Danas je nabavljen analogni termometar slovenskog proizvođača Iskra pod oznakom Termomer 1 iz 1980-tih godina. Tvrtka ISKRA vuče korijene iz 1946. godine te je sve do danas prisutna na tržištu. Možemo reći da se radi o jednoj od najuspješnijih i najdugovječnijih tvrtki sa područja bivše Jugoslavije koja je preživjela procese restrukturiranja i privatizacije tijekom 1990-tih godina te otada bilježi tendenciju ponovnog rasta, razvoja i širenja na svjetska tržišta. Kroz čitavo razdoblje postojanja nudi širok spektar proizvoda iz područja elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija, energetike, automatizacije i tome srodnih proizvodnih grana.
Termomer 1 je jednostavan analogni termometar za mjerenje temperatura u rasponu 0-200°C podijeljeno u dva mjerna opsega. Kalibriran je za rad sa posebnom termistorskom sondom oznake ØAT0201.
Naš primjerak Termomera 1 na testu se pokazao neispravnim (kazaljka ne reagira) pa pogledajmo stanje iznutra.
Kao što se vidi sa slika, naš Termomer 1 je jednom bio zaliven nekom tekućinom koja je kroz vrijeme počela nagrizati bakrene tiskane veze i korodirati ostale metalne dijelove instrumenta. Tako su potpuno nagriženi spojni dijelovi tri žičana otpornika i isti su u prekidu. Nesreća nikad ne dolazi sama pa su tako sukladno Murphyjevom zakonu prekidi nastali na početnim (nutrašnjim) krajevima kod sva tri otpornika. To znači da ukoliko želimo pokrpati nagrižene dijelove otporne žice, onda moramo odmotati kompletnu žicu kod sva tri otpornika kako bi došli do unutrašnjih krajeva namotaja. Elektroničar za takav posao mora imati vrlo spretne prste, postojane živce i dobar vid, a ni to nije garancija uspjeha. Možda jednom nabavimo originalnu shemu ovog instrumenta pa ćemo ugraditi neke zamjenske otpornike. S obzirom da se to vjerojatno nikad neće dogoditi, idemo nacrtati shemu Termomera 1 na osnovu ovog uređaja.
Koristi se 11 preciznih žičanih otpornika namjenskih vrijednosti i kao kod svakog ommetra jedan potenciometar za kompenzaciju napona baterija, odnosno za kalibraciju kazaljke na puni otklon (oznaka REG). U cilju bolje preglednosti izveli smo mjerne krugove za kalibraciju instrumenta i oba mjerna opsega.
Dva su osnovna načina kako možemo konstruirati mjerni krug termometra samo uz upotrebu otpornika. Jedan je da termistor bude sastavni element djelitelja napona, a drugi je da termistor bude sastavni element mjernog mosta (Wheatstone mjerni most). Mjerni most omogućuje puno veću osjetljivost od jednostranog vezanja otpornika u strujni krug sa instrumentom. Time je omogućeno mjerenje i očitanje skale već na vrlo malim promjenama temperature. Takav most se zapravo može promatrati kao spoj dva djelitelja napona, svaki sa jedne strane indikacijskog instrumenta, pa je mjerni instrument pokretan promjenom balansa napona s obje strane umjesto izravno narinutim naponom.
U našem slučaju se ne može koristiti klasični balansirani Wheatstone mjerni most jer se kao indikacijski instrument ne koristi galvanometar nego (mili) voltmetar sa skalom kalibriranom izravno u °C. Stoga su upotrijebljeni spojevi svojevrsnih nepotpuno uravnoteženih ili nebalansiranih mjernih mostova kako bi se dobio otklon kazaljke u samo jednu stranu izravno proporcionalan promjeni otpora termistora u jednoj grani mosta. Kod takvog mosta otklon instrumenta će biti proporcionalan naponu, odnosno struji mosta, pa se ovdje mora održavati konstantan napon napajanja mosta. Stoga je kod ovog nebalansiranog mosta ugrađen potenciometar za regulaciju napona napajanja mosta (kalibraciju instrumenta) što kod standardnog balansiranog Wheatstone mjernog mosta ne bi bilo potrebno.
Ako pogledamo ove naše izvedene sheme vidimo da se zapravo međusobno prilično razlikuju. Neke grane ne sadrže otpornike već su kratkospojene (nula oma). Ovdje je trebalo konstruirati mjerne mostove tako da se što je moguće više kompenziraju dvije nelinearnosti: nelinearna otporno-temperaturna karakteristika termistora i nelinearna otporna skala i kod linearne promjene otpora. Osim toga, i sama strujna karakteristika mjernog mosta nije posve linearna u cijelom opsegu.
Temperaturna sonda “opće primjene” Iskra ØAT0201.
Otpornici ugrađeni u temperaturnu sondu Iskra ØAT0201 služe za proširenje raspona otpora koju u udređenom temperaturnom opsegu ima termistor K17.
Prilikom mjerenja temperature stakleni vrh sa termistorom mora se termički spregnuti sa medijem kojem mjerimo temperaturu. Kod tekućina to nije problem, jednostavno se vrh sonde uroni u tekućinu. No kod čvrstih površina je potrebno koristiti posebne paste, ulja i slične komponente za termičku spregu i dobar prijenos topline na senzor.
Kod sonde ØAT0201 se može odviti plastični poklopac tako da se osjetilni vrh termistora izravno prisloni (uroni) na površinu (tekućinu, plin) kojoj mjerimo temperaturu. Ovo je napravljeno malo nezgodno, jer se kod odvrtanja poklopca može početi odvrtati i donji dio drške sa izvodima termistora. Tko ne zna kako se radi sa sondom i nastavi odvrtati dršku sasvim sigurno će uplesti i u konačnici potrgati žičane spojeve termistora sa otpornicima koji su smješteni dublje u dršci sonde. Upravo to je netko i uradio sa našom sondom.
NTC termistora K17 10 kΩ 10% (Siemens) u staklenom kućištu, ugrađen u temperaturnu sondu Iskra ØAT0201.
Temperaturna sonda ØAT0201 sastoji se od tri precizna žičana otpornika i NTC termistora K17 10 kΩ 10% (Siemens) u staklenom kućištu. Termistori se stavljaju u staklena kućišta kako bi se zaštitili od vanjskih utjecaja, odnosno od površina na koje se prislanjaju i tekućina u koje se uranjaju kod mjerenja temperature. Danas je lako nabaviti termistore u staklenim kućištima različitih otpora.
Termistori nemaju linearnu karakteristiku promjene otpora u odnosu na promjenu temperature u čitavom temperaturnom opsegu.
Karakteristika promjene otpora u ovisnosti o promjeni temperature NTC termistora K17. Kako temperatura raste od -55 do +250°C tako NTC otpornik smanjuje svoj otpor u sve manjem odnosu. Tako su promjene otpora kao i linearnost promjena najveće na niskim temperaturama (cca -55 do -20°C).
Ovdje smo izdvojili dio karakteristike NTC termistora K17 u području rada Termomera 1 (0-100°C i 80-200°C). Jasno se uočavaju dva relativno linearna dijela između kojih je izraženi kraći nelinearni dio (cca 60 do 120°C). Prekid mjernog opsega napravljen je upravo na tom dijelu kako bi se maksimalno iskoristili linearni dijelovi i time se dobile što linearnije skale na instrumentu.
Nelinearna otporno-temperaturna karakteristika NTC termistora K17 jasno se odražava i na nelinearnost skala instrumenta (početni dio gornje skale i završni dio donje skale). Međutim, ovdje treba uvažiti činjenicu da ni sama analogna skala ommetra (kod linearne promjene otpora) zapravo nije linearna. Ovdje je trebalo dobro proračunati mjerne krugove uvažavajući obje nelinearnosti kako bi se u konačnici dobile što je moguće više linearne skale.
Prema podacima za termistor K17 10 kΩ krajnji otpori na naša dva temperaturna područja su slijedeći:
- u temperaturnom rasponu 0-100°C otpor termistora iznosi 22,67 – 0,82 kΩ
- u temperaturnom rasponu 80-200°C otpor termistora iznosi 1,39 – 0,11 kΩ
Termistor je unutar sonde spojen u mrežu sa tri otpornika pa dobivamo slijedeće izlazne otpore iz takve sonde:
Iz ovoga možemo vidjeti da se upotrebom otpornika uvelike smanjuje raspon ulaznih otpora naspram onoga koji bi dobili iz čistog termistora. Ovo je napravljeno vjerojatno zbog lakšeg konstruiranja mjernog mosta tako da na punom opsegu ulaznih otpora daje pun otklon instrumenta i da je taj otklon što je moguće više linearan. Naime, kao što smo već rekli, mjerni mostovi su vrlo osjetljivi i reagiraju već na male promjene otpora. Iskrin instrument ugrađen u Termomer 1 ima otpor svitka od 1,2 kΩ i dovoljna mu je struja od 40 µA za puni otklon kazaljke. Drugi razlog je moguće taj što je ova temperaturna sonda dizajnirana kao univerzalna te tako rasponom otpora prilagođena i na drugačije mjerne krugove.
Također, vezanje termistora serijski sa otpornicima ograničava i smanjuje struju kroz njega tako da se time ublažava efekt samozagrijavanja termistora uslijed protoka mjerne struje što negativno utječe na točnost mjerenja.
Termometar Termomer 1 deklariran je sa točnosti od ±3°C. Ta točnost je uvjetovana tolerancijom samog termistora koja u našem slučaju iznosi 10% kao i točnosti samog mjernog sistema sa zakretnim svitkom, te moguće donekle i temperaturnom stabilnošću električnih elemenata instrumenta. Ovo je za današnje pojmove prilično velika tolerancija jer današnji termometri bazirani na poluvodičkim, RTD ili IC senzorima lako dostižu točnosti ±0,3°C već u komercijalnoj izvedbi.
S obzirom da se radi o analognom mjernom instrumentu sa ručnom sondom, od velikog je značaja da operater pravilno koristi sondu i mjerni instrument te pravilno očita vrijednosti na skali. Vidjeli smo gore na grafičkom prikazu da kontaktna površina može uvelike utjecati na rezultat mjerenja. Termistor je smješten na sam vrh staklenog tijela i isti treba ostvarivati dobar termički kontakt sa mjerenim medijem da bi mjerenje bilo točno. Jednako tako, sam instrument se mora koristiti u vodoravnom položaju zaštićen od vibracija i sličnih trešnji. Očitanja temperatura u rasponu 80-100°C svakako treba vršiti na gornjoj skali, jer je instrument najprecizniji pri punom otklonu, a osim toga ovdje je i skala za to područje šira i linearnija.
Najveći nedostatak termistorskog senzora je kao što smo vidjeli nelinearni otporno-temperaturni odziv, ograničeni temperaturni opseg primjene i problem samozagrijavanja uslijed protoka mjerne struje. S druge strane to su jeftini senzori malih dimenzija i brze reakcije, dovoljne osjetljivosti i točnosti za komercijalne termometre.
Termomer 1 je konstruiran sa namjenski izrađenim otpornicima nestandardnih vrijednosti i ne sadrži nikakve kalibracijske elemente što se tiče samog mjernog kruga. Očito je cilj bio proračunati mjerne mostove na način da se iz termistora K17 dobije što je moguće linearniji odziv u dva ograničena mjerna opsega te da se time dobije što jeftiniji gotov proizvod. Opseg mjerenja 0 – 200°C ima vrlo ograničenu primjenu i kako slika pokazuje, vjerojatno je dizajniran u prvom redu za mjerenje (kontrolu) zagrijavanja elektroničkih elemenata u električnim krugovima. Kako god bilo, danas više nije isplativo popravljati ovakav instrument za aktivnu upotrebu jer se za malo novaca mogu kupiti precizniji beskontaktni digitalni termometri šireg opsega mjerenja sa kojima je rad kudikamo lakši, brži i jednostavniji. Ono što se isplati sa instrumentom poput Termomera 1 to je proučiti njegovu unutrašnju građu i pokušati shvatiti kako su inženjeri došli do nekog specifičnog mjernog kruga i zašto je baš takav krug u konačnici bio najbolji za tvorničku izradu neke velike serije mjernih instrumenata 🙂