\chapter{Rešerše v oblasti teplotních senzorů a popis I2C sběrnice}
\chapterabstract{%
\noindent
V této kapitole rozebereme jednotlivé druhy teplotních senzorů. Problematika nebude jistě zcela vyčerpána. Pokusíme se však uvést základní rozdělení a zmínit se o nejznámějších typech teplotních senzorů. Senzory nejdříve rozdělíme zcela empiricky na \emph{kontaktní} a \emph{bezkontaktní} dle \cite{temperatures_www}, odkud byly ostatně čerpány i základní informace o mnoha zařízeních. V závěru této kapitoly lehce odbočíme a alespoň stručně popíšeme sběrnici I2C se kterou se intenzivně pracovalo během celé realizace sensorického systému.
}
\section{Kontaktní teplotní senzory}

Tyto senzory v podstatě měří svojí vlastní teplotu. Celá myšlenka je založena na tom, že senzor a předmět, ke kterému je připevněn, jsou v \textit{tepelné rovnováze}. Jinak řečeno, mezi tělesy neprobíhá žádný tepelný tok.
Tato podmínka není samozřejmě nikdy ideálně splněna a vždy musíme uvažovat o určité chybě, které se dopustíme během měření. Zejména snímání teploty povrchů je komplikované. Do hry vstupuje mnoho faktorů. Obzvláště problematické je použití takového senzoru, když se povrch vůči senzoru pohybuje relativní rychlostí. Proto obecně měření povrchů se velmi často řeší senzory bezkontaktními.

Kontaktní teplotní senzory se vyrábějí v mnoha provedeních a můžeme je dělit do několika skupin:

\begin{itemize}
\item termočlánky (termoelektrické snímače teploty)
\item termistory
\item kapalinové teploměry
\item bimetalové teploměry
\item polovodičové teplotní senzory
\item teplotní indikátory
\item a další...
\end{itemize}

Dále si některé typy kontaktních senzorů popíšeme podrobněji.

\newpage

\subsubsection{Termočlánky}

Patří mezi jedny z nejvíce užívaných způsobů, jak jednoduše a rychle změřit teplotu.  Princip jejich činnosti je založen na Seebeckově jevu \cite{wiki_Seebeck} (mezi 2 vodiči existuje elektrické napětí, pokud je mezi nimi teplotní gradient $\Delta T$). Termočlánek se skládá ze dvou kovů (A,B), které jsou zapojeny do série (kov A - spoj AB - kov B - spoj BA - kov A). Během měření teploty se pak dosáhne toho, že spoje nabydou různých teplot, čímž na nich vznikne \textit{elektrický potenciál}, který má za následek \textit{tok elektrického proudu}. Termočlánky dokaží snímat teploty ve velkém rozsahu (až 2300°C) a jsou poměrně malých rozměrů. Proto se jich hojně využívá v průmyslu. Podle toho, jaké kovy jsou pro výrobu použity, dělíme termočlánky do různých skupin. Nejznámější materiály pro výrobu jsou\cite{termoclanek}:

\begin{itemize}
\item platinarhodium-platina
\item chromel-konstantan
\item chromel-alumel
\item měď-konstantan
\end{itemize}

Z principu, na kterém termočlánky pracují, je patrné, že se v zásadě mohou použít i~jako zdroj elektrické energie. Z důvodu malé účinnosti se však takto používají jen ojediněle (např: kosmické sondy). Primárně se termočlánky používají ke snímání teplot. I nám velice dobře posloužili při předběžném měření ohřevu vinutí a pláště u stejnosměrného motoru (viz. níže).

\subsubsection{Termistory}

Jedná se o polovodičové elektrotechnické součástky, které mají svůj elektrický odpor závislý na teplotě. Nevýhodou je jejich nelineární chování, a proto je nutné znát jejich VA charakteristiku. Termistory můžeme rozdělit na 2 typy\cite{tzb}:

\begin{itemize}
\item negistory (NTC) - se zahřátím součástky odpor klesá
\item pozistory (PTC) - se zahřátím součástky odpor roste
\end{itemize}

Termistory jsou v dnešní době používány v mnoha průmyslových aplikacích, avšak většinou jsou součástí nějakého zařízení (např: polovodičové teplotní senzory).

\subsubsection{Kapalinové teploměry}

Velmi známá zařízení, se kterými se v běžném životě často setkáváme. K měření teploty se využívá teplotní roztažnosti teploměrné kapaliny, kterou může být líh, rtuť apod.

\subsubsection{Bimetalové teploměry}

Tyto teploměry měří teplotu pomocí tzv. \textit{bimetalového} pásku, který se skládá ze dvou kovů o různých součinitelích teplotní roztažnosti. Vlivem změny teploty se pásek ohýbá a tato deformace se přenáší na ručičku přístroje, který na stupnici zobrazuje aktuální teplotu.

\subsubsection{Polovodičové teplotní senzory}

Tato zařízení jsou v dnešní době hojně rozšířena. Vyrábí se v mnoha typech, velikostech a modelech. Většinou jsou konstruovány ve formě integrovaných obvodů. Princip jejich činnosti je založen na faktu, že polovodičové diody (které jsou obvykle jejich součástí) mají VA charakteristiku značně závislou na teplotě. Jejich největší využití spadá do oblastí, kde potřebujeme měřit teplotu v rozsahu okolo -25 až 200~°C\cite{temperatures_www}. Oproti termočlánkům je jejich měřící rozsah podstatně menší. Jsou však poměrně přesné, levnější a hlavně mívají vhodné rozhraní, které je vítané pro~použití s dalším elektronickým zařízením. Od začátku zadání této bakalářské práce se předpokládalo, že teplotní senzorika bude realizována právě pomocí těchto zařízení. 
Polovodičové teplotní senzory můžeme dělit podle mnoha kritérií. Například podle druhu výstupního signálu:

\begin{itemize}
\item číslicové
\item analogové
\end{itemize}

nebo podle druhu rozhraní (interface):

\begin{itemize}
\item I2C
\item RS 232
\item SMBus
\item a další...
\end{itemize}

Cena, přesnost, jednoduchost provedení, velikost, rozhraní, rozsah měřících teplot a další faktory se musí brát v potaz, když se rozhodujeme o volbě vhodného senzoru.

\subsubsection{Teplotní indikátory}

Využívají se pro přibližné určení teploty povrchů těles. Nejsou tedy moc přesné. Při určité \textit{kritické} teplotě dojde ke změně vzhledu indikátoru. Indikátory se vyrábí v~různých formách: teploměrné tablety, tužky, nátěry, nálepky apod. \cite{tzb} Nejznámější jsou tzv. \textit{barevné} teplotní indikátory. Jedná se o nálepky, které mají uprostřed terčík z nátěru obsahujícího teplotně citlivé pigmenty. Při dosažení určité \textit{kritické} teploty dojde k chemické reakci nátěru v jejímž důsledku se změní spektrum odrazivosti nátěru a tím pádem i jeho barva.

\newpage

\section{Bezkontaktní teplotní senzory}

Tato skupina v sobě zahrnuje mnoho druhů zařízení, ale všechny jsou založeny na jedné optické vlastnosti materiálů zvané \textit{spektrální emisivita:}
\\[3mm]
\textit{Každé těleso, které má povrchovou teplotu vyšší než je absolutní nula (0 K), září.}
\\[3mm]
Bezkontaktní teplotní senzory se tedy řídí \textit{Planckovým zákonem}. Měření teploty těmito přístroji má řadu výhod\cite{bezdotyk}:

\begin{itemize}
\item vysoká přesnost měřících přístrojů
\item nedochází k mechanickému opotřebení snímaného objektu
\item měřící zařízení neovlivňuje (nebo velice málo) teplotu měřeného objektu
\item možnost měřit i velmi vysoké teploty (až 3000°C)
\item měření teploty na pohybujících se objektech z bezpečné vzdálenosti s vyloučením rizika poškození měřícího zařízení
\end{itemize}

\noindent 
Mezi nevýhody pak zejména patří:

\begin{itemize}
\item vysoká cena měřících zařízení
\item nejistota měření způsobená neznalostí teorie sálání
\end{itemize}

\noindent
Mezi nejznámější zařízení pro bezkontaktní měření teploty patří:

\begin{itemize}
\item pyrometry
\item infra teploměry (IR snímače)
\item termovizní kamery
\item přístroje pro noční vidění
\end{itemize}

S těmito zařízeními jsme během práce nepřišli do styku. Jedná se jistě o velmi pokročilé metody měření, avšak nevyhovující našemu záměru. Proto je zde uvádíme spíše informativně a větší zájem jsme soustředili na zařízení pro kontaktní měření teploty. Pro příklad užití v aplikaci podobné té naší odkazujeme na \cite{disertace_Grepl}.

\newpage

\section{I2C sběrnice}

Nyní je na místě zmínit se alespoň ve stručnosti o sběrnici I2C, která byla použita pro komunikaci se všemi periferiemi, které realizovaly doplňkovou senzoriku. 

Jedná se o seriovou sběrnici, která má pouze 2 linky. Časovou: SCL a datovou: SDA. Linka SCL synchronizuje komunikaci a vysílá pilový signál o předem definované frekvenci. Linka SDA pak slouží k přenosu dat. Pro celkovou konstrukci zapojení není třeba kromě Master a Slave zařízení nic jiného, než dva pull-up rezistory připojující paralelně linky sběrnice ke zdroji:

\\[10mm]

\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
\includegraphics{images/I2C_scheme.jpg}
\caption{Schéma zapojení I2C sběrnice \cite{wiki_I2C}}
\end{center}
\end{figure}

Adresování je prováděno počátečními byty, které jsou vyslány na sběrnici Master zařízením. Pouze to zařízení, které má odpovídající adresu, pak reaguje na přenos dat. Semozřejmě celá komunikace má ještě další svá specifika pro zajištění bezproblémového chodu. Pro další informace odkazujeme na \cite{I2C_tutorial},\cite{wiki_I2C}.

Z celého popisu je patrné, že celková sběrnice má konstantní počet linek. Oproti například SPI sběrnici, kde v základním zapojení s každým dalším Slave zařízením přibývá další linka.
Protože mnoho vhodných senzorů disponovalo tímto rozhraním, byla I2C sběrnice nakonec zvolena jako nejvhodnější. Dále počet zařízení nebyl zcela zanedbatelný, a proto jsme se chtěli vyhnout velké "robustnosti" sběrnice. Taktéž skutečnost, že I2C porty byly na řídící jednotce volné, vedla ke konečnému rozhodnutí.