, podobně jako je tomu u kovů, dochází vlivem rozptylu nosičů náboje na mřížce polovodiče ke zmenšování pohyblivosti těchto nosičů a odpor senzoru se v závislosti na teplotě parabolicky zvyšuje dle vztahu

kde  R_r  je odpor senzoru při vztažné teplotě  J_r  . 

4.3.3.3  Měřicí obvody pro vyhodnocování signálu odporových snímačů teploty

Na měřicí obvody jsou kladeny tyto požadavky:

·         minimalizace vlivu měřicího proudu, tj. proudu procházejícího senzorem;

·         minimalizace vlivu odporu přívodů k senzoru;

·         analogová nebo číslicová linearizace;

·         unifikace analogového nebo číslicového výstupu.

Průchodem měřicího proudu odporovým senzorem teploty dochází k chybě měření vlivem oteplení odporu. Chybu lze vyjádřit vztahem

kde  D  [W.K^-1]  je tzv. zatěžovací konstanta (pozn.: 1/D  je tzv. výkonová citlivost). Zatěžovací konstanta je dána vztahem

kde hodnota  D  je elektrický příkon potřebný k ohřátí senzoru o  DT = 1 K  nad teplotu okolního prostředí. Konstanta  D  závisí na řadě fyzikálních veličin prostředí a na přestupu tepla do tohoto prostředí; tedy i na geometrických rozměrech senzoru. Při dané přípustné chybě oteplením lze vypočíst přípustný měřicí proud dle rovnice

kde  R  je maximální odpor odporového senzoru teploty v daném rozsahu teplot. Pro Pt senzory teploty, jejichž hodnota  R₀ = 100 W,  je přípustný maximální proud I = 10 mA. Je-li však požadovaná chyba měření vlivem měřicího proudu  DJ < 0,1 ^oC,  je nutno volit proud I < 1 mA. Pro termistory, jejichž R₀ je většinou řádově kW, je nutné volit proud řádově mA.

Nejčastějším provozním způsobem vyhodnocení změn odporu u odporových teploměrů je nevyvážený Wheatstoneův můstek. Vyhodnocovací přístroje mají měřicí ústrojí magnetoelektrické, zapojené v úhlopříčce odporového můstku. Můstek je napájen stejnosměrným stabilizovaným napětím z vestavěného zdroje. Schéma připojení odporového snímače teploty k vyhodnocovacímu přístroji je na obr. 4.40.

Při dvouvodičovém zapojení (obr. 4.40a) jsou připojeny odporový teploměr  R_J  i oba připojovací vodiče do jedné větve odporového můstku. Změna odporu teploměru vlivem teploty způsobí rozvážení můstku, které se indikuje měřicím ústrojím zapojeným v diagonále. Hodnoty odporů můstku jsou voleny tak, aby při minimální hodnotě měřené teploty byl můstek vyvážen a při maximální teplotě, aby ukazovatel měřicího ústrojí vykazoval plnou výchylku. Aby mohla být stupnice měřicího přístroje dělena přímo ve ºC, tak odpor vedení mezi snímačem a vyhodnocovacím přístrojem musí být upraven vždy na stejnou hodnotu bez ohledu na vzdálenost. K tomu slouží justační odpor R_j, kterým se upravuje celkový odpor vedení na 20 W. V provozních podmínkách může být můstek značně vzdálen od měřicího odporu R_J. Odpor vedení mezi přístrojem a snímačem se vlivem změn teploty okolí mění. Jelikož spojovací vedení i snímač jsou zapojeny do jedné větve můstku, působí tato skutečnost chybu měření. Proto se dvouvodičového zapojení používá pouze na kratší vzdálenosti mezi snímačem a vyhodnocovacím přístrojem a pro větší rozsahy teplot, kde je chyba v poměru k rozsahu relativně menší.

Při malých teplotních rozsazích a dlouhém spojovacím vedení o proměnné teplotě volíme zapojení třívodičové (obr. 4.40b). U tohoto zapojení je snímač teploty a jeden vodič s vyrovnávacím odporem R_j zapojen do jedné větve můstku a druhý vodič s vyrovnávacím odporem R_j do druhé větve. Třetí vodič je v napájecí větvi a napájecí bod je posunut až ke snímači teploty. Vliv změn teploty na spojovací vedení nepůsobí rušivě, protože změny odporu působí ve dvou sousedních větvích, a tím se navzájem kompenzují.

Velikost napájecího napětí měřicího můstku musí být volena tak, aby nedocházelo k nežádoucímu oteplení měřicího odporu Jouleovým teplem.

U moderních teploměrů se elektrické analogové nebo číslicové obvody včetně unifikačního bloku umísťují do hlavice teploměru a tvoří pak s vlastním snímačem teploty jediný konstrukční celek.

Současné moderní převodníky signálu pro teploměrné snímače využívají pokroku číslicové elektroniky a jsou značně přizpůsobivé. Tyto přístroje jsou obvykle vybavené linearizací, přizpůsobitelné pro různé typy snímačů (odporové teploměry, různé typy termočlánků či pro obecný napěťový signál). Důležitou předností těchto převodníků je možnost konfigurace pro použitý typ senzoru, aniž by bylo třeba měnit elektronické vybavení a provádět rekalibraci. Přístroje bývají vybaveny i automatickou diagnostikou pomocných i měřicích obvodů.

4.3.4  Diodové senzory teploty a integrované senzory teploty

Diodové senzory teploty využívají změna vlastností PN přechodu s teplotou. Pro jejich realizaci se používá germaniových či křemíkových diod nebo tranzistoru. Germaniové snímače jsou vhodné pro měření nízkých teplot (-190 ºC i nižších). Křemíkové diody jsou vhodné pro měření v rozmezí -50 až +150 ºC (případně -150 až +300 ºC). Prahové napětí diody se mění přibližně o  2 mV/K  a závislost je lineární v oblasti 15 až 45 ºC s přesností 0,03 %, v celém měřicím rozsahu pak s přesností 0,5 %. Diodová čidla mají velmi příznivé dynamické vlastnosti. Časové konstanty se pohybují v jednotkách či desetinách sekundy. Dále vykazují tato čidla velmi dobrou časovou stálost. Schematické zapojení měřicího obvodu je na obr. 4.41.

Pro dostatečně malý a konstantní proud I platí:

pro křemíkovou diodu  k = -2,1 mV/K  při  U_A = 0,65 V při  20 ºC.

Měřicí obvod podle obr. 4.41b musí být vybaven stabilizovaným zdrojem I_st, který zajišťuje napájení konstantním proudem I, jenž protéká přes PN-přechod v propustném směru. Další zdroj stabilizovaného napětí U_st slouží k posunutí počátku rozsahu o napětí U₀.

U integrovaných monolitických PN-senzorů teploty tvoří vlastní senzor (PN-přechod) a elektronický převodník jediný monolitický obvod. Tyto obvody se vyrábějí v konfiguraci s napěťovým či proudovým výstupem. Výstup je lineární funkcí teploty - typicky 1 mV/K. Hlavní předností je lineární výstup v  závislosti na teplotě.

Diodových a integrovaných senzorů se často využívá k měření a následné kompenzaci vlivu teploty na výstupní signál u inteligentních převodníků pro monitorování různých technologických veličin.

4.3.5  Porovnání elektrických teploměrů

V tab. 4.4 jsou uvedeny přednosti i nevýhody elektrických dotykových teploměrů.

Tab. 4.4  Porovnání vlastností elektrických teploměrů

Polovodičová čidla nacházejí uplatnění v případech, kdy je preferováno snadné připojení k řídicímu systému a není na závadu menší přesnost (±0,5 až ±2 ºC). Kovové odporové teploměry jsou vhodné v aplikacích, ke se požaduje větší přesnost měření. Platinová odporová čidla teploty jsou pro svoji přesnost, robustnost a spolehlivost v řadě průmyslových aplikací nenahraditelná. Přesnost měření u všech typů senzorů je však výrazně ovlivněna i způsobem připojení čidla.

4.3.6  Inteligentní převodníky teploty

Výstupní napětí termočlánku ani změnu odporu u oporových senzorů nelze v průmyslových aplikacích  přímo použít pro vyhodnocení měřené teploty. Je k tomu zapotřebí převodník, který napěťový signál termočlánku nebo změnu odporu senzoru převede na unifikovaný proudový nebo napěťový výstupní signál. Převodník musí signál ze senzoru zesílit a vhodně upravit. V poslední době se stále častěji používají tzv. inteligentní (smart) převodníky vybavené jedním i několika mikroprocesory, které vedle úpravy vstupního signálu (zesílení, linearizace charakteristiky, přizpůsobení rozsahu aj.) zajišťují i automatickou kalibraci, filtraci, digitální zobrazení, hlídání nastavených mezí a obousměrnou komunikaci s počítačem nebo nadřazeným řídicím systémem. Inteligentní převodníky jsou obvykle univerzální a lze je přizpůsobit nejenom pro různé typy termočlánků a odporových teploměr, ale i pro připojení odporových vysílačů nebo různých snímačů s napěťovým či proudovým výstupem. Často se také označují jako programovatelné převodníky. Funkce a základní části typického inteligentního převodníku jsou zřejmé z blokového schématu  na obr. 4.42.

Pro uživatele je velmi důležitá a příjemná obousměrná komunikace mezi inteligentním převodníkem teploty a nadřazeným počítačem nebo řídicím systémem, která výrazně zvyšuje komfort obsluhy. Z počítače lze vhodným programem pohodlně zkonfigurovat univerzálně programovatelný převodník pro konkrétní aplikaci, tj. zvolit odpovídající vstup (termočlánek, odporový senzor apod.), nastavit měřicí rozsah, zajistit kalibraci aj.Počítač může číst konfigurační data naprogramovaného převodníku, uložit je do paměti a použít pro naprogramování dalších převodníků. Samozřejmě může počítač ukládat naměřené hodnoty do paměti, podle vhodného programu zpracovat a vyhodnotit.

Inteligentní převodníky různých výrobců se pochopitelně liší konkrétním uspořádáním obvodového zapojení i doplňujícím vybavením (např. vestavěný regulátor, paměť měřených hodnot, nastavení mezí, automatická kontrola funkce, kalibrace apod.) Přes poměrně složité zapojení jsou inteligentní převodníky velice kompaktní přístroje s malými rozměry. Přispěly k tomu zejména výrazné pokroky v mikroelektronice. Inteligentní převodníky teploty jsou určeny pro přímé nasazení ve výrobních procesech a tomu odpovídá i jejich provedení buď pro montáž přímo do hlavice teploměru nebo do panelu či na montážní lištu apod.

4.3.7  Speciální teploměry

Do této skupiny je možno zařadit teploměry pro speciální použití, např. pro vyhodnocování rozložení teplot na povrchu těles, teploměry pro jednorázové změření jmenovité teploty apod. Těchto teploměrů se nevyužívá jako čidel v regulačních obvodech.

Keramické žároměrky se používají v keramickém průmyslu. Jsou to šikmé komolé trojboké jehlánky z keramických hmot o různém bodu měknutí. Po dosažení jmenovité teploty se jehlánek ohýbá a dotkne se vrcholem podložky, na které je nalepený. Keramických žároměrek se používá pro teploty od 600 ºC do 2 000 ºC, odstupňovaných po 20 ºC až 50 ºC.

Teploměrné barvy, pásky a tužky využívají změny barvy při tzv. teplotě zvratu. Teploměrné barvy jsou naneseny přímo na měřený objekt, nebo na samolepicí pásky z umělé hmoty a slouží pro zjištění rozložení teplotního pole. Teploměrné pásky bývají opatřeny i hrubou stupnicí teploty. Teploměrné barvy se používají v rozsahu od 40 ºC do 1 350 ºC, teploměrné tužky od 65 ºC do 700 ºC.

K měření povrchové teploty lze s výhodou využít barevných teplotních indikátorů na bázi kapalných krystalů cholesterického typu. Tyto teplotní indikátory jsou velmi citlivé, barevné změny jsou vratné a změnu teploty sledují prakticky okamžitě. Tyto vlastnosti je předurčují k použití při nedestruktivní kontrole správné funkce různých zařízení, k odhalování skrytých vad materiálu apod.

Nejjednodušším způsobem aplikace indikátorů teploty s kapalnými krystaly je jejich nátěr o tloušťce několika setin mm přímo na povrch měřeného tělesa. Nevýhodou přímo natřené vrstvy je krátká životnost v důsledku působení vnějšího prostředí. Dlouhodobou životnost mají indikátory ve formě fólií, ve kterých je indikátor jemně rozptýlen a chráněn vůči okolí. Nevýhodou fólií je větší teplotní setrvačnost oproti přímému nátěru, menší rozlišovací schopnost a nemožnost teplotního proměření členitých povrchů.

Barevné izotermy se vyhodnocují obvykle vizuálně, popř. se fotografují. Přesnost měření je určena šířkou teplotního intervalu. Vizuálně lze rozlišit teplotní rozdíly cca jednu desetinu tohoto intervalu.

4.3.8    Zabudování dotykových teploměrů

Jedním ze základních předpokladů správného měření teploty je vhodné umístění snímačů teploty, aby byl zajištěn správný přestup tepla a dokonalý styk s měřeným prostředím. Měřicí místo musí být voleno vhodně tak, aby byla zajištěna snadná montáž, demontáž a údržba teploměru.

Při měření teploty kapalin v nádobách se vyžaduje míchání měřené kapaliny, aby byl zvětšen součinitel přestupu tepla, a aby bylo dosaženo homogenního tep­lotního pole. Ztráty tepla vedením se omezí dostatečným ponorem teploměru.

Měření teploty proudící kapaliny se provádí podobně jako měření teploty proudícího plynu a platí proto podobné zásady. Zjednodušení spočívá v tom, že není třeba provádět ochranu proti ztrátám tepla sáláním.

Teploměry je nutno téměř vždy umístit do teploměrných jímek, které chrání teploměr proti chemickým a mechanickým vlivům. Při umístění teplotního snímače do jímky dochází vždy k značnému ovlivnění jeho dynamických vlastností. Je to způsobeno tím, že hmota jímky bývá mnohdy několikanásobně větší než hmota vlastního čidla. Pro správné vyhodnocení teploty je nutno uvažovat vzniklou dynamickou chybu.

4.3.9  Bezdotykové teploměry

Bezdotykové teploměry doznaly v poslední době značného pokroku a rozšíření díky pokroku v elektronice a optice. Přístroje byly původně označovány jako radiační pyrometry nebo radiační teploměry, nyní často jako IČ-teploměry. Radiační pyrometry nacházely původně uplatnění v takových provozech a aplikacích, kde bylo třeba měřit vysoké teploty často v malém prostoru, kde nebylo možno použít dotykový teploměr. Jednalo se zejména o aplikace v metalurgii, chemickém a zejména silikátovém průmyslu (sklářství, cementárny, vápenky, keramický průmysl). V průběhu posledních let se aplikace IČ-teploměrů posunula k nižším teplotám, včetně měření teplot nižších než 0 ºC, takže se s nimi setkáváme v potravinářství, elektronice, průmyslu papírenském, farmaceutickém, textilním, gumárenském, při zpracování plastických hmot apod. Přenosné IČ-teploměry nacházejí široké uplatnění při detekci tepelných ztrát a poruch,  při kontrole potrubních systémů, nádrží apod. 

Pro pochopení hlavních rozdílů v uspořádání přístrojů a jejich aplikačních možností je důležité uvést základní teoretické poznatky z této oblasti.

4.3.9.1  Teoretické základy bezdotykové pyrometrie

Měření teploty bezdotykovými teploměry je založeno na vyhodnocování tepelného záření těles. Část tepelné energie látek se neustále přeměňuje v energii, kterou tyto látky vysílají ve formě elektromagnetického záření. Při rovnováze mezi energií přijímanou a vysílanou může být stav zářiče charakterizován určitou teplotou. Vysílané záření se nazývá tepelné a je složeno z různých vlnových délek. Intenzita vyzařování  H  (W m^-2 )  je dána vztahem

kde je  F  zářivý tok  (W),  S  plocha povrchu zdroje záření  (m²).

Dokonale černé těleso maximálně vyzařuje i maximálně pohlcuje záření. Intenzita vyzařování a pohltivost jsou si úměrné podle tzv. Kirchhoffova zákona. Je-li teplota tělesa větší než teplota okolí, převažuje intenzita vyzařování nad pohltivostí. Intenzita vyzařování dokonale černého tělesa  H₀  závisí jen na jeho absolutní teplotě  T  a podle Stefan-Boltzmannova zákona platí

kde  s = 5,67.10^-3 W m^-2 K^-4. Indexem  ₀  je označeno dokonale černé těleso. Intenzita vyzařování má integrální charakter a skládá se z příspěvků při jednotlivých vlnových délkách podle vztahu

kde je  H_0l  spektrální hustota intenzity vyzařování (W m^-3),  l  vlnová délka (m).

Závislost spektrální hustoty intenzity vyzařování na vlnové délce a teplotě je dána Planckovým vyzařovacím zákonem

kde je  h  Planckova konstanta,  k  Boltzmannova konstanta,  c  rychlost světla ve vakuu. Konstanta  c₁ = 3,7413.10^-16 (W m² ),   c₂ = 1,4388.10^-12 (K m).

Závislost je graficky znázorněna na obr. 4.44. Plocha pod křivkou pro danou teplotu je rovna intenzitě vyzařování  H₀  při této teplotě. Maximum vyzařování se posouvá se vzrůstající teplotou ke kratším vlnovým délkám podle Wienova zákona posuvu.Skutečné těleso vyzařuje (i pohlcuje) méně než černé těleso. Jeho spektrální hustota intenzity vyzařování  H_l  je dána vztahem

kde  e_l  (1)  je emisivita, resp. pohltivost pro vlnovou délku  l ,  e_l < 1.

Emisivita závisí na materiálu, úpravě povrchu, oxidaci povrchu a obecně platí

Ve vztahu k emisivitě  e  resp.  e_l  je i odrazivost (reflektance) r , r_l ,  což je míra schopnosti odrážet záření a prostupnost (transmitance)  t , t_l  jako míra schopnosti propustit záření. Platí:

Je-li objekt ve stavu tepelné rovnováhy, nedochází k žádnému ohřívání ani ochlazování; energie, která se vyzařuje musí být rovna energii pohlcované, takže emisivita  e  se rovná pohltivosti (absorbanci)  a.

Hodnoty emisivity  e  pro vybrané povrchy jsou uvedeny v tab. 4.5.

4.3.9.2  Širokopásmové přístroje

Širokopásmové přístroje pracují v oblasti vlnových délek od 0,3 mm. Někdy se tyto přístroje označují jako radiační pyrometry nebo úhrnné pyrometry, protože měří v široké oblasti vyzařovaného teplotního záření. Schéma uspořádání radiačního pyrometru je na obr. 4.45.

Teplota se vyhodnocuje podle Stefan-Boltzmannova zákona, který pro šedé těleso můžeme psát

Tepelné záření, vysílané měřeným objektem, se soustřeďuje optickým systémem na čidlo radiačního pyrometru. Optický systém bývá sestaven z čoček nebo zrcadel. Čidlem bývá nejčastěji baterie termočlánků (až 30 měřicích spojů na ploše 4 mm²), dále bolometr (fóliový odporový teploměr) nebo termistor. Povrch čidla bývá začerněn. Přijímač záření i optika musí být pokud možno nezávislá na vlnové délce. Tato podmínka je splněna jak pro termo­článek, tak i pro bolometr. Volba optiky se řídí měřicím rozsahem, který bývá standardně (600 až 2 000) ºC a (0 až 1 000) ºC. V rozmezí nižších teplot je lepší pracovat jen se zrcadlovou optikou s kovovým povrchem zrcadel. Vstupní okénko takového pyrometru bývá chráněno před prachem tenkou fólií z umělé hmoty, která propouští infračervené záření.

Užitím vhodných polovodičových snímačů záření lze dosáhnout vysoké citlivosti, ovšem pouze v určitém pásmu vlnových délek. Tyto přístroje se vyznačují nízkou časovou konstantou (řádově 10^‑2 s) na rozdíl od přístrojů s tepelnými snímači a vzhledem k vysoké citlivosti mohou být použity i pro měření teploty těles malých rozměrů (f tělesa 1,5 mm ze vzdálenosti 150 mm).

Všechny radiační pyrometry pracují s malými chybami pouze v případech, kdy emisivita  e ®1. Tuto podmínku splňují dobře uzavřené prostory, objekty bez lesku apod. Při měření se často používá uzavřených keramických trubic, které jsou vloženy uzavřeným koncem do měřeného prostředí (např. pece). Na dno trubky se pak zaměří pyrometr. Aby pyrometr měřil teplotu zářiče správně, musí být zaručeno, že na přijímač záření dopadají jen tepelné paprsky zářiče. Zdrojem častých chyb je rušivě působící denní světlo; např. těleso ozářené sluncem nelze měřit. Měření je nezávislé na vzdálenosti přístroje od měřeného tělesa, pokud obraz tělesa kryje obrys přijímače záření. Kontrola se provádí vizuálně okulárem. Obsahuje-li atmosféra mezi objektem a radiačním pyrometrem složky absorbující IČ-záření, dochází k ovlivnění výstupního údaje.

Ke zpracování signálu se u současně vyráběných přístrojů využívá moderních elektronických obvodů řízených mikroprocesorem. Do paměti se ukládají údaje o maximální a minimální měřené teplotě, střední hodnota teploty a údaj o rychlosti změny teploty. Na displeji je k dispozici měřený údaj i hlášení o poruchových stavech. Velikost emisivity se zadává prostřednictvím obslužné klávesnice.

4.3.9.3  Úzkopásmové přístroje

Tyto přístroje pracují v relativně úzkém rozmezí vlnových délek, přičemž volba tohoto rozmezí souvisí s požadovaným účelem měření. V poslední době bylo vyvinuto mnoho různých úzkopásmových přístrojů pro specifické aplikace. Měřicí rozsahy jsou značně proměnné a jako příklad lze uvést (‑50 až +600) ºC, (0 až 1 000) ºC, (600 až 3 000) ºC, (500 až 2 000) ºC aj. Požadované pásmo vlnových délek se vymezuje aplikací vhodné optiky, optického filtru a vhodnou spektrální citlivostí čidla.

Jako čidla pásmových pyrometrů se používá fotonek, fotočlánků, fotodiod, fototranzistorů a fotoodporů. Jejich výhodou je velmi rychlá reakce na změny teploty a možnost měření teploty i malých objektů. Spektrální citlivost je závislá na typu čidla; např. selenové fotočlánky jsou citlivé v oblasti viditelného záření, křemíkové fotočlánky jsou citlivé v rozsahu 0,6 mm až 1,8 mm, fotoodpory PbS mezi 0,5 mm až 3,6 mm apod.

Pásmových pyrometrů lze s výhodou použít tam, kde mezi měřeným objektem a pyrometrem jsou plyny s absorpčními pásmy v oblasti infračerveného záření (CO₂, vodní pára apod.). V tomto případě se používá pyrometrů s takovými čidly, kdy se absorpce neuplatňuje.

Do této skupiny pyrometrů můžeme zařadit i jasový pyrometr, u něhož se využívá k měření teploty úzkého spektrálního pásma v oblasti viditelného záření. Přístroj pracuje kompenzační měřicí metodou, při níž se porovnává záře měřeného objektu se září srovnávacího zdroje při určité vlnové délce, vymezené barevným filtrem. Provádí-li se porovnávání záře subjektivně, tzn., že čidlem pyrometru je lidské oko, hovoříme o optickém pyrometru. Ten pracuje nejčastěji s vlnovou délkou 0,65 mm, vymezenou červeným filtrem.

 Příklad optického pyrometru je na obr. 4.46. Obraz měřeného objektu 1 je vytvářen objektivem 2 v rovině vlákna pyrometrické žárovky 3. Wolframové vlákno žárovky je žhaveno proudem z baterie 4, jehož velikost se reguluje reostatem 5. Pozorovatel sleduje obraz objektu a vlákno žárovky okulárem 8 přes červený filtr 7, který vymezuje vlnovou délku. Záře vlákna žárovky se reguluje až do okamžiku, kdy vlákno svou září splyne se září pozorovaného objektu. Měřicí přístroj 9, zařa­zený v obvodu žárovky je opatřen teplotní stupnicí. U některých typů optických pyrometrů je žhavicí proud vlákna konstantní a porovnání září se provádí zasouváním šedého klínu 6. Zasunutí šedého klínu je funkcí měřené teploty.

Optické pyrometry umožňují měření v rozsahu 700 ºC až 2 300 ºC. Přesnost je závislá na rozsahu; na nejnižším rozsahu do 1 500 ºC je ± 25 ºC. Při měření na vyšším rozsahu do 2 300 ºC zařazuje se mezi měřený objekt a srovnávací vlákno šedý filtr.

Jasové pyrometry mohou pracovat i automaticky, jestliže k srovnávání záře použijeme vhodných fotoelektrických snímačů. V tom případě lze přístrojů použít i pro nižší teploty (0 až 400) ºC.

Měřený objekt je málokdy černým tělesem, a proto údaj pyrometru je všeobecně nižší než skutečná teplota T_s. Spektrální pyrometr bývá proto vybaven grafem, ze kterého pro příslušnou hodnotu emisivity e_l lze určit teplotní korekci, která se přičte k naměřenému údaji. I přes korekce může docházet u radiačních a spektrálních pyrometrů k dalším chybám, způsobeným absorpcí tepelného záření v prostředí. Sklo, dým, některé plyny (např. CO₂, vodní pára) absorbují tepelné záření a naměřený údaj je potom nižší.

4.3.9.4 Aplikační možnosti bezdotykových teploměrů

Bezdotykové teploměry se vyrábí buď jako přenosné přístroje sloužící pro příležitostná měření nebo jako stabilní přístroje pro nepřetržitá měření.

Stabilní přístroje jsou napájeny síťovým napětím a jsou instalovány ve vhodném místě pro kontinuální monitorování daného procesu. Mohou být pevně zaměřeny na určitý bod nebo mohou ve spojení s mechanickým zařízením snímat širší oblast.

Přenosné přístroje mají bateriové napájení a nejsou uzpůsobeny pro zapojení do regulačního obvodu. Vyžadují periodické nabíjení napájecího zdroje.

Bezdotykové teploměry mají velmi příznivé dynamické vlastnosti. Jejich odezva je velmi rychlá; časová konstanta T₉₀ leží v rozmezí 100 ms až 1 s.

Bezdotykových teploměrů se s výhodou využívá pro diagnostická a inspekční měření.