Najważniejsze rodzaje czujników temperatury to termopary, czujniki rezystancyjne (platynowe Pt100 i Pt1000), termistory NTC i PTC, czujniki półprzewodnikowe z wyjściem cyfrowym (np. DS18B20) oraz pirometry, które mierzą temperaturę bezdotykowo, z promieniowania podczerwonego. Różnią się zasadą działania, zakresem pomiaru, dokładnością i ceną.
W skrócie
- Termopara – najszerszy zakres (typ K: od −200 do +1350 °C), średnia dokładność, piece i silniki.
- Pt100 / Pt1000 – najdokładniejsze w przemyśle, klasy dokładności wg normy IEC 60751.
- Termistor NTC – tani i czuły, typowo od −100 do +300 °C; AGD, elektronika, samochody.
- DS18B20 i inne cyfrowe – gotowy wynik cyfrowy, ±0,5 °C, ulubieniec Arduino i Raspberry Pi.
- Pirometr – pomiar bez dotyku, ale wynik zależy od emisyjności powierzchni.
Rodzaje czujników temperatury – porównanie
| Rodzaj | Zasada działania | Typowy zakres | Dokładność (przykład) |
|---|---|---|---|
| Termopara typu K | napięcie termoelektryczne (zjawisko Seebecka) | −200…+1350 °C | ±1,5 °C w zakresie −40…375 °C (klasa 1, IEC 60584) |
| Pt100 / Pt1000 | zmiana rezystancji platyny | zależnie od wykonania i klasy, np. −50…+500 °C | ±0,35 °C w 100 °C (klasa A, IEC 60751) |
| Termistor NTC | spadek rezystancji półprzewodnika ceramicznego | typowo −100…+300 °C | zależy od modelu i kalibracji |
| DS18B20 | układ scalony z przetwornikiem A/C | −55…+125 °C | ±0,5 °C w zakresie −10…+85 °C |
| Pirometr (IR) | promieniowanie cieplne | zależnie od modelu | zależy od emisyjności powierzchni |
Termopary – zasada działania i typy K, J, T
Termopara (termoelement) to dwa przewody z różnych metali zespawane na końcu. Gdy spoina pomiarowa ma inną temperaturę niż drugi koniec przewodów, powstaje niewielkie napięcie – to zjawisko Seebecka. Dla najpopularniejszego typu K to około 41 µV na każdy stopień różnicy. Termopara mierzy więc różnicę temperatur, dlatego miernik musi znać temperaturę „zimnego końca” – służy do tego kompensacja zimnych końców, wbudowana w każdy porządny miernik i moduł.
Typy termopar opisuje norma IEC 60584. Najczęściej spotkasz trzy:
- Typ K (chromel–alumel) – od −200 do +1350 °C, uniwersalny wybór do pieców, grilli, spalin i multimetrów z sondą temperatury.
- Typ J (żelazo–konstantan) – od −40 do +1200 °C, czułość ok. 50 µV/°C, spotykany w starszych instalacjach i przetwórstwie tworzyw.
- Typ T (miedź–konstantan) – od −200 do +350 °C, w niskich temperaturach najdokładniejszy z tej trójki (klasa 1: ±0,5 °C w zakresie −40…125 °C), więc stosowany np. w chłodnictwie i przemyśle spożywczym.
Do bardzo wysokich temperatur używa się termopar z platyny i rodu (typy S, R, B) – typ S pracuje do 1600 °C. Zaletą termopar jest zakres, odporność i niska cena, wadą – mały sygnał podatny na zakłócenia i gorsza dokładność niż czujników platynowych.
Termopara siedzi też w każdej kuchence gazowej: to ona trzyma otwarty zawór gazu, dopóki płomień ją grzeje, i zamyka go, gdy płomień zgaśnie. Jeśli palnik gaśnie zaraz po puszczeniu pokrętła, to właśnie termopara jest pierwszą podejrzaną.
Czujniki rezystancyjne Pt100 i Pt1000
Czujnik rezystancyjny to drut albo cienka warstwa platyny, której rezystancja rośnie wraz z temperaturą. Liczba w nazwie to rezystancja w 0 °C: Pt100 ma 100 Ω, Pt1000 – 1000 Ω. Standardowy współczynnik temperaturowy to 0,00385 Ω/(Ω·°C), czyli rezystancja Pt100 rośnie o ok. 0,385 Ω na stopień. Zależność rezystancji od temperatury opisuje równanie Callendara–Van Dusena, a jego współczynniki i klasy dokładności definiuje norma IEC 60751:
- klasa AA: ±(0,1 + 0,0017·|t|) °C,
- klasa A: ±(0,15 + 0,002·|t|) °C – czyli ±0,35 °C w 100 °C,
- klasa B: ±(0,3 + 0,005·|t|) °C – ±0,8 °C w 100 °C,
- klasa C: ±(0,6 + 0,01·|t|) °C.
Im dokładniejsza klasa, tym węższy zakres temperatur, w którym obowiązuje – szczegóły podaje producent w karcie katalogowej.
Pt100 dwu-, trzy- czy czteroprzewodowy?
Przy Pt100 rezystancja samych przewodów dodaje się do wyniku, więc ma znaczenie sposób podłączenia. Układ dwuprzewodowy jest najprostszy i najmniej dokładny. Trzyprzewodowy kompensuje rezystancję przewodów i jest standardem w przemyśle. Czteroprzewodowy całkowicie eliminuje jej wpływ i stosuje się go tam, gdzie liczy się każda dziesiąta część stopnia, np. w laboratoriach. Pt1000 ma dziesięć razy większą rezystancję, więc przewody przeszkadzają mu dziesięć razy mniej – dlatego częściej wystarcza mu połączenie dwuprzewodowe.
Termistory NTC i PTC
Termistor to rezystor z ceramiki półprzewodnikowej, którego rezystancja bardzo mocno zależy od temperatury – dużo mocniej niż w przypadku platyny, dlatego jest czuły i tani.
- NTC (ujemny współczynnik temperaturowy) – rezystancja spada, gdy temperatura rośnie. Wykonywany z tlenków metali (m.in. manganu, niklu, kobaltu). To najpopularniejszy czujnik w sprzęcie domowym: w czajnikach, pralkach, ładowarkach, akumulatorach i elektronice.
- PTC (dodatni współczynnik) – rezystancja rośnie z temperaturą. Najczęściej z tytanianu baru. Rzadziej służy do pomiaru, częściej jako samoresetujący bezpiecznik przeciążeniowy albo samoregulujący element grzejny.
Charakterystyka NTC jest nieliniowa. W kartach katalogowych podaje się rezystancję w 25 °C (stąd oznaczenia „NTC 10k”, „NTC 100k”) i parametr B, a dokładne przeliczenie rezystancji na temperaturę daje równanie Steinharta–Harta (błąd zwykle poniżej 0,02 °C w zakresie 200 °C) albo tabela producenta.
Jak sprawdzić termistor NTC?
Wystarczy multimetr ustawiony na pomiar rezystancji. W temperaturze pokojowej NTC 10k powinien pokazać około 10 kΩ. Gdy ogrzejesz go palcami, wynik powinien wyraźnie spaść. Brak zmiany, przerwa albo zwarcie oznaczają uszkodzony element. Dokładne wartości dla danej temperatury porównasz z tabelą z karty katalogowej.
Czujniki półprzewodnikowe i cyfrowe – DS18B20 i spółka
Czujnik cyfrowy to układ scalony, który sam mierzy temperaturę, przelicza ją i wysyła gotowy wynik. Najbardziej znany w świecie Arduino i Raspberry Pi jest DS18B20: mierzy od −55 do +125 °C, z dokładnością ±0,5 °C w zakresie od −10 do +85 °C, z rozdzielczością od 9 do 12 bitów (pomiar 12-bitowy trwa maks. 750 ms). Komunikuje się przez magistralę 1-Wire, więc na jednym przewodzie danych można zawiesić wiele czujników – każdy ma unikalny adres. Pracuje przy zasilaniu od 3,0 do 5,5 V i jest sprzedawany także w wodoszczelnej sondzie.
Jeśli oprócz temperatury chcesz mierzyć wilgotność, sięga się po czujniki łączone – np. Sensirion SHT40 ma typowo ±0,2 °C i ±1,8% RH, mierzy od −40 do +125 °C i komunikuje się przez I²C. Takie układy siedzą w większości domowych termohigrometrów i czujników smart home.
Pirometry i termometry na podczerwień
Pirometr mierzy temperaturę bez kontaktu – optyka skupia promieniowanie cieplne obiektu na detektorze. Dzięki temu zmierzysz rozgrzany metal, ruchomą część maszyny, kaloryfer czy patelnię. Kluczowym parametrem jest emisyjność powierzchni: błyszczący metal emituje znacznie mniej promieniowania niż matowa farba w tej samej temperaturze, więc bez ustawienia poprawnej emisyjności wynik może być mocno zaniżony. Pirometr mierzy też tylko powierzchnię, nie wnętrze przedmiotu.
Zastosowanie czujników temperatury
- Dom – termostaty i głowice grzejnikowe, piekarniki, lodówki, pralki, kotły i pompy ciepła, a także domowe stacje pogodowe z czujnikiem temperatury zewnętrznej, jak Netatmo Weather Station.
- Samochód – czujnik temperatury płynu chłodzącego, oleju, powietrza dolotowego, temperatury zewnętrznej i spalin. Większość z nich to termistory NTC, a do pomiaru spalin w wysokich temperaturach stosuje się termopary lub czujniki platynowe.
- Elektronika – smartfony, laptopy i ładowarki mają czujniki, które ograniczają wydajność albo ładowanie przy przegrzaniu (więcej w tekście Telefon się grzeje?).
- Smart home – bezprzewodowe czujniki temperatury i wilgotności Wi-Fi lub Zigbee, które włączają ogrzewanie, klimatyzację albo inteligentne gniazdko z grzejnikiem; przykłady urządzeń znajdziesz w zestawieniu nowych produktów smart home TP-Link Tapo.
- Przemysł – piece hutnicze i hartownicze (termopary), procesy w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym (Pt100), chłodnie, laboratoria i rolnictwo.
Jak dobrać czujnik temperatury?
- Zakres pomiaru – do kilkuset stopni wybór jest szeroki, w temperaturach pieców i spalin zostają termopary i pirometry.
- Dokładność – do precyzyjnych pomiarów Pt100/Pt1000 w klasie A lub AA, do sterowania w domu wystarczy NTC albo DS18B20.
- Medium i montaż – czujnik do powierzchni, do cieczy, do powietrza, w osłonie z gwintem czy w tulei – i stopień ochrony IP, jeśli pracuje na zewnątrz lub w wilgoci.
- Sygnał wyjściowy – rezystancja, napięcie, prąd 4–20 mA albo interfejs cyfrowy; musi pasować do sterownika lub miernika.
- Czas reakcji – cienka sonda reaguje szybciej niż czujnik w grubej osłonie.
