Co je to teplotní senzor?

Teplotní senzor je zařízení, které měří, jak horký nebo studený je předmět, poskytování měření teploty prostřednictvím elektrického signálu v čitelné formě. Nejběžnější jsou termočlánky a teplotní detektory s tepelným odporem.

Senzory teploty vody

Čínský senzor teploty

Typy snímačů teploty pro datová centra

Dnes jsou v moderní elektronice používány čtyři hlavní teplotní senzory: Koeficient záporné teploty (NTC) termistory, Detektory teploty odporu (RTS), termočlánky, a integrované polovodičové (IC) senzory.
Teplotní senzor je zařízení, obvykle, termočlánek nebo odporový teplotní detektor, který poskytuje měření teploty v čitelné podobě prostřednictvím elektrického signálu.
Teploměr je nejzákladnější forma měřiče teploty, která se používá k měření stupně tepla a chladu.

Teploměry se používají v geotechnické oblasti ke sledování betonu, struktur, půda, voda, mosty, atd. pro strukturální změny v důsledku sezónních výkyvů.
Termočlánek (T/C) je vyroben ze dvou různých kovů, které generují elektrické napětí přímo úměrné změně teploty. RTD (Detektor teploty odporu) je proměnný odpor, který přesně mění svůj elektrický odpor přímo úměrně změně teploty, opakovatelné, a téměř lineárním způsobem.

V našem každodenním životě, bychom měli často vidět teploměry, ohřívače vody, mikrovlnná trouba, chladničky, atd. Ty budou aplikovány na důležité zařízení – teplotní čidlo. Tento článek vám představí teplotní senzory, principy teplotních senzorů, a typy teplotních čidel.

Typ snímače teploty:
V praktických aplikacích, k dispozici je mnoho teplotních čidel, s různými vlastnostmi podle skutečné aplikace. Snímače teploty se skládají ze dvou základních fyzikálních typů:
1. Typ kontaktního teplotního čidla
Tyto typy teplotních senzorů vyžadují fyzický kontakt se snímaným objektem a využívají vedení ke sledování teplotních změn. Mohou být použity k detekci pevných látek, kapalin nebo plynů v širokém rozsahu teplot.

2. Typ bezkontaktního snímače teploty
Tyto typy teplotních senzorů využívají k monitorování teplotních změn konvekci a záření. Mohou být použity k detekci kapalin a plynů, které vyzařují sálavou energii, když teplo stoupá a chlad se usazuje na dně v konvekčních proudech, nebo k detekci zářivé energie přenášené z objektů ve formě infračerveného záření (slunce).
Kontaktní a bezkontaktní snímače teploty se dále dělí na následující snímače teploty.

Princip teplotního čidla:
1. Termostat
Termostat je kontaktní snímač teploty, který se skládá z bimetalového pásku vyrobeného ze dvou různých kovů, jako je hliník, měď, nikl, nebo wolfram.

Rozdíl v koeficientech lineární roztažnosti těchto dvou kovů způsobuje, že při zahřívání podstupují mechanické ohybové pohyby.

Aktuální obrázek termostatu

2. Bimetalový termostat
Termostat se skládá ze dvou kovů s různými úrovněmi tepla slepených zády k sobě. Když je chladné počasí, kontakty se sepnou a termostatem protéká proud. Jak se zahřeje, jeden kov se roztahuje více než druhý, a spojené bimetalové pásy se ohýbají nahoru (nebo dolů), otevřením kontaktů a zabráněním toku elektřiny.

Fyzikální obrázek bimetalového termostatu

Existují dva hlavní typy bimetalových pásků, založeno především na jejich pohybu, když jsou vystaveny změnám teploty. Existují typy „zacvaknutí“, které produkují okamžitou akci typu „zapnuto/vypnuto“ nebo „vypnuto/zapnuto“ na elektrických kontaktech při nastavené teplotě, a pomalejší „creep“ typy, které postupně mění svou polohu se změnou teploty .
Schéma fungování bimetalového termostatu

K ovládání nastavených hodnot teploty pecí se v našich domácnostech běžně používají západkové termostaty, žehličky, ponorné zásobníky teplé vody, a lze je také nalézt na stěnách pro ovládání domácích topných systémů.

Pásové typy se obvykle skládají z bimetalových cívek nebo spirál, které se pomalu rozvíjejí nebo navíjejí, jak se mění teplota. Obecně řečeno, Bimetalové pásy typu crawler jsou citlivější na změny teploty než standardní typy zapínání/vypínání, protože pásy jsou delší a tenčí, Díky tomu jsou ideální pro použití na teploměrech a číselnících, atd.

3. Termistor
Termistory jsou obvykle vyrobeny z keramických materiálů, jako je nikl, oxidy manganu nebo kobaltu plátované ve skle, což je snadno poškodí. Jejich hlavní výhodou oproti mžikovým typům je, jak rychle reagují na jakékoli změny teploty, přesnost a opakovatelnost.

Většina termistorů má záporný teplotní koeficient (NTC), což znamená, že jejich odpor klesá s rostoucí teplotou. Však, existují některé termistory, které mají kladný teplotní koeficient (PTC) a jejich odpor roste s teplotou.

Fyzický obraz termistoru

Termistory jsou dimenzovány na základě jejich odporu při pokojové teplotě (obvykle 25 o C), jejich časová konstanta (doba, za kterou reaguje na změnu teploty), a jejich jmenovitý výkon vzhledem k proudu, který jimi protéká. Jako rezistory, termistory mají hodnoty odporu při pokojové teplotě v rozmezí od 10 megohmů na několik ohmů, ale pro účely snímání se obvykle používají tyto typy měřené v kiloohmech.

4. Příklad snímače teploty č.1
Hodnota odporu následujícího termistoru při 25℃ je 10KΩ, a hodnota odporu při 100℃ je 100Ω. Vypočítejte úbytek napětí na termistoru, když je umístěn v sérii s odporem 1kΩ, abyste vypočítali výstupní napětí (Vout) přes 12V zdroj při obou teplotách.
Příklad schématu teplotního čidla

Změnou pevné hodnoty odporu R2 (1kΩ v našem příkladu) na potenciometr nebo přednastavenou hodnotu, napěťový výstup lze získat při předem stanovené nastavené hodnotě teploty, například 5V výstup při 60°C. A změnou potenciometru pro získání konkrétní úrovně výstupního napětí jej lze získat v širším teplotním rozsahu.

Však, je třeba poznamenat, že termistory jsou nelineární zařízení, a standardní hodnoty odporu různých termistorů při pokojové teplotě jsou různé, hlavně proto, že jsou vyrobeny z polovodičových materiálů. Termistory se mění exponenciálně s teplotou, a proto mají teplotní konstantu Beta (b) které lze použít k výpočtu odporu v jakémkoli daném teplotním bodě.

Však, při použití se sériovými odpory, jako v síti děliče napětí nebo uspořádání typu Wheatstoneův můstek. Proud získaný v odezvě na napětí aplikované na napěťový dělič/můstkovou síť je lineární s teplotou. Výstupní napětí na rezistoru se pak lineárně mění s teplotou.