SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA

V NITRE

TECHNICKÁ FAKULTA1130688

NÁZOV FAKULTYNÁZOV VYSOKEJ ŠKOLY

MERANIE TEPLOTY BIOLOGICKÝCH MATERIÁLOV

2011 Tomáš Valášek

SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA

V NITRE

TECHNICKÁ FAKULTA

MERANIE TEPLOTY BIOLOGICKÝCH MATERIÁLOVBakalárska práca

Študijný program: Manažérstvo kvality produkcie

Študijný odbor: 2386700 Kvalita produkcie

Školiace pracovisko: Katedra fyziky

Školiteľ: RNDr. Jana Fúsková

Nitra 2011 Tomáš Valášek

Čestné vyhlásenie

Podpísaný Tomáš Valášek vyhlasujem, že som záverečnú prácu na tému „Meranie

teploty biologických materiálov“ vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry.

Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak uvedené údaje nie sú pravdivé.

V Nitre 6. mája 2011

Tomáš Valášek

Poďakovanie

Touto cestou by som chcel poďakovať vedúcej mojej práce pani RNDr. Jane

Fúskovej za pomoc, odborné vedenie, cenné rady a pripomienky pri zostavovaní

mojej bakalárskej práce.

Abstrakt

Bakalárska práca sa zaoberá meraním teploty, prináša a systematizuje najnovšie

poznatky z oblasti merania teploty. Práca prezentuje teoretické poznatky o teplote,

teple ,používaných stupniciach a meracích prístrojoch pre meranie teploty čiže o

základných pojmoch z oboru merania teploty. V práci sú zhrnuté poznatky z histórie

a motivácie zavedenia teploty ako fyzikálnej veličiny. Hlavná časť práce popisuje

meracie zariadenia ktoré sa využívajú na meranie teploty. Jednotlivé senzory sú

rozdeľované podľa základných typov senzorov a ešte sú rozdelené z konštrukčného

hľadiska . Popísane sú ich vlastnosti, využiteľnosť v obore merania teplôt. Záverečná

kapitola sa zaoberá meraním teplôt biologických materiálov kde sú popísané metódy

merania a meracie zariadenia vhodné na tieto účely. Tieto poznatky sú dôležité

v všetkých oblastiach technických odboroch.

Kľúčové slová: meranie teploty ,teplota, senzory,

AbstractBachelor's thesis deals with measuring the temperature, bringing the latest and

systematize knowledge of temperature measurement. The work presents theoretical

knowledge of the temperature, heat, used scales and measuring instruments for

temperature measurement that is on basic concepts in the field of temperature

measurement. The paper summarizes the findings from the history and motivation for

the introduction of temperature as a physical quantity. The main part describes

measuring devices that are used to measure temperature. Individual sensors are

distributed according to the basic types of sensors and are still divided in terms of

design. Described their properties, utility in the field of temperature measurement. The

final chapter deals with the measurement of temperatures where biological materials are

described measurement methods and measuring equipment suitable for these purposes.

These findings are important in all areas of technical fields.

Key words: temperature measurement, temperature sensors,

Obsah

1. Obsah...................................................................................................................1

2. Slovník skratiek a značiek.................................................................................3

3. Úvod.....................................................................................................................4

4. História merania teploty....................................................................................5

5. Motivácia zavedenia teploty ako fyzikálnej veličiny..........................................6

6. Základné pojmy z oboru merania teplôt..........................................................7

6.1. Teplota...........................................................................................................8

6.2. Teplo merné stupnice.....................................................................................8

6.3. Medzinárodná teplotná stupnica ITS-90......................................................9

6.4. Senzory teploty...............................................................................................9

6.5. Vlastnosti senzorov teploty..........................................................................10

7. Rozdelenie základných typov teplomerov.......................................................11

7.1. Základné typy teplomerov............................................................................11

7.1.1. Dilatačné.......................................................................................11

7.1.2. Tlakové.........................................................................................12

7.1.3. Odporové......................................................................................12

7.1.4. Termoelektrické............................................................................12

7.1.5. Radiačné........................................................................................12

8. Rozdelenie meracích prístrojov pre meranie tepelných veličín z konštrukčného

hľadiska...............................................................................................................13

8.1. Dilatačné teplomery.....................................................................................13

8.1.1. Tyčové teplomery .........................................................................13

8.1.2. Bimetalické teplomery...................................................................14

8.1.3. Sklenené teplomery........................................................................14

8.1.4. Kvapalinové teplomery..................................................................16

8.1.5. Plynové tlakové teplomery.............................................................17

8.2. Kovové odporové teplomery.........................................................................17

8.2.1. Platinové senzory teploty................................................................19

8.2.2. Niklové senzory teploty..................................................................20

8.2.3. Medené senzory teploty..................................................................20

8.2.4. Konštrukcia odporových kovových snímačov teploty.......................21

8.3. Polovodičové odporové senzory teploty..........................................................22

8.3.1. Termistory.............................................................................23

8.3.2. Negastory .............................................................................24

8.3.3. Pozistory...............................................................................25

8.3.4. Monokryštalické Si senzory...................................................................26

8.4. Monolitické PN senzory teploty.......................................................................27

8.5. Špeciálne dotykové senzory teplôt.......................................................................29

8.5.1. Akustické teplomery.......................................................................29

8.5.2. Kryštálové teplomery.......................................................................30

8.5.3. Šumové teplomery.......................................................................30

8.5.4. Magnetické teplomery.......................................................................31

8.5.5. Optické teplomery.......................................................................31

8.6. Bezdotykové teplomery.............................................................................32

8.6.1. Pyrometre........................................................................................33

8.6.2. Termografia.....................................................................................33

9. Indikátory teploty.....................................................................................34

9.1. Keramické žiaromerky...........................................................................34

9.2. Tavné indikátory teploty.................................................................................35

9.3. Farebné indikátory teploty...............................................................................36

10.Meranie teploty biologických materiálov............................................................37

10.1. Merania vo vnútri telesa................................................................................37

10.2. Meranie povrchové......................................................................................38

10.3. Meranie teploty sena......................................................................................38

11.Záver.....................................................................................................................40

12.Zoznam použitej literatúry..................................................................................41

2.Slovník skratiek a značiek

Veličina Symbol Jednotka

Citlivosť senzoru K -

Dĺžka L Mm

Elektrický odpor R Ω

Elektrický odpor čidla pri 0°C R0 Ω

Elementárny náboj e C

Hmotnosť m kg

Koncentrácia nosiča náboja n -

Konduktivita σ S.m-2

Modul pružnosti E N.m-2

Pomer odporu W -

Prierez vodiča

Účinnosť

St

η

mm2

-

Seebeckov koeficient SA V· K-1

Seebeckov koeficient SB V· K-1

Sila F N

Šumové napätie Us V

Tepelná vodivosť λ W.K-1

Teplota t °C

Teplota prostredia tp °C

Teplotný súčiniteľ odporu α K-1

Termodynamická teplota T K

Termoelektrické napätie Us V

Tlak P MPa

3.Úvod

Teplota je jedna z najdôležitejších termodynamických vlastností, ktoré určujú stav

hmoty a objavuje sa v mnohých fyzikálnych zákonoch .Existuje len veľmi málo

vlastností látok, ktoré by neboli teplotne závislé. Vo svojej podstate je teplota mierov

kinetickej energie pohybu molekúl a atómov ,pričom molekuly do seba navzájom

narážajú a rýchlosť ich pohybov sa stále mení v čase. Pokiaľ na hmotu nepôsobí okolité

prostredie ,priemerná rýchlosť pohybov molekúl je konštantná. Táto priemerná rýchlosť

je závislá na teplote a termodynamická teplota ľubovoľného telesa je priamo úmerná

kinetickej energie molekúl.

Za najnižšiu teplotu sa pokladá absolútna nula (0 K),behom nej všetok pohyb ustáva.

Pre stanovenie teploty sa používajú teplotné závislosti iných fyzikálnych veličín. Volia

sa také fyzikálne javy , u ktorých je možné závislosť veličiny matematicky vyjadriť

teplotnou stupnicou.

Znalosť teploty je nutná vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti. Jednou z prvých

aplikácií teplomerov bol lekársky teplomer (vynájdený v roku 1866).V roku 2003, kedy

svet ohrozovala infekcia SARS, bol na hraničných prechodoch lekársky teplomer

základným diagnostickým prístrojom, ktorý monitoroval počiatočné štádium infekcie. V

poslednej dobe napríklad jazdia expresné vlaky u nich sa monitoruje teplota všetkých

ložísk behom jazdy. Samozrejme nejde opomenúť meranie teploty v potravinárskej ,

chemickej a farmaceutickej výrobe. Potreba presného merania teplôt v metalurgií je

daná predovšetkým vysokými požiadavkami vysokými požiadavkami na kvalitu

odliatkov ,ktoré sa dajú docieliť iba prísnym dodržiavaním technologických postupov ,

u ktorých znalosť teploty a ďalších fyzikálnych a chemických vlastností taveniny hraje

dôležitú rolu.

Každý mariaci prístroj alebo mariaci systém pre meranie ľubovoľnej fyz. veličiny má

stanovený rozsah teploty , v ňom je zaistená medzná hodnota neistoty prístroja alebo je

stanovená zmena parametra danej veličina vyvolaná teplotou. Teplota je jedným so

zdroja neistoty ovplyvňujúcu merania iných veličín

Súčasný trend v teplotných senzoroch spočíva v širšom využití mikroelektronických

technológii ako napr. v implementácií polovodičových čidiel teploty na jediný čip

s analógovými a číslicovými obvodmi umožňujúce pripojenie senzoru k signálovým

zberniciam ,vo vývoji nových typov detektorov tepelného žiarenia , v integrácií

teplotných čidiel do inteligentných (tkz. Smart) senzorov ľubovoľných fyzikálnych

veličín pre automatickú korekciu odchyliek parametrov spôsobených kolísaním

prevádzkových teplôt nevynímajúc.

4.História teplomerov

História teplomerov začína vynálezom italského fyzika, astronóma matematika

a filozofa Galilea Galilei 1592.Jeho málo presný (na atmosférickom tlaku závislí)

teplomer bol založený na roztiažnosti vzduchu.

Po Galileovi experimentovali s podobnými teplomermi Otto

von Guericke a Gaspar Schott. Zdokonalili termoskop tým, že

použili uzavretý systém s dvomi bankami na koncoch

spojovacej trubičky v tvare U, v ktorej bola tekutina.

Ešte v tom istom storočí sa objavujú teplomery, v ktorých

teplotnou látkou je kvapalina. Asi prvý teplomer zostrojil v

roku 1631 francúzsky lekár Jean Rey, ktorý použil ako tepelnú

látku vodu. Nevýhodou tohto teplomeru bola malá rozťažnosť

vody. Preto sa hľadali iné vhodné tekutiny. Ako najvhodnejšie

sa ukázali lieh a ortuť. Prvý liehový teplomer zostrojil v

roku 1641 toskánsky veľkovojvoda Ferdinand II.. V tom čase

síce teplomery už mali stupnice, tie však neboli jednotné, takže

údaje zmerané jednotlivými teplomermi sa nemohli

porovnávať. Prvé teplomery s „normalizovanou“ stupnicou

boli zostrojené až okolo roku 1650.

Roku 1724 prichádza nemecký fyzik Daniel G.Farenheit už

s moderným ortuťovým teplomerom a s prvou teplotnou

stupnicou.Od tej doby sa vývoj teplomerov nezastavil. Roku

1730 navrhuje Francúzky prírodovedec Rene-Antoine ferchaut

de reaumur svoju stupnicu a ďalej v roku 1742 švédsky

astronóm celsius zavádza Celziovu stupnicu a konečne v roku

1848 britský fyzik lord william Thomson Kelvin zaviedol

termodynamickú stupnicu (Niekedy označovanú ako

kelvinová stupnica.Vyvinulo sa niekoľko stupníc a ich stanovení, vývoj dilatačných

teplomerov bol prakticky ukončený a v ďalších rokoch boli modifikované a

vylepšované iba ich modifikácie. Napríklad teplota nad bodom varu ortuťe (356 °C) až

do 1100 °C sa meria ortuťovým teplomerom, u ktorého sa kapilára plní

napríklad dusíkom a teplomer je zhotovený z kremíkového skla. U lekárskych

ortuťových teplomerov (35 až 42 °C) je kapilára na nádobke s ortuťou zúžená, takže sa

v tomto mieste pri poklese teploty ortuťový stĺpec pretrhne a teplomer tak stále ukazuje

maximálnu nameranú teplotu (pred ďalším použitím sa musí „preklepať“).

Motivácia zavedenia teploty ako fyzikálnej veličiny

Teplota ako pojem bola primárne zavedená pre podnet či príčinu určitého

druhu zmyslových pocitov a podráždenia. Tu má pôvod aj jej medzinárodný názov

(latinské slovo "temperatúra" sa dá preložiť ako "príjemný pocit"). Nakoľko potreba

popísať lepšie tieto pocity viedla ku snahám kvantifikácií a meraní teploty ako takej.

Postupom času bolo pozorované, že zvýšenie teploty pôsobí na zmenu rozmerov, tvaru

alebo a predmetov. Tieto javy tak umožňovali pomocou viditeľných prejavov indikovať

veľkosť teploty a začať ju merať.

Najprv sa začalo používať meranie teploty pomocou rozťažností kvapalín. Prvé

záznamy sú už zo staroveku. Hérón Alexandrijský popísal vzduchový termoskop, ktorý

je najstarším doloženým prístrojom k indikácií tepelných stavov. Základ pre moderní a

presné meranie neskôr naskytli závislosť elektrických javov na teplote.

5. Motivácia zavedenia teploty ako fyzikálnej veličiny

Z pozorovania vyplynulo, že vnímanie teplejšieho a chladnejšieho korešponduje so

zmenou objemu látok: s zvýšeným pocitom teplého sa objem zvyšoval. Rozťiažnosť sa

stala merítkom teploty, priebeh sa však líšil podľa použitej teplomernej látky. Bolo však

objavené, že priebehy sú (pri konštantnom tlaku) vzájomne lineárne pre

zriedené plyny – tie sa tak stali najvhodnejšou teplomernou látkou pre presné meranie.

Lineárna závislosť umožnila presnú kvantifikáciu teploty   ako fyzikálnej veličiny a

vznik dobre definovaných teplomerných stupníc, ako je Celziova teplotná stupnice.

Navyše bolo zistené, že pre všetky dostatočne zriedené plyny je vždy smernica

závislosti objemu na Celziovej teplote (pri konštantnom tlaku) rovnaká a rovná

1/(273,15 °C). Tiež rozpínavosť plynov vykazovala rovnaké chovanie vrátane číselné

hodnoty smernice závislosti tlaku plynu na teplote (pri konštantnom objemu). To

umožnilo s veľkými výhodami zaviesť tzv. absolútnu teplotu T=(t/°C+273,15)K  s

stupnicou a začínajúcou hodnotou 0 K (odpovedajúcu nulovému objemu a tlaku

zriedeného plynu).

Absolútna teplota je priamo úmerná objemu ideálneho plynu pri konštantnom tlaku,

resp. tlaku ideálneho plynu pri konštantnom objemu.

6. Základné pojmy z oboru merania teplôt

Realizácia trojného bodu vody, teploty odpovedajúcej rovnovážnej koexistencií tri fázy

vody (ľad, voda, para)

6.1 Teplota

Teplota je stavová veličina určujúca stav termodynamickej rovnováhy tj. stav , kedy

v izolovanej sústave telies od okolného prostredia neprebiehajú žiadne makroskopické

zmeny a fyzikálne veličiny. Stav termodynamickej rovnováhy býva charakterizovaný

termodynamickou teplotou , ktorá musí byť rovnako pre všetky časti izolovanej sústavy.

Fyzikálna veličina teplota sa nesmie zamieňať za fyzikálnu veličinu teplo, lebo teplo je

forma energie súvisejúca s pohybom častíc danej sústavy telies , ale neni stavovou

veličinou, preto že nezávisí na prítomnom stavu sústavy ale na celej minulosti vývoja

tejto sústavy. Teplota je jedna z mála veličín , ktorá sa nedá merať priamo ale iba

prostredníctvom iných fyzikálnych veličín. Meranie teploty je teda meranie nepriame.

6.2 Teplomerné stupnice

Termodynamická teplotná stupnica je definovaná na základe účinností vratného

Cartonovho cyklu. Účinnosť vratných Cartonových cyklov pracujúcich medzi

rovnakými lázňami určitých teplôt je závislá len na týchto teplách a nezávislá na

použitej teplo mernej látky.

Delenie teplotných stupníc:

Termodynamická (Kelvinova)

stupnica je určená dvoma pevnými bodmi a to absolútnou nulou (kde ustáva

termický pohyb elementárnych častí) 0 K a bodom vody (rovnovážny stav medzi

skupenstvami) 273,16 K

základnou jednotkou je Kelvin [K] – 237,16-tá časť termodynamickej teploty

trojného bodu vody

termodynamickou teplotu značíme T

Teplotná (Celziova)

je odvodená od Kelvinovej termodynamickej stupnice posunutím o teplotu

273,15 K

jednotkou je stupeň Celzia [°C] – má rovnakú veľkosť ako 1 K

Celziovu teplotu značíme t

Medzinárodné teplotné stupnice ITS-90 (The International Temperatur Scale of

1990)pôvodná stupnica vznikla v roku 1927

v priebehu obdobia dochádzalo k úpravám a je definovaná 17-timi pevnými

bodmi pri rovnovážnych stavoch vybraných látok (trojné body, body tavenia,)

6.3 Medzinárodná teplotná stupnica ITS-90

Pre praktické merania bola v roku 1927 stanovená tzv. Medzinárodná

praktická teplotná stupnica (International Practical Temperature Scale – IPTS.

Vznikla ako pomôcka pre rýchlu kalibráciu meracích prístrojov, pretože plynová

termometria je síce najpresnejšou, no súčasné časovo a technicky veľmi náročnou

metódou. Tato stupnica sa generálnymi konferenciami pre miery a váhy doplňovala

a upravovala.

Vybrané definične teplotné body ITS-90

TeplotaLátka Stav

T90 [K] t90 [°C]

24,5561 -248,5939 Ne Trojný bod

54,3584 -218,7916 O2 Trojný bod

83,8058 -189,3442 Ar Trojný bod

234,3156 -38,8344 Hg Trojný bod

273,16 0,01 H2O Trojný bod

302,9146 29,7646 Ga Bod tuhnutia

6.4 Senzory teploty

Senzor teploty je funkční prvok tvoriaci vstupný blok mariaceho reťazca tj. blok,

ktorý je v priamom styku s meraným prostredím. Pojem senzorov teploty je

ekvivalentná pojmu snímač teploty (samostatná konštrukčná súčasť teplomerového

zariadenia , ktorá obsahuje teplotné čidlo )ale tiež pojmu čidlo teploty(časť snímača

prevádzajúcu teplotu na inú vhodnú fyzikálnu veličinu).Rovnako tak ako senzor

označuje detektor tepelného zariadenia alebo teplomer (zariadenie k meraniu

teploty).takže v súčasnom katalógu firiem nájdeme pod pojmom senzor teploty väčšinu

teplomerných zariadení .U jednotlivých typov senzorov teploty rešpektovaná stále

platná norma STN 25 8005, názvoslovie s oboru meranie teploty s účinnosťou od

1.8.1989

Podľa fyzikálneho princípu sa senzor teploty delí na odporové termoelektrické,

polovodičové s PN

prechodom,dilatačné,optické,radiačné,chemické,šumová,akustická,magnetická a ďalšie

ako sú napr. kapacitná aerodynamická.

Podľa styku s meraným prostredím sa senzor teploty delí na dotykové a bez dotykové

podľa transformácie signálu sa senzory teploty delia na aktívne ktoré sa pôsobením

teploty chovajú ako zdroj elektrickej energie(termoelektrické články)a na pasívne,

u ktorých je s výnimkou chemických indikátorov teplôt nutné elektrické napájanie pre

transformáciu teploty na inú fyzikálnu veličinu, pretože meranie teploty je vždy

meraním nepriamym.

6.5 Vlastnosti senzorov teploty

Statické vlastnosti senzorov teploty

Statická charakteristika:

Senzorom je daná funkčná závislosť Y=f(X) medzi meranom veličinou X (napr.

teplotou) a transformáciu veličiny Y v časovo ustálenom stave.

Tuto závislosť možno veľmi často popísať polinomóm

Ideálna prakticky nerealizovateľná statická charakteristika je

Kde K je citlivosť senzoru a súčasne konštanta prenosu.

Pre obecnú funkčnú závislosť je citlivosť premennou veličinou definovanou prírastkami

ΔY,ΔX podľa vzťahu

Prah citlivosti senzoru je daný hodnotou meranej veličiny, pri nej je na výstupu senzoru

signál zodpovedajúci strednej kvadratickej odchylke šumu senzoru.

Takže napr. pre napäťový výstupový signál je prah citlivosti senzory teploty dané

smerodajnou odchylkou šumového napätia us vzťahom

Dynamické vlastnosti

Dynamický rozsah senzoru teploty je dané intervalom prístupných hodnôt

snímanej veličiny, ohraničením prahom citlivosti a max. hodnotou meranej veličiny.

Reprodukovateľnosť senzoru je daná odchýlkou nameraných hodnôt pri krátkodobom

nemennom meraní veličiny a nemenných rušivých vplyvoch okolia

Rozlíšiteľnosť senzoru je pomer vierohodnej meranej hodnoty a prahu citlivostí.

7. Rozdelenie základných typov teplomerov

Určovanie teploty telies sa skladá na nepriamych metódach. Podľa

toho ,ktorá vlastnosť snímača sa mení s teplotou , triedime základné typy

teplomerov nasledovne:

Dilatačné

Tlakové

Odporové

Termoelektrické

Radiačné

Dilatačné teplomery

Princípom činnosti merania teploty takýmito teplomermi je meranie objemovej

rozťažnosti kvapalín, tlaku plynov a dĺžkovej rozťažnosti pevných látok po vyrovnaní

teploty snímača s teplotou meraného prostredia. Tieto snímače teploty sú pomerne

lacné, nevyžadujú náročnosť pri obsluhovaní a sú použiteľné najmä v prevádzke.

Tlakové teplomery

Tlakomery senzory  zaznamenávajú meraný tlak prostredníctvom merania sily, ktorej

účinok je v rovnováhe s účinkom zisťovaného (meraného) tlaku. Meranie sily sa môže

vyjadrovať závažím, pružinou alebo stĺpcom kvapaliny. Z prístrojov, ktoré patria

do tejto skupiny, sa najčastejšie používajú piestové, zvonové a prstencové tlakomery.

Odporové teplomery   

Odporové teplomery   využívajú zmenu elektrického odporu vodiča alebo polovodiča v

závislosti od teploty. Elektricky odpor kovov a ich zliatin so stúpajúcou teplotou rastie,

pri polovodičoch, elektrolytoch a uhlíku klesá. Z kovových materiálov sa na výrobu

odporových teplomerov najčastejšie používa platina, niekedy železo, med', nikel,

chróm, striebro, zlato a ich zliatiny. Najkvalitnejším materiálom je čistá

platina. Platinové odporové teplomery sú medzinárodne uznávaným štandardom v

rozsahu teplôt od -183 do +630 °C.

Termoelektrický teplomery 

Termoelektrický teplomer (tiež termočlánok) - Teplomer, v ktorom sa na meranie

teploty využívatermoelektrický jav (elektróny, ktoré sú nositeľmi elektrického prúdu, sa

významne podieľajú na vedení tepla). Zmenou teploty dvoch rôznych kovov sa mení

vzniknuté termoelektrické napätie.

Radiačný teplomer 

Teplomer, určený na meranie vysokých teplôt založených na zákonoch tepelného

žiarenia (Planckov vyžarovací zákon, Wienov zákon, Stefanov-Boltzmanov zákon).

Meria žiarenie telies do okolia (na rovnakom princípe pracujú aj svetelné infračervené

senzory alebo navádzacie strely).

8. Rozdelenie meracích prístrojov pre meranie tepelných

veličín z konštrukčného hľadiska

Rozdelenie dilatačných teplomerov

Podľa konštrukcie sa dilatačné teplomery delia na:

Tyčové

Bimetalické

Sklenené

Kvapalinové

Plynové

8.1Dilatačné teplomery

8.1.1 Tyčove teplomery

Tyčové teplomery sú založené na tepelno dĺžkovej rozťažnosti dvoch konštrukčných

dielov z pevných látok, ktoré sú spolu spojené v jednom mieste. Čidlo tyčového

teplomeru je najčastejšie tvorené trubicou dĺžky L z kovu s veľkým teplotným

súčiniteľom dĺžkovej roztiažnosti α1 , vo vnútri ktorej je tyč z materiálu s malým

teplotným súčiniteľom diaľkovej roztiažnosti α2(napr.kremík,uhlík).Pre rozdielové

predĺženie ΔL pri oteplení o Δt platí vzťah:

Tyčové teplomery sa používajú hlavne v termostatoch ako snímače dvojpolohových

regulátorov teploty. Výhodou je možný tepelný rozsah až do 1000°C.Nevýhodou je

neistota merania z rozsahu do ±2%, výhodou je pomerne krátka časová odozva.

8.1.2 Bimetalické teplomery

Bimetalické teplomery sú založené na rozdielnej tepelnej roztiažnosti alebo na

rozdielu Δα= α1 - α2 hodnôt tepelných súčiniteľov dĺžkovej roztiažnosti dvoch

kovových materiálov. Tieto materiáli sú usporiadané v tvare pásikov , ktoré sú

navzájom pozdĺžne zvarené. Čím bude väčší rozdiel v uvedených koeficientoch ,tým

bude väčšia citlivosť teplomeru. Materiáli (Al,Cu,Cr,Au,Fe,Ni,Sn,Ti,W,) používané pre

výrobu bimetalických čidiel majú teplotný súčiniteľ dĺžkovej roztiažnosti v rozmedzí

(1,7-2,4).10-6K-1.Aj keď je voľba dvoch materiálov s čím najväčším rozdielom Δα

dôležitá, je nutné tiež prihliadnuť k požadovanému prevádzkovému rozsahu teplôt,

tepelnej a elektrickej vodivosti a mernej tepelnej kapacite materiálov. Pre pásik s čo

najmenšou hodnotou koeficientu α2 je obvykle použitá zliatina Invar(64% Fe,36% Ni).

Využitie bimetalických snímačov v tepelnom rozsahu od -100°C do 500°C je jednak

vo funkcií (akčných členov) v dvojpolohových regulátorov teploty, bimetalických

poistok, rôznych teplotných kompenzácií a jednak ako snímačov v teplomeroch. Časová

odozva bimetalických teplomerov je dlhšia ako u tyčových teplomerov. Neistota

merania v rozsahu je od ±1 % do ±5%.

8.1.3 Sklenené teplomery

Sklenený teplomer je dilatačný teplomer založený na teplotnej objemovej

roztiažnosti kvapaliny v skle. Teplotná závislosť objemu kvapaliny na teplote neni

presne lineárna, ale pre malú odchýlku od lineárnej závislosti sa bežne uvádza vzťah:

V=V0(1+βt),

kde β(K-1) je súčiniteľom teplotnej objemovej roztiažnosti.

Konštrukcia skleneného teplomeru a.)tyčinkový teplomerb.)obalový teplomer

Sklenený teplomer sa skladá z teplomerovej banky, meracej kapiláre , obalovej

trubice a stupnicovej doštičky .Niektoré sklenené teplomery majú z dôvodu ochrany

pred zničením pri prehriatiu rozšírenú kapiláru (tkz. Expanzní banku) nad najvyššou

značkou. Teplota sa stanovuje z výšky hladiny(menisku) kvapaliny v mariacej kapiláre.

Teplotný rozsah sklenených teplomerov je od -190°C do 600°C, neistota merania

u laboratórnych teplomerov dosahuje hodnotu ±0,1°C a rozlíšiteľnosť až 0,001°C. Ako

teplotná kvapalina sa používa ortuť vo vákuovanej kapiláre alebo pre vyššie teploty

v kapiláre s tlakovým dusíkom.

Kvapalin

a Rozsah(°C)

Zdanlivý teplotný súčiniteľ objemové

roztiažnosti βr(K-1)

Plnenie

kapiláry

Ortuť Od -38 do 350 1,6.10-4 Vákuum

Ortuť Do 600 1,6.10-4 Tlakový dusík

Toluol Od -80 do +30 1,03.10-3 Vákuum

Pentan

Od -200 do

+30 1,145.10-3 Vákuum

Etanol Od -80 do +60 1,104.10-3 Vákuum

Tab.1 Pracovný rozsah sklenených teplomerov

8.1.4 Kvapalinové tlakové teplomery

Princíp kvapalinového tlakového teplomeru je rovnaký ako u sklenených

teplomeroch ale meranie objemovej roztiažnosti sa mení na meranie tlaku. Kvapalinový

tlakový teplomer má teplomerový systém z cela naplnený kvapalinou. Najčastejšou

náplňou je ortuť ďalej xylén (-40°C až 400°C),metylalkohol(-45°C až +150°C)a iné

organické kvapaliny. teplomer sa skladá z teplomerovej nádoby, spojovacej kapiláry

a tlakomerného systému. Chybu, vznikajúcou nedefinovanou teplotou spojovacej

kapiláry možno odstrániť kompenzáciou druhej zaslepenej kapiláry bez teplo mernej

nádobky podľa obrázku 7.7 alebo u krátkej spojovacej kapiláry bimetalovým akčným

členom medzi tlakomerným systémom (obvykle bourdonova trubica oválneho profilu

stočená do kruhovej špirály)a ručičkou. Stupnica kvapalinových teplomerov obvykle

platí pri rovnakej výške teplomernej nádobky a tlakomerného systému. Nepresnosť

spôsobená rozdielom výšok možno odstrániť kompenzačnou kapilárou. Neistota

merania v rozsahu kvapalinových tlakových teplomerov je do ±1%.

Konpenzový kvapalinový tlakový teplomer a.)prevedenie s dlhou spojovacou kapilárou

b.)prevedenie do objímky 1.teplomerová nádobka,2.spojovacia kapilára,3.zaslepená

kapilára,4a5.deformačné tlakomery,6.ručička

8.1.5 Plynové tlakové teplomery

Plynový teplomer má teplomerný systém naplnený plynom obvykle

je to dusík alebo inertný plyn (hélium) pod tlakom (do 2,5 Mpa).Princíp

je rovnaký ako u ostatných tlakových teplomerov. zo stavovej rovnice

vyplýva pri konštantnom objeme teplomerného systému lineárny vzťah

P=(Pp/Tp).T=kT ,

kde Pp,Tp sú počiatočné hodnoty pri plnení systému. Rovnako ako

u kvapalinových tlakových teplomerov je nutná korekcia na teplotu

okolného prostredia. Táto korekcia sa realizuje bimetalovým akčným

členom vloženým do pákového mechanizmu medzi Bourdonovou trubicou a ručičkou

prístroja.

Výhodou plynových teplomerov je netoxická teplomerová látka, čo je podstatná

vlastnosť pre meranie teploty v potravinárstve, vo výrobe liečiv, v chemickom

priemysle. Maximálny rozsah teplôt sú u týchto teplomerov od -250°C do 800°C.

Spojovacia kapilára môže byť až 100m.Neistota merania z rozsahu u plynových

teplomerov je do ±1%.

8.2 Kovové odporové senzory teploty

Princípom odporových kovových čidiel teploty je teplotná závislosť odporu kovu.

Kov ako súbor kladných iontov umiestnených v mriežkových bodoch kryštálovej

mriežky a tkz. elektrónového plynu tvoreného súborom chaoticky sa pohybujúcich

elektrónov. Atómy kryštálovej mriežky kovu s rastúcou teplotou zvyšujú amplitúdu

svojich kmitov a kladú tak väčší odpor priechodu elektrónov. To je zjednodušená

predstava závislosti odporu kovov na teplote, ktorá je princípom týchto senzorov.

Závislosť je možné v rozsahu teplôt 0 °C až 100 °C vyjadriť približným vzťahom:

R=R0(1+aJ),

kde a [K-1] je teplotní súčiniteľ odporu a R0 odpor pri teplote 0 °C.

Odporový snímač TSO10 BJ pre diaľkové meranie teploty

Pre kovové senzory teploty sa väčšinou využíva platina pre jej chemickou

nedotknuteľnosť, časovú stálosť, vysokou teplotu tavenia a taktiež pre možnosť

dosiahnutia vysokej čistoty (pohybuje sa v rozmedzí 99,9 až 99,999%). Okrem platiny

sa môžete stretnúť tiež s niklom, meďou, molybdénom nebo niektorými zliatinami.

Materiál α.102(K-1) Teplotný rozsah Pomer odporu W100

Platiny 0,385 až 0,391 -20 až 850 1,3850

Nikel 0,617 až 0,675 -70 až 150 1,6180

Meď 0,426 až 0,433 -100 až 200 1,4462

Ni-Fe 0,518 až 0,527 -50 až 150 1,4260

Teplotná závislosť odporových kovových snímačov

8.2.1 Platinové senzory teploty

Platina sa vyznačuje chemickou nevšímavosťou , časovou stálosťou a vysokou

teplotou tavenia. Platinové teplomery sa vyrábajú drôtovou, tenkovrstvou alebo hrubo

vrstvou technológiou. V prvom prípade je drôtový merací odpor tvorený špirálovite

stočeným tenkým drôtikom zataveným do keramiky alebo skla. Najlepšej stability je

možno pre meteorologické účely docieliť voľným uložením platinové cievky v zmesi

hélia a kyslíku, pretože vďaka rôznej teplotnej dĺžkovej rozťažnosti platiny a izolačného

materiálu, ktoré sa dotýkajú, vzniká systematická chyba, ktorá má charakter hysterézie.

Pre metrologické účely sú nároky na čistotu platiny vyššia. Odpory vyrobené

tenkovrstvou technológiou, pri nej sa platinový odpor vytvorí na ploché korundové

doštičke technikou naparovania a iontového leptania majú rýchlejšiu odozvu než odpory

drôtové, majú obvykle vyšší odpor a sú lacnejšie. Drôtové odpory sú však časovo

stálejšie. Čistota platiny pre prevádzkové teplomery sa posudzuje podľa tzv.

redukovaného odporu W100 °C, ktorý je daný pomerom odporov senzoru pri 100 °C a

0 °C:

 

U prevádzkových teplomerov je dôležitá zameniteľnosť umožňujúca merať s chybami

v určitých dohodnutých medziach. Z tohto dôvodu sú normami určené základné hodnoty

odporov vrátene odchýlok. Podľa IEC ( International Electrotechnical Commission ) sa platinové

meracie odpory (W100 =1,385) delia do dvoch tolerančných tried:

Trieda A : Rozsah teplôt: -200 ° C až 650 ° C, tolerancia ( ° C): ± (0,15 + 0,002 · | t |),

Trieda B : Rozsah teplôt: -200 ° C až 850 ° C, tolerancia ( ° C): ± (0,3 + 0,005 · | t |),

Meracími (vyhodnocovacími) obvody odporových teplomerov sú najčastejšie

nevyvážené alebo automaticky vyvažované Wheatstoneove mostíky.Okrem vyššie

uvedených teplotných rozsahov sa vyrábajú tiež vysokoteplotné senzory do teploty

1100 °C. Odporové senzory teploty sa vyrábajú buď s dvoma alebo štyrmi vývody. U

dvojvodičového prevedenia sa pričíta odpor vývodov k odporu vlastného senzoru a

vzniká tak istá premenná chyba. Dlhodobá stabilita je u Pt snímačoch okolo 0,05% /

1000h.

8.2.2 Niklové senzory teploty

Niklové senzory sa obvykle vyrábajú tenkovrstvou technológiou. Ich výhodou je

vysoká citlivosť, rýchla časová odozva a malé rozmery. V zrovnaní s platinovými

senzory trpí značnou nelinearitou, majú obmedzenejší teplotný rozsah (používajú sa pre

teploty -60 °C až 180 °C) a menší dlhodobou stálosť. Podobne ako platinové čidlá sa

okrem základnej hodnoty odporu R100=100Ω vyrábajú snímače s základnými hodnotami

odporu 200,500,1000 a 2000 Ω. Používajú sa čidla napr. s W100 = 1,6170, ale

pravdepodobne najpoužívanejší sú čidla s

W100 = 1,6180 a R0 = 100 Ω podľa normy DIN 43760.

Tolerancia Ni mieriaceho odporu

8.2.3 Medené senzory teploty

Tieto senzory je možné použiť pre meranie teplôt od -200 °C do 200 °C. Pre

závislosť odporu medeného čidla na teplote sa dá v rozsahu teplôt od -50°C do 150°C

použiť lineárny vzťah kde α=4,26.10-3K-1.

Bežne sa príliš nepoužívajú vzhľadom k malej rezistivite a ľahkej oxidácii medi.

Môžete sa s nimi stretnúť vo forme vinutých čidiel s W100 =1,4260 a menovitou

hodnotou odporu 50 nebo 100W . Výhodnou aplikácií medi je napr. priame meranie

teploty medeného vinutia elektromotoru prostredníctvom merania odporu

vinutia(samozrejme pri vypnutom napájania motora).

Materiál

čidla

Základný

odpor

R0 [Ω]

Pomer

odporov

W100

Merací

rozsah

[°C]

Teplotný súčiniteľ

odporu

Ω ·10-3 [K-1]

Pt 100 1,3850 -200 až 850 3,85 až 3,93

Ni 100 1,6180 -60 až 180

(250) 6,17 až 6,70

Cu 100 1,4260 -200 až 200 4,26 až 4,33

8.2.4 Konštrtrukcia odporových snímačov teploty

Čidlo odporového kovového snímača teploty , ktoré sa označuje podľa názvoslovia

s oboru meranie teplôt STN 25 805 ako mariaci odpor, tvorí základnú konštrukčnú časť

odporového snímača teploty. Mariaci odpor sa vyrába:

Drôtovou technológiou

Tenko vrstvovou technológiou

Hrubo vrstvovou technológiu

a.)drátovy platinový mariaci odpor v keramike a v skle.)platinový mariaci odpor.)štandardný mariaci

odpor

Drôtový mariaci odpor je tvorený stočením platinovým drôtom (priemer od 0,007mm

do 0,05mm) fixovaným do keramiky(vo valcových kapilárach keramických teliesok)

alebo je bifilárne zavinutý na keramickom či sklenenom teliesku a zatavené do skla.

Mariaci odpor je obvykle uložený v ochrannom alebo kovovej trubici (v niektorých

konštrukciách je označovaná ako stonka).Okrem špirálového usporiadania drôtu sa pre

rozsah do 150°C vyrábajú snímače s platinovým drôtom navinutým na perdinaxovej

alebo slídovej podložke alebo tenko vrstvovou technológiou , tj. technikov naparovania

a iónovým leptaním na podložke Al2O3(korundovaná keramika).Menovitý odpor sa

u naparovaných čidiel presne nastavuje nízko výkonným laserom. Teplotná dĺžková

rozťiažnosť platiny(9.10-6K-1)sa líši od teplotnej roztiažnosti uvedených izolačných

materiálov a pretože sa platinový drôtik alebo film dotýkajú izolátoru, dochádzok

systematickej odchýlke spôsobenej relatívnymi dĺžkovými zmenami oboch materiálov.

Takto vzniká neistota merania .Má charakter neistoty histerézou a u priemyslových

meracích otvorov dosahuje pri teplotách nad 400°C hodnoty až ±0,25°C.Pre

metrologické účely najlepšej stability(min. neistoty hodnoty odporu)docieli voľným

uložením platinovej cievky vo vzduchu alebo v zmesi hélia a kyslíku. Priamy styk

atmosféry spôsobuje vplyvom vodíka a kysličníka uhlíka nárast neistoty merania.

8.3 Polovodičové odporové senzory teploty

Termistory patria medzi najpoužívanejšie sensory teploty v elektronike

U polovodičových senzorov teploty sa podobne ako u kovových využíva teplotná

závislosť odporu na teplote. Na rozdiel od kovov je ale princíp vodivosti polovodičov

odlišný, a preto sú iné i vlastnosti týchto senzorov. Vedenie prúdu v kovoch zaisťujú

valenčné elektróny, ktoré sú k jadru viazané veľmi slabo a vytvárajú tzv. elektronový

plyn. S rastúcou teplotou sa zvyšuje amplitúda kmitov jednotlivých atómov, ktoré tak

obmedzujú elektrónom priechod a zvyšujú elektrický odpor materiálu. U polovodičov je

tomu však inak. Pri teplote absolútnej nuly sú všetky elektróny pevne viazané k svojím

jadrám a materiál nemôže viesť prúd. Elektrónom je treba dodať určitú energiu k tomu,

aby „preskočily“ cez tzv. zakázaný pás do pásu vodivostného a mohli sa účastniť

vedenia prúdu. Touto energiou môže byť napr. energia elektromagnetického poľa alebo

energia tepelná. S rastúcou teplotou teda bude koncentrácia nosičov náboja rásť a

elektrický odpor materiálu sa bude znižovať. Zatiaľ čo sa tento jav snažíme u klasických

polovodičových súčiastok potlačiť, u termistorov sa ho naopak snažíme vhodnou

technológiou a zložením zvýrazniť.

Koncentrácia nosičov náboja je závislá na teplote podľa približného vzťahu:

k je Boltzmannova konštanta (k=1,38·1023 J/K).

8.3.1 Termistory

Termistor (z anglického popisu thermaly sensitive rezistor) je teplotne závislí odpor

zhotovený z polovodičových fotoelektrických keramických materiálov. Keramická

technológia umožňuje výrobu termistorov v tvaru disku, doštičky kvapky, valčeku.

Výhodami termistora je veľká teplotná citlivosť, malé rozmery jednoduchý prevod

odporu na elektrické napätie alebo prúd a možnosť priameho merania odporu termistoru

na väčšiu vzdialenosť. Nevýhodou je nelineárna charakterisktika.Termistor sa podľa

štruktúry delí na amoformný a polykryštalický.V závislosti na materiálu má termistor

buď veľký záporný teplotný súčiniteľ odporu,tvz.negastor alebo NTC termistor

(Negative temperature Coefficient) alebo veľký kladný teplotný súčiniteľ odporu tvz.

Pozistory alebo PTC termistor(Pozitive temperature Coefficient).Teplotná závislosť

odporu negastora a pozistora v porovnaní s teplotnou závislosťou kovových odporových

senzorov (Pt,Ni).

Tvary miniatúrnych termistorov

8.3.2 Termistory NTC (Negastory)

Už podľa názvu majú termistory NTC ( Negative Temperature Coefficient ) záporný

teplotný súčiniteľ odporu, čo odpovedá vyššie zmienenému javu. NTC termistory

vykazujú značne nelineárnu závislosť odporu na teplote a majú záporný teplotný

koeficient. Jedná sa o prvky s všestranným použitím nachádzajúce uplatnenie v rade

aplikácií. Výhodou je možné okrem R-T charakteristiky využiť tiež V-A charakteristiku

termistorov. V takom prípade sa využíva vlastného ohrevu termistoru, a to obvykle

v aplikáciách, kde sa menia podmienky vonkajšieho prostredia alebo elektrické

parametre obvodu. Vďaka značne nelineárnej charakteristike je možné NTC termistory

využiť tiež pre generovanie definovaného časového oneskorenia.

S rastúcou teplotou sa zvyšuje koncentrácia nosičov náboja a elektrický odpor klesá.

Polykryštalické NTC termistory sa vyrábajú práškovou technológiou spekaním oxidov

Fe2O3, TiO2, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO apod. Okrem termistorov pre bežné teplotné

rozsahy -50 °C až 150 °C sa vyrábajú i špeciálne termistory pre nízke (od cca 4 K) a

vysoké teploty (zhruba do 1000 °C). 

NTC termistory sa dobre uplatňujú v menej náročných aplikáciách, pre bodové

merania a pre merania malých alebo rýchlych zmien teploty. Sú ľahko dostupné a

obvykle majú i priaznivý cenu (termistory NTC so základnou presnosťou stoja okolo 20

Sk). K dostaniu sú taktiež termistory s vysokou presnosťou, širokým rozsahom teplôt a

dobrou dlhodobou stabilitou. 

8.3.3 Pozistory PTC termistory

PTC termistory majú značne nelineárnu charakteristiku s prevažne kladným

teplotným koeficientom. Ich použitie je obecne obmedzenejšie než u NTC termistorov,

k meraniu teploty sa prakticky nepoužívajú. Nachádzajú uplatnenie najmú ako

dvojstavové detektory alebo sa využíva ich V-A charakteristiky spolu s vlastným

ohrevom napr. pre meranie prúdenia nebo prietoku.

Ich odpor s rastúcou teplotou najprv mierne klesá a po prekročení Curieovej teploty

strmo rastie. Po náraste zhruba o tri rady hodnota odporu opäť mierne klesá (s touto

časťou charakteristiky sa však už obvykle nepracuje). V grafe je naznačené niekoľko

dôležitých údajov – odpor termistoru R0 pri teplote 25 °C, minimálny odpor Rmin, teplota

prechodu TTR a teplotný koeficient . Ten sa mení od záporných po kladné hodnoty a

svojho kladného maxima dosahuje niekoľko málo stupňov za bodom zlomu (TTR).

Teplota prechodu TTR úzko súvisí s Curieovou teplotou, ktorú je však ťažké presne

stanoviť. Preto býva obvykle definovaná ako teplota, pri ktorej je odpor termistoru

v určitom pomere k minimálnej hodnote odporu Rmin nebo k R0. Napríklad na

nasledujúcom obrázku je definovaná ako teplota pri ktorej je R=2Rmin.

Porovnanie teplotných závislostí termistorov NTC a PTC s kovovými odporovými

senzormi

8.3.4 Monokryštalické Si senzory

Pre výrobu kremíkových senzorov sa používa nevlastný polovodič typu N, teda s dominantnou

elektrónovou vodivosťou. Pohyblivosť voľných nosičov nábojov v kryštálovej mriežke kremíka

závisí na teplote a na počtu prímesí v jednotke objemu. S rastúcou teplotou dochádza vplyvom

rozptylu nosičov náboja na mriežke polovodiče ku zmenšovaniu pohyblivosti týchto

nosičov, v dôsledku čoho narastá rezistivita, podobne ako je tomu u kovov.

Monokryštalické Si senzory teploty teda majú kladný teplotný súčiniteľ odporu

podobne ako PTC termistory, princíp ich vodivosti je však odlišný. Kremíkové senzory

sa obvykle používajú pre rozsah teplôt –50 až 150 °C.

Monokryštalické Si senzory sú vďaka dlhodobé stabilite a nepríliš veľkej nelinearite

vhodné k meraniu bežných teplôt ako náhrada drahších platinových senzorov.

Vzhľadom k vlastnostiam kremíka je možné tieto senzory obvykle použiť pre meranie

teplôt maximálne do 125 až 175 °C (výnimočne vyšších – napr. KTY84 je možné

použiť až do 300 °C).

Monokryštalické kremíkové senzory sú bežne k dostaniu, a to za prijateľnú cenu, ktorá

sa pohybuje okolo jedného eura. V rade aplikácii môžu vďaka svojím vlastnostiam

nahradiť platinové čidla, je však nutné počítať s linearizačnými obvodmi. Typickými

predstavitelia kremíkových monokryštalických senzorov sú čidla rád KT a KTY.

8.4 MONOLITICKÉ PN SENZORY TEPLOTY

Integrované monolitické senzory teploty sú najčastejšie založené na teplotnej

závislosti napätia PN prechodu v priepustnom smere. Tieto senzory používame

v rozsahu -55 °C až +150 °C a neistotu merania z rozsahu 0,6% až 2%.

Usporiadanie monokryštalického Si senzoru ,puzdro TO-92

Monolitické PN senzory delíme na:

Diódové senzory

Tranzistorové PN senzory sú založené na obdobnom princípu ako PN-diody, tj.

využíva sa teplotná závislosť napätia prechodu báze-emitor v priepustnom

smere.

Monolitické integrované PN senzory teploty

U integrovaných senzorov teploty tvorí vlastný senzor teploty a elektronický

obvod jediný monolitický prvok. Najčastejšie sú založené na dvojicu

bipolárnych tranzistorov napájaných zo zdroja prúdu. Výhodou tohto

diferenčného usporiadania je potlačenie vplyvu teplotnej závislosti prúdu Is

a chyby spôsobené oteplením polovodiča stratovým výkonom.

Teplotná závislosť charakteristiky PN prechodu diódy pre rôzne teploty.

Monolitický senzor teploty LM35

8.5Špeciálne dotykové senzory teploty

8.5.1 Akustické teplomery

Akustické teplomery sú založené na teplotnej závislosti rychlosti šírenia zvuku

v plynovom alebo pevnom prostedí .Akustický teplomer s polodokonalími plynu

používaný v metrológií teplôt.Pre polodokonalé plynu (helium,vodík,dusík) je nutno

použiť vzťah odvodený z Van der Waalsovej rovnice

Z hľadiska vyhodnocovania rýchlosti šírenia zvuku je možné použíť roznych metód:

Rezonančná metóda s späťnovazobných oscilátorom ktorý yuživa teplotne

závislé rychlosti šírenia zvuku v plynovom prostredí.

Pulsná metóda využíva teplotnú závislosť rýchlosti šírenia zvuku v pevnom

prostredí a je založená na vyhodnocovaní doby priechodu akustického pulzu

prechádzajúci tyčou od vysielacieho akustického meniču k prímaciemu meniču

alebo od diskontinuity do konca senzoru.

Akustické teplomery sa používaju ako pre velmi nízke (od 2K do 20 K)tak aj pre

vysoké teploty. Usporiadanie pulsného akustického teplomeru je založené na meriacej

tyčke(hliník, oceľ , safír , molybdén ,wolfrám)od priemeru 0,03 mm do 3mm dĺžky

1,3cm do 3m.Teplotný rozsah podľa použitého materiálu je od 750°C do 3000°C pri

neistote merania ±20°C.

8.5.2. Kryštálové teplomery

Pre meranie teploty možno využiť teplotné závislosti rezonannčního kmitočtu

kremíkového výbrusu. Ak je napríklad pre rozsah od -80°C do 250°C teplotný súčiniteľ

frekvencie oscilátoru α=35,4 . 10-6K-1 a referenčný súčiniteľ fR=28,2 MHz, bude

citlivosť teplomeru 1 kHz/K. Je možné teda docieliť rozlišovaciu schopnosť 10-4 °C, čo

odpovedá krátkodobej frekvenčnej stabilite kryštalov.Neistota merania zpôsobená

nelinearitou je ±0,05 °C.

8.5.3 Šumové teplomery

Na vývodoch každého rezistoru je v dôsledku teplotne závislého veľného pohybu

elektronov v vodivostnom pásmu merateľné elektrické napätí , ktoré má stochastický

charakter. Toto napätie sa označuje ako Johnsonov alebo Nyquistov tepelný

šum.Energia tohto šumu je rovnomerne rozložená po celom frekvenčnom pásme pretože

odpovedá špecifikácií bieleho šumu.Tepelný šum je daný spektrálnou výkonnovou

hustotou ktorý obecen platí aj pre polovodiče.

Výhodou šumového teplomeru je nezávislosť na prostredí vrátane ionizačného žiarenia ,

vysoko agresivnej atmosféry, toku neutrónu a vysokej teploty(nad 1000°C). Akékoľvek

vplyvy ktoré spôsobujú zmenu odporu a dajú buď vylúčiť presným zmeraním odporu

alebo pomerovým vyhodnocovaním.Podstatnou nevýhodou šumových teplomerov je

veľmi malé výstupné napätia. Ak bude odpor R=100Ω, Δf=100kHz a teplota

300K,potom uef=4 .10-7 V.Z tohto prikladu vyplívaju nároky na elektronické

spracovanie signálu.

Šumové teplomery možno využiť v rozsahu od 3K do 1000K s neistotou merania ±(0,3

– 100)mK.

8.5.4 Magnetické teplomery

Magnetické teplomery sú založené na teplotnej závislosti magnetickej susceptibility

paramagnetických solí (napr. dusičnan horečnaný, síran amónny, manganatý ai.).Platí

Curie –Weissuv zákon

Najjednoduchší spôsob vyhodnocovania permeability je zmeranie indukčnosti

vzduchovej cievky najprv bez čidla a potom s vloženým čidlom. Ak je indukčnosť bez

čidla L0 a s čidlom L,potom pomerná permaebilita čidla je daná vzťahom

Kde p je geometrický súčiniteľ daný tvarom cievky. Z rovnice vyplýva lineárna funkcie

teploty y (T)

Magnetické teplomery sú vhodné pre meranie veľmi nizkých teplôt od 10mK do 20K až

80 K.

8.5.5 Optické teplomery

Optické vláknové senzory (ďalej OVS) vznikli využitím nežiaducich vplyvov

okolného prostredia na parametry optických káblov. Základ OVS teploty je v využitie

vplyvu teploty na vlastnosti optických vlákien. Meraná teplota moduluje optický signál,

ktorý je vysielaný do optického vlákna zdrojom žiarenia (polovodičové

elektroluminisečními diódy LED alebo polovodičový laser) a detekovaním

polovodičovou diódou typu PN, PIN alebo lavínového typu.

Optické vlákno používane pre OVS sa skladá z valcového jadra s indexom lomu nj

a obalu s indexom lomu np. Paprsok prechádza jadrom vtedy ,pokiaľ dochádza na

rozhrania jadra a plášťa k totálnemu odrazu, tj. pokiaľ index lomu jadra je aspoň o 1%

väčšia ako index lomu plášťa. Je nutné splniť podmienku :

Optické teplomery rozdeľujeme na senzory s moduláciou:

Amplitúdovou je založená na zmene útlmu optickej vlny alebo na premenenej

odrazivosti vplyvom zmeny indexu lomu vo vlákne.

Fázovou , ktorá je založená na zmene fázy optickej vlny postupujúcou snímacou

častou optického vlákna

Polarizačnou ,je založená na teplotnej závislosti stočenia roviny polarizace

svetla

Spektrálnou (rozložením vlnovej dĺžky) ktoré sú založené na zmene vlnovej

dĺžky svetla ,spektrálneho rozdelenia vlnových dĺžok , svetla alebo farby svetla

vo vlákne.

Vlastnou u nich teplota pôsobí na prenosové vlastnosti vlákien

Nevlastnou u ktorých optické vlákno slúži len k prenosu svetla a modulácii

svetla vplyvom teploty

Dĺžková rozťiažnosť OVS teploty je od 1m do 8m podľa dĺžky vlnovou až do

30km.Teplotný rozsah je od -190°C do 460°C pri teplotnom rozlíšení od ±0,5 do ±3

°C podľa doby integrácie merania signálu až do 10min.

8.6 Bezdotykové merania

pyrometrom

termografom

Nepriame metódy stanovíme hodnotou meranej fyzikálnej veličiny (v našom

prípade teploty) na základe určitého fyzikálneho vzťahu medzi hodnotami iných

fyzikálnych veličín (zmeraných obvykle inou metódou).

8.6.1 Pyrometre

Z celého spektra vysielaného žiariacim telesom sa monochromatickým filtrom

vyčlení úzky podiel určitej vlnovej dĺžky. Intenzita prepusteného žiarenia sa porovnáva

s jasom vlákna žiarovky napájanej pomocným jednosmerným zdrojom. V momente,

keď vlákno žiarovky zanikne v žiariacom pozadí, odčíta sa žeraviaci prúd

miliampérmetrom, teplota sa zisti z kalibračného grafu. Pristroj tzv. Morseovho typu je

využiteľný pre rozsah teplôt od 700°C do 2500 °C.

Pásmový pyrometer

8.6.2 Termografia

Systémy pre bezdotykové meranie a plošné zobrazenie teplotných polí možno

rozdeliť na systémy bez rozkladu a s rozkladom obrazu. Systémy založené na priamej

konverzií žiarivého toku na obraz sú vákuové fotodiódy ,u ktorých sa teplotný obraz

vytvorí optikou na fotokatóde. Ožiarením fotokatódy spôsobí fotoemisiu elektrónov ,

ktorých tok je zosilnený fotonásobičom a ďalej pomocou elektrického poľa

usmerneného na luminiscenčné tienidlo kde sa vytvorí odpovedajúci viditeľný obraz.

Mikrokanálový zosilňovač obrazu

9. Indikátory teploty

Indikátory teploty slúžia k približnému stanoveniu teplôt telies. Teplota je stanovená

na základe znalosti kritickej teploty tj. teploty pri ktorej nastáva definovaná zmena

vzhľadu indikátoru. Touto zmenou môže byť buď tvar alebo farba indikátoru. Neistota

merania teploty indikátorov je závislá na skutočnosti ,nakoľko sa líši prostredie pre

kalibráciu indikátorov od meraného prostredia. Vplyv na teploty odchýlky má nielen

zloženie atmosféry ale aj tlak. Vplyv chemického vplyvu prostredia sa u niektorých

typov indikátorov rieši uzavretím do priehľadnej fólie. Dôležitým parametrom pre

používanie indikátorov teplôt je rýchlosť ohrevu. Farebné indikátory sa ďalej členia na

vratné a nevratné a s jedným alebo s viac farebnými zmenami.

9.1 Keramické žiaromerky

Keramické žiaromerky sú nevratné indikátory a vyrábajú sa z kysličníkov

SiO2,Al2O3 s prímesami ďalších kysličníkov (MgO,K2O,Na2O,CaO,B2O3,PbO) .

Teplotný rozsah týchto žiaromerov je od 600°C do 2000°C s odstupňovaním po

10°C až po 50°C.Neistotota merania teploty je do ±15°C.Okrem trojbokých

ihlanov sa zmena tvaru prejavuje zmenou priemeru(vonkajší priemer 63mm ,

vnútorný priemer 22mm a hrúbka 8mm)a v tvaru tyčiniek s štvorcovým profilom

(590°C až 1525°C).

Typickou aplikáciou použitia žiaromeriek je keramický priemysel a výroby

umeleckej keramiky.

9.2 Tavné indikátory teploty

Ďalej uvedené tavné indikátory merajú teplotu s neistotou ±1% z hodnoty kritické

teploty.

Teplomerové tabletky sú nevratné indikátory. Vyrábajú sa lisovaním

keramických práškov v dvoch velikosťiach:ø7/16 ̋ x 1/8 ̋ a ø1/8 ̋ x 1/8 ̋. Po

dosiahnutí kritickej teploty sa tableta roztaví. Teplotný rozsah tabliet je od 40°C

do 1650°C.

Teplomerové kvapaliny sú nevratné indikátory z keramického prášku

rozpusteného v tekutej kvapaline. Nanášajú sa štetcom alebo sprejom. Po

dosiahnutí kritickej taviacej teploty sa značka nanesené kvapaliny zriedi

a roztečie. Teplomerové kvapaliny sa vyrábajú v rozsahu od 40°C do

1371°C.Ich použitie je v kovovýrobe ,gumárenskom priemyslu pri výrobe skla,

ale tiež pri kontrole teploty u elektronických súčiastok.

Teplomerové perá sú nevratné tavné indikátory keramického prášku

stmeleného spojivom. Vyrábajú sa rovnako ako teplomerové kvapaliny

v rozsahu od 40°C do 1371°C.Stopa nakreslená perom sa pri kritickej teplote

roztaví na škvrnu a stmavne.

Teplomerové nálepky sú nevratné tavné indikátory sprevádzané zmenou farby.

Nálepka a adhezívnou vrstvou na spodnej strane je osadená jedným alebo radou

(až ôsmimi)bielych indikačných kruhov na čiernom nebo oranžovom pozadí.

Okrem plochy kruhového tvaru sa vyrábajú nálepky s plochou ochrannou fóliou.

Teplotný rozsah nálepiek je od 38°C do 316°C.

Teplomerové nálepky

9.3 Farebné indikátory teploty

Teplomerové farby sú akrylové laky alebo stmelené prášky obsahujúce teplotne

citlivé anorganické pigmenty.Pri dosiahnutí kritickej teploty dochádza v laku

k chemickej reakcií, ktorá spôsobý zmenu v spektrálnej odrazivosti

dopadajúceho svetla na povrch laku a tým k zmene farby nalakovaného povrchu

meraného objektu.Kritická teplota je daná chemickým zložením pigmentu.

Nevratné teplomerové farby obsahujú rôzne kovy

(kobalt,chróm,molybdén,meď,vanádium,urán). Teplotný rozsah týchto

indikátorov je od 40°C do 1350°C pri odstupňovaní v rozmedzí od 10°C až do

200°C.Neistota merania teploty je pre nižšie teploty ±5°C a 1% pre vyššie

teploty.

Indikátory teploty s kvapalnými krištáľmi. Kvapalné kryštáli sú organické

látky s teplotnou závislosťou molekulárnou štruktúrou v stave medzi pevnou

a kvapalnou fázou. V skutočnosti sú to kvapaliny, ktoré si pri zvyšovaní teploty

udržujú do určitej teploty molekulárnu orientáciu pri skupenskej premene

z pevnej do kvapalnej fázy. Pre priemyslové použitie sa indikátory teplôt na

báze kvapalných kryštálov vyrábajú ako indikačné nálepky s vrstvou

a adhéznou podložkou. Menovité teploty teplomerových farebných nálepiek sú

od 0°C do 60°C s šírkou pásma od 1°C.Neistota merania teploty je približne

daná od ±0,2°C do 1/3 šírky pásma.

10. Meranie teploty biologických materiálov

10.1. Meranie vo vnútri telesa

Merania teploty vo vnútri telesa je spojená vždy s nutnosťou vyvŕtať do telesa otvor, čo

môže spôsobiť narušenie mechanickej pevnosti (napr. pri meraní teploty dreva).Zásady

pre meranie teploty je zaistiť dobrý prestup tepla z telesa do snímača a malí prestup

tepla do prostredia okolo vyčnievajúcej časti snímača. Optimálna hĺbka h je daná

pomerom D/h=0,1 až 0,2.

Meranie teploty vo vnútri telesa

V niektorých biologických a lekárskych aplikáciách je dôležité merať a sledovať zmeny

teploty vo vnútri tela alebo vo vnútri tkaniva. Akákoľvek sonda zavedená do tkaniva

spôsobuje poškodenie tkaniva a narušuje pôvodné rozloženie teploty. Pre minimalizáciu

interferencie, treba použiť sondy. Používajú sa tenko vrstvové  technológie, ktoré sú

vhodné pre tieto aplikácie. Výsledná sonda je malý termočlánok a na špičke ukončená

tenkou ihlou (akupunktúrnou ihlou z nerezovej ocele, cca 0,26 mm a v priemere dĺžky v

rozmedzí 5-10 cm). Prvá vrstva je izolačná a je zložená z polyakrylonitrilu (PAN) a

polyamidu produkovaného plazmatickými polymerizáciami a dip-povlakom (tvorenie

filmu). Táto vrstva sa vzťahuje na všetky ihly, s výnimkou hrotu. Druhá vrstva je tenký

termoelektrický článok povlečený zliatinou Sb .Tretia vrstva slúži na izoláciu a ochranu

je zložená z polyamidu a polyakrylonitrilu . V tomto usporiadaní je ihla vodič, a je

izolovaná plastovou vrstvou. Sonda je mechanicky odolná. Citlivosť je okolo 77

microV / ° C pri izbovej teplote a je konštantná v rozmedzí 2% až na 90° C. Odozva je

rýchla (menej ako 1 sec), a kvôli malým rozmerom, je poškodenie tkanív a narušené

namerané teplotné polia sú minimálne.

10.2. Meranie na povrchu telesa

Pri meraní teploty povrchu telesa dotyk snímača spôsobí zmenu zdielania tepla medzi

telesom a okolným prostredím v mieste merania , čo spôsoby narušenie teplotného pola

vo vnútri telesa a meraná teplota sa bude líšiť od teploty , ktorá by bola v mieste

merania bez snímaču teploty. Značným teplotným spádom nad povrchom telesa vzniká

na teplotným odporom v mieste dotyku snímača teplotný rozdiel. Obi dve uvedené

neistoty merania sa sčítajú , takže pokiaľ je teplota objektu vyššia než teplota

prostredia ,nameriame vždy teplotu nižšiu. Pre dotykové meranie povrchovej teploty sú

najvhodnejšie termoelektrické články , ktorých vodiče musia mať čo najmenší prierez S t

a malý súčiniteľ tepelnej vodivosti λt..

Meranie povrchové teploty termoelektrickým článkom a.nevhodné uporidanie,b.správne

usporiadanie,a.usporiadanie s krivou doštičkou

10.3 Meranie teploty sena

Balené seno pred tým, ako je úplne suché môže produkovať dosť tepla potrebného

k vzniku požiaru. Farmári musia byť opatrní voči vlhkosti, aby sa zabránilo

samovoľnému vznieteniu, ktoré je hlavnou príčinou požiarov kope sena. Teplo sa

vyrába procesom dýchania, ktorý sa vyskytuje aj vtedy keď má seno už len obsah

vlhkosti 40%. Seno je považované za úplne suché, keď dosiahne obsah vlhkosti 20% .

Problémy nastavajú od piatich až sedem dní po lisovaní. Ak je balík chladnejší, je

menšie nebezpečenstvo. Ak teplota presiahne teplotu balíku, môže nastať vznietenie,

aby sa balíky ochladili musia byť odstránené zo stodoly alebo vhodne oddelené.

Preto je potrebné monitorovať teplotu sena. Merací panel je zabudovaný v elektro

rozvodni. Je zosúladený s ovládaním ventilátorov. V senníku sú rozmiestnené sondy

počet je cca 2 ks na 1 modul senníka, ktoré na displeji v elektrorozvodni ukazujú

neustále teplotu na ktorejkoľvek sonde. Po prekročení teploty sa na ktorejkoľvek sonde

na cca 65 °C sa spustí protipožiarna siréna /prípadne je poslaná SMS/ .Meranie sa

prevádza z napätia akumulátora, ktorý je neustále nabíjaný a má výdrž min. 48 hod.

takže zariadenie pracuje aj pri výpadku napájania siete nízkeho napätia.

Meriace sondy rozmiestnené v senníku

11. Záver

Snímače teplôt prešli behom svojho vývoja dlhou cestou. Na trhu sa dnes objavujú

prevažne tie, ktoré potrebujú k spracovaniu výsledku menej či viac zložitú elektroniku.

Nesmieme ale zabúdať na jednoduché dilatačné teplomery, ktoré fungujú stále bez

potreby napájania a poskytujú tak nezávislé, s určitou mierou nepresnosti, spoľahlivé

výsledky v prípadoch, keď nastane výpadok prúdu alebo iný problém, ktoré vyradia

primárne senzory teploty z prevádzky.

Teplotné snímače s elektrickým výstupom  meranej veličiny sú veľmi užitočné

z dôvodu rýchlosti odozvy a schopnosti byť súčasťou regulačných sústav. Predstava

zostrojiť moderné a účinné nielen energetické zariadenia bez ich použitia je dnes úplne

nemysliteľná. Potreba neustáleho monitorovania a okamžitého zisťovania zmien teploty

viedla k ich rozvoju do takej miery, že sa stali bežne súčasťou mikročipov v počítačoch

ale aj ďalších elektrických zariadeniach a strojoch.

V poslednej kapitole je všeobecná charakteristika merania teploty biologických

materiálov, rozdelenie a aj popis merania teploty sena v senníku kde je potrebné

neustále meranie teploty.

12. Zoznam použitej literatúry1. ČSN EN 60359 , Elektrická a elektronická měřicí zařízení-Vyjadrování

vlastnosti ČSNI ,2003

2. Ďaďo S.,Kreigl M.:Senzory a meríci obvody.Vydavaľstvo ČVUT,Praha 1999.

3. Haasz V.,Sedláček M.: Elektrická měření ,2. Vydanie Vydavateľstvo

ČVUT,Praha 2003

4. Hrazdíra, I., a spol.: Biofyzika. Praha : Avicenum, 1990

5. J Appl Physiol. 1988 Nov ,A multicouple probe for temperature gradient

measurements in biological material 1988 PubMed dostupné

na:www.ncbi.nlm.nih.gov /pubmed/3209577

6. Marcel Kreidl, 2005 Měření teploty, Senzory a měřící obvody  1.vydanie

Vydavateľstvo: BEN – technická literatura 2005 ISBN: 8073001454

7. Matyáš, Vladislav - Zehnula , Karel - Pala, Jiří Malá encyklopedie

elektrotechniky Měřící technika 1. vyd. - Praha: SNTL - Nakl. technické

literatury, 1983.

8. Normy IEC-751 (IEC-STN 751) ,DIN 43670 ,ITS 90

9. Nývlt Z.:Měření teplotních veličín subminiaturní veličinami , In Automa, 9.

2003,č.1, s.8-10.

10.Obraz, Jaroslav Ultrazvuk v měřící technice. - 2. upravené vyd. - Praha: SNTL -

Nakladatelství technické literatury, 1984.

11. The Temperature Handbook .Vol. 28, Omega Engineering ,Inc., in

www.omega.com