Jak odporový teploměr měří teplotu
Odporová termometrie je měření teploty pomocí změn elektrického odporu. Využívá čidlo z materiálu, jehož odpor se mění s teplotou. Elektronika odpor změří a podle předem určeného vztahu mu přiřadí teplotu. Tak pracují platinové odporové teploměry i termistory. S vhodnou sondou měříme teplotu vzduchu, vody nebo půdy a při opakovaném měření sledujeme její průběh. (BIPM, kapitola 2)
Podrobně si vysvětlíme platinový teploměr používaný při měření vzduchu. Jeho uplatnění ukazuje americká síť klimatických referenčních stanic U.S. Climate Reference Network, zkráceně USCRN.

Proč odpor platiny prozrazuje její teplotu
Čidlem platinového teploměru je tenký platinový drátek nebo vrstva platiny na podkladu. Elektrický proud v tomto kovu přenášejí elektrony, částice nesoucí elektrický náboj. Napětí přivedené na konce čidla usměrňuje jejich pohyb, a kovem tak prochází proud. Jak velký proud při daném napětí prochází, závisí na elektrickém odporu materiálu. Větší odpor znamená při stejném napětí menší proud. (University Physics 2, oddíly 9.1 a 9.3)
Atomy platiny kmitají a tento tepelný pohyb narušuje usměrněný pohyb elektronů. Elektrony při něm mění směr, čemuž říkáme rozptyl. Při oteplení atomy kmitají intenzivněji a elektrony se rozptylují častěji. Průchod proudu je tím obtížnější a odpor platiny roste. Měřením odporu tedy můžeme sledovat změny teploty čidla. Princip a jeho využití popisuje příručka Mezinárodního úřadu pro váhy a míry (BIPM).
Jak sonda převezme teplotu vzduchu
Platinový prvek je uložený v pouzdře a připojený ke kabelu. Tato sestava tvoří teplotní sondu. Vzduch a sonda si vyměňují teplo, takže se teplota čidla přibližuje teplotě vzduchu. Spolu s teplotou se mění i odpor platiny uvnitř. Výměna tepla tak propojuje veličinu, kterou chceme zjistit, s odporem, který změříme elektricky. (University Physics 2, oddíl 1.1)
Při měření venku umisťujeme sondu do krytu, který ji chrání před přímým slunečním ohřevem a zároveň k ní propouští vzduch. Stanice USCRN používají platinové sondy Thermometrics v radiačních krytech Met One. Vzduch krytem protahuje ventilátor. Proudění usnadňuje výměnu tepla mezi vzduchem a sondou, aby čidlo sledovalo teplotu měřeného vzduchu.

Jak elektronika změří odpor
Kabel spojuje sondu s měřicí elektronikou. Ta čidlem nechá procházet malý známý proud a změří napětí mezi jeho konci. Při stejném proudu je k průchodu čidlem s větším odporem potřeba větší napětí. Z obou elektrických veličin proto můžeme odpor vypočítat. Podle Ohmova zákona vydělíme napětí proudem:
Ve vztahu je R odpor v ohmech (Ω), U napětí ve voltech (V) a I proud v ampérech (A). Elektronický převodník převede měřené napětí na číselný údaj. Jeho vydělením známým proudem přístroj získá hodnotu odporu pro další výpočet. (BIPM, oddíly 3.3 a 4.4)
Abychom určili odpor samotného čidla, potřebujeme snímat napětí přímo mezi jeho konci. Měřicí proud totiž prochází také přívodními kabely a i ty mají odpor. Při jednoduchém dvouvodičovém zapojení tak do změřeného odporu vstupují čidlo i přívody. Čtyřvodičové zapojení oddělí vedení proudu od snímání napětí. (BIPM, oddíl 4.4)
Jedním párem vodičů přivedeme proud k čidlu a zpět. Druhý pár připojíme přímo na jeho konce a použijeme ke snímání napětí. Tímto druhým párem protéká zanedbatelný proud, takže na odporu jeho vodičů vzniká zanedbatelný úbytek napětí. Přístroj proto měří napětí na čidle s výrazně omezeným vlivem přívodů. Zapojení vysvětluje oddíl 4.4 příručky BIPM.
Jak kalibrace spojí odpor s teplotou
Kalibrace určí vztah mezi změřeným odporem a známou teplotou. U platinového čidla využíváme opakovatelnosti, tedy schopnosti poskytovat při stejné teplotě stejný odpor. Vztah proto můžeme nejprve zjistit v laboratoři a potom podle něj převádět odpor na teplotu při běžném měření. (BIPM, oddíl 5.1)
Do míchané kapalinové lázně vložíme zkoušenou sondu a referenční teploměr. Referenční teploměr poskytuje známou teplotu lázně, zkoušená sonda svůj odpor. Oba přístroje dostatečně ponoříme a lázeň necháme ustálit. Míchání pomáhá udržovat rovnoměrnou teplotu kapaliny, takže oba přístroje porovnáváme při stejné teplotě. (NIST: porovnávací kalibrace)
Společně odečteme teplotu reference a odpor sondy. Potom teplotu lázně změníme, znovu vyčkáme na ustálení a oba odečty zopakujeme. Tak postupně získáme dvojice teploty a odporu napříč rozsahem, ve kterém budeme teploměr používat. Takto provádí porovnávací kalibrace například americký Národní institut pro standardy a technologie (NIST).
Z těchto dvojic sestavíme převodní vztah. Kalibrace podle mezinárodního metrologického slovníku VIM zahrnuje také nejistoty referenčních hodnot a údajů přístroje. Jejím výsledkem může být rovnice pro výpočet teploty nebo korekce, tedy oprava již zobrazované hodnoty. Samostatným úkonem je seřízení, při kterém měníme odezvu samotného přístroje.
Referenční teploměr je sám zkalibrovaný podle dalšího referenčního přístroje. Tato návaznost může vést až k etalonovému platinovému teploměru. Etalon je přístroj určený k uchovávání a předávání referenčních hodnot. Jeho kalibrace využívá přesně předepsané teplotní stavy, například trojný bod vody. Při něm za stanovených podmínek společně existují led, kapalná voda a vodní pára. (BIPM: etalonové platinové teploměry)
Předepsané teplotní stavy a kalibrační postupy vymezuje Mezinárodní teplotní stupnice z roku 1990, ITS-90. Výsledek běžné sondy tak přes dokumentovaný řetězec kalibrací navazuje na společné reference. Tento řetězec zahrnuje i nejistoty jednotlivých kalibrací a nazývá se metrologická návaznost. Umožňuje porovnávat teploty naměřené různými přístroji a laboratořemi.

Jak přístroj vypočítá teplotu
Kalibrace poskytla několik dvojic odporu a teploty. Při měření se ale čidlo dostává i na teploty mezi těmito body. Proto soubor bodů popíšeme souvislou křivkou. Její rovnice nám umožní přiřadit teplotu také odporům mezi kalibračními hodnotami. (BIPM, oddíl 5.2)
Pro platinová čidla se používá například Callendarova–Van Dusenova rovnice. Popisuje odpor jako funkci teploty, tedy říká, jaký odpor má čidlo při zadané teplotě. Pro teploty od 0 °C výše má tuto podobu:
Písmeno t označuje teplotu ve stupních Celsia. Zápis znamená odpor při této teplotě a odpor při 0 °C. Oba odpory vyjadřujeme v ohmech. Právě podle odporu při 0 °C se pojmenovávají běžná platinová čidla. Typ Pt100 má při této teplotě jmenovitě 100 Ω. Jmenovitá hodnota je předepsaná pro daný typ, skutečný vztah jednotlivého kusu zjišťujeme kalibrací. (OIML R 84, příloha A)
Čísla A a B jsou koeficienty určující tvar křivky. Člen popisuje změnu úměrnou teplotě. S tímto členem by závislost odporu na teplotě tvořila přímku. Člen ji zakřivuje, aby lépe vystihla chování platiny. Druhá mocnina znamená teplotu vynásobenou sebou samou. Koeficienty A a B mají jednotky °C⁻¹ a °C⁻².
Pro teploty pod 0 °C se do hranaté závorky přidává člen . Třetí mocnina je součin a koeficient C má jednotku °C⁻⁴. Tento člen upravuje průběh křivky v záporných teplotách. Obě části rovnice popisuje příloha A doporučení OIML R 84.
Při měření známe odpor a hledáme odpovídající teplotu. Přístroj tedy používá rovnici opačným směrem, než jak je zapsaná. Najde takovou teplotu, při které rovnice dává právě naměřený odpor. Tím získá výsledek ve stupních Celsia.
Převodní vztah můžeme sestavit také tak, aby přímo počítal teplotu z odporu. Jednou z možností je polynom, tedy součet konstanty a členů obsahujících odpor a jeho mocniny. Mocniny vyjadřují opakované násobení odporu sebou samým. Každý člen má vlastní koeficient a společně určují průběh křivky. Koeficienty určíme z naměřených kalibračních dvojic. Takový vztah nazýváme empirický, protože je přizpůsobený měřením. (BIPM, oddíl 5.2.1)
K nalezení koeficientů slouží například metoda nejmenších čtverců. Pro zvolené koeficienty nejprve vypočítáme teplotu v každém kalibračním bodě a porovnáme ji s referenční teplotou. Každý rozdíl vynásobíme sebou samým a všechny takto získané hodnoty sečteme. Potom hledáme koeficienty, při kterých je tento součet nejmenší. Umocněním rozdílů zajistíme, že se kladné a záporné odchylky navzájem nevyruší. Tento způsob určení převodu ukazuje kalibrační postup v příručce BIPM.
Jak vznikne teplota zveřejněná stanicí
Teploměr poskytl teplotu čidla a záznamník k ní přiřadí čas měření. Meteorologická stanice zajišťuje umístění a napájení přístroje, ukládání údajů i jejich přenos. Na stanici USCRN pracují současně tři teploměry, každý ve vlastním krytu. Při zpracování jejich výsledky porovnáme a pro daný časový interval z nich vybereme jednu výslednou teplotu. (Diamond a kol., příloha)
Výběr výsledné pětiminutové teploty popisují Diamond a spoluautoři (2013) v příloze článku o USCRN. Pokud se tři hodnoty shodují v rozmezí 0,3 °C, seřadí se od nejnižší k nejvyšší a použije se prostřední hodnota, nazývaná medián. Když jeden údaj chybí nebo se odchyluje a zbývající dva se shodují do 0,3 °C, použije se jejich průměr. Z více souběžných měření tak vznikne jeden údaj pro daný interval.
Ve veřejném pětiminutovém souboru je tato výsledná teplota ve sloupci AIR_TEMPERATURE. Uvádí se po desetinách stupně Celsia. Každý údaj zastupuje pětiminutový interval a jeho časová značka označuje konec tohoto intervalu. Takto význam sloupce vymezuje dokumentace Subhourly01.
Pro výpočet hodinového průměru potřebujeme dvanáct navazujících pětiminutových intervalů. U úplné hodiny je sečteme a součet vydělíme dvanácti. Každý interval trvá stejně dlouho, a má proto v průměru stejnou váhu:
Symbol označuje průměrnou teplotu hodiny. Hodnoty až jsou teploty jejích jednotlivých pětiminutových intervalů. Všechny teploty vyjadřujeme ve stupních Celsia. Výsledek zastupuje celou hodinu měření na jedné stanici.
Hodinový soubor USCRN ukládá průměr celé hodiny do sloupce T_HR_AVG. Vedle něj uvádí i hodnotu T_CALC, která zastupuje posledních pět minut. Oba údaje se vztahují ke stejnému konci hodiny, každý ale shrnuje jinak dlouhou dobu. Jestliže se teplota během hodiny mění, budou se zpravidla lišit.
K čemu teplotní záznam slouží
Opakovaná měření zachycují výkyvy teploty i její dlouhodobé změny. Přízemní stanice poskytují vstupy pro výpočet globální teploty u povrchu a denní teplotní charakteristiky pro sledování vln veder. K oblastnímu výsledku se dostaneme spojením více stanic. Každé měření při něm přispívá podle toho, jakou část území zastupuje. (Morice a kol., metody)(Menne a kol.: denní teplotní data)
Teplotu potřebujeme i při určování dalších veličin. Pomáhá například převést relativní vlhkost na množství vodní páry, jak vysvětluje článek o vlhkosti atmosféry. Teplotu vzorku používáme také při stanovení a přepočtu pH v měřeních acidifikace oceánu. (NIST, oddíl 3)(Dickson a kol., kapitola 2 a SOP 6)
Pro měření ve výšce vynáší balón radiosondu. Ta během výstupu zaznamenává teplotu v různých výškách a vytváří teplotní profil atmosféry. Tato měření slouží také ke sledování teploty stratosféry. Platinové odporové čidlo používá například radiosonda Vaisala RS41, popsaná v kapitole 2 technické dokumentace.
Termistory a další provedení
Termistor určuje teplotu stejným postupem: převezme ji z prostředí, elektronika změří jeho odpor a z kalibračního vztahu vypočítá teplotu. Čidlo je ale z jiného materiálu. Pro přesná měření se často používá polovodičová keramika. Při oteplení v ní přibývá pohyblivých nosičů elektrického náboje, tedy částic, které mohou přenášet proud. Proud díky tomu prochází snáze a odpor klesá. (BIPM, princip termistoru)
Směr změny odporu rozlišuje různé typy termistorů. Čidla, jejichž odpor při oteplení klesá, nesou označení NTC, z anglického negative temperature coefficient, česky záporný teplotní součinitel. Existují také termistory s rostoucím odporem. Zde popisujeme převod pro typ NTC, kterému se věnuje příručka Whitea a spoluautorů pro BIPM.
U termistoru závisí velikost změny odporu výrazně na tom, v jaké části teplotního rozsahu měříme. Stejné oteplení proto může vyvolat různě velkou změnu odporu. Kalibrační křivka je silně zakřivená a pro její popis se používá jiný vztah než u platiny. (BIPM, kalibrační vztahy)
Jedním z používaných převodů je Steinhartova–Hartova rovnice. Ze změřeného odporu počítá teplotu vyjádřenou v kelvinech, kterou označíme T. Kelvinová stupnice má stejně velké dílky jako Celsiova, její počátek je však posunutý. Od hodnoty v kelvinech odečteme 273,15 a dostaneme teplotu ve stupních Celsia.
Rovnice pracuje s přirozeným logaritmem, označeným ln. Když vstupní číslo opakovaně násobíme stejným číslem větším než jedna, jeho logaritmus se pokaždé zvětší o stejný přírůstek. V našem výpočtu je vstupem číselná hodnota odporu v ohmech, zapsaná jako . Písmeno R označuje odpor. Vydělením jedním ohmem získáme číslo bez jednotky.
Koeficienty a, b a c určíme při kalibraci. V tomto zápisu mají jednotku K⁻¹. Rovnice sčítá konstantu a, člen s logaritmem a člen s jeho třetí mocninou. Nastavením koeficientů přizpůsobíme jejich společný průběh naměřeným kalibračním bodům. Jde tedy opět o empirický převod. (BIPM, Steinhartova–Hartova rovnice)
Po dosazení odporu získáme na pravé straně převrácenou hodnotu teploty, tedy . Vydělením jedničky touto hodnotou dostaneme T v kelvinech. Nakonec odečteme 273,15 pro výsledek ve stupních Celsia. Měření odporu tak i u termistoru končí teplotou čidla.
Platinové čidlo
Odpor s teplotou roste. Vhodné provedení nabízí stabilní vztah mezi odporem a teplotou a dobře popsanou kalibraci.
Vedle Pt100 s jmenovitými 100 Ω při 0 °C se používá Pt1000 s jmenovitými 1 000 Ω při 0 °C. (BIPM, kapitola 2)
NTC termistor
Velká změna odporu vzhledem k jeho výchozí hodnotě usnadňuje rozlišení malých změn teploty. Drobný prvek může rychle reagovat, rychlost celé sondy ovlivňuje také její pouzdro.
Kalibrace popisuje průběh závislosti v používaném rozsahu. Jmenovitý údaj, například 10 kΩ při 25 °C, určuje odpor při jediné teplotě. (BIPM, konstrukce a charakteristiky čidel)
Pro měření ve vodě a půdě se konstrukce sondy přizpůsobuje danému prostředí. Princip zůstává stejný: výměna tepla propojí teplotu okolí s teplotou čidla. (BIPM, oddíly 2.5 a 4.3)
V oceánu měří termistory například v sondách autonomních plováků Argo. Teplotní profily spolu s tlakem a slaností vstupují do výpočtu obsahu tepla v oceánu a do odhadu části změny hladiny moře způsobené oteplováním vody. Teploměr v těchto výpočtech poskytuje teplotu. Energie nebo změna objemu vody se z ní a z dalších údajů teprve odvozují. Naměřené profily zpřístupňují datová centra Argo. Jak soubory číst a vybírat kvalitní údaje, vysvětluje dokumentace profilů Argo. (Sea-Bird: SBE 41)
Termistory mohou dlouhodobě měřit i teplotu v různých hloubkách půdy a hornin. Clowův popis měření v aljašských vrtech dokládá jejich kalibraci pro sledování permafrostu. Využití těchto teplotních profilů vysvětlujeme u sněhové pokrývky a permafrostu.
Další zapojení pro měření odporu
Elektronika může odpor zjistit také porovnáním se známým odporem referenčního rezistoru. To je součástka, jejíž odpor slouží jako srovnávací hodnota. Čidlem i rezistorem necháme procházet stejný proud a změříme napětí na obou. Podle Ohmova zákona se při stejném proudu poměr napětí rovná poměru odporů. Ze známého referenčního odporu a tohoto poměru získáme odpor čidla. (BIPM, oddíl 4.4.3)
Jinou variantou je připojení čidla třemi vodiči. Vliv přívodů se v něm vyrovnává za předpokladu, že odpory příslušných vodičů jsou dostatečně shodné. Čtyřvodičové zapojení vysvětlené výše naproti tomu odděluje vodiče přivádějící proud od vodičů snímajících napětí. Obě zapojení a další způsoby měření popisuje příručka BIPM, oddíl 4.4.
Jak se metoda rozvíjela
Rané využití teplotní závislosti odporu kovů dokládá Siemensův rukopis z roku 1871. Popisuje princip i teploměry určené mimo jiné k měření v pecích. Archiv Royal Society jej zpřístupňuje v úplných digitálních snímcích a označuje za rukopis, který tehdy nebyl vydán v plném znění.
S rozvojem přesných teploměrů se zkoumalo také to, jak se různé přístroje shodují mezi kalibračními body. Hoge a Brickwedde (1942) zkalibrovali a porovnali osm platinových teploměrů mezi −190 a +445 °C. Po omezení vlivu vzájemných kalibračních odchylek se sedm z nich mezi 0 a 100 °C lišilo nanejvýš o 0,0013 °C. Osmý vykazoval odlišné chování. Porovnání ukázalo, jak konstrukce konkrétních čidel ovlivňuje jejich shodu i mimo body, podle kterých byla zkalibrována.
Automatické odečítání a přenos dat rozšířily měření do míst a časů, které nebylo možné soustavně pokrýt ručně. Síť USCRN, uvedená do provozu v roce 2004, propojila souběžné sondy, pravidelnou údržbu a dokumentaci stanovišť. Malé stabilní termistory zase umožnily opakované teplotní profily autonomních plováků. Výrobce přístroje Sea-Bird SBE 41, používaného pro Argo, datuje jeho vývoj do roku 1997.
Nejistoty a ověření měření
Výsledek ovlivňuje kalibrace, změny čidla a výměna tepla s okolím. Sonda může za teplotou vzduchu zaostávat nebo ji ohřívá slunce či měřicí proud. V terénním pokusu u Lincolnu se první sonda USCRN v lednu 2003 lišila od dvou srovnávacích přístrojů v měsíčním průměru o +0,07 °C a −0,02 °C. Tyto rozdíly patří danému porovnání. Nejistotu jednotlivého údaje je třeba posoudit podle konkrétního měření.
Podrobnosti nejistot a ověření
Výměna tepla s okolím
Sonda se nové teplotě přizpůsobuje postupně. Při rychlé změně proto za okolím zaostává, což ovlivňuje zejména měření během výstupu radiosondy nebo pohybu sondy vodou. Odezva závisí na pouzdře a prostředí. U radiosondy RS41 se opravuje také ohřev sluncem, jak popisuje technická dokumentace Vaisaly.
Čidlo zahřívá i měřicí proud. Tento samohřev závisí na elektrickém výkonu , kde P je výkon ve wattech, I proud v ampérech a R odpor v ohmech. Druhá mocnina znamená proud vynásobený sebou samým. Oteplení závisí také na odvodu tepla do okolí. Samohřev zkoušíme změnou proudu při ustálené teplotě. (BIPM, oddíl 4.1)
Venku působí také záření, proudění vzduchu a smáčení sondy. Kontrolujeme proto celou sestavu včetně krytu, ventilátoru a přívodů. Zkoušky odezvy, samohřevu a vedení tepla podél sondy shrnuje příručka BIPM.
Kalibrace a její stálost
Stárnutí, namáhání nebo znečištění může změnit vztah odporu a teploty. Posun zjistíme opakováním měření při známé teplotě. USCRN při každoroční údržbě vyměňuje jednu ze tří sond za nedávno kalibrovanou. Připojením známého rezistoru samostatně prověříme elektroniku. Výměnu tepla s okolím tato zkouška neposoudí.
K nejistotě kalibrace přispívá referenční teploměr, podmínky lázně, měření odporu a opakovatelnost čidla. Pro nezávislé ověření převodní křivky potřebujeme další měření v používaném rozsahu, také mezi kalibračními body. Shoda s body použitými k sestavení křivky sama celkovou nejistotu neurčuje. (BIPM, oddíl 5.3)
Použitelný rozsah určuje konstrukce sondy a její kalibrace. U termistoru může být pro větší rozsah nebo menší nejistotu potřeba převodní rovnice s více členy. Koeficienty vždy odpovídají konkrétnímu zápisu rovnice a jednotkám. Záměna ohmů za kiloohmy proto vyžaduje také jejich přepočet. (BIPM, kalibrační vztahy)
Porovnání přístrojů v terénu
Hubbard, Lin a Baker (2004) porovnávali u Lincolnu v Nebrasce dvě sestavy USCRN se samostatně kalibrovanými přístroji R. M. Young a Precision Meteorological Thermometer (PMT). Pokus trval od listopadu 2002 do října 2003. Za 744 hodin ledna 2003 ukazovala první sonda USCRN v průměru o 0,07 °C více než R. M. Young a o 0,02 °C méně než PMT.
Směrodatné odchylky těchto rozdílů byly 0,09 °C a 0,04 °C. Popisují kolísání hodinových rozdílů kolem měsíčního průměru. Porovnání využilo nová terénní měření, nezahrnutá do kalibrace. Přístroje však sdílely místo a počasí a jejich odezva na oslunění se lišila. Výsledky proto patří tomuto pokusu. Společný vliv prostředí může porovnání přehlédnout. Obdobně tři sondy USCRN pomáhají zachytit jednotlivou závadu a překlenout výpadek, ale sdílejí typ přístroje i zpracování. (Hubbard a kol., výsledky porovnání)
Rozlišení a přesnost
Rozlišení říká, jak malou změnu přístroj rozezná. Nejistota vyjadřuje, jak přesně známe výsledek měření. Pětiminutová data USCRN se zapisují po 0,1 °C. Požadavky sítě stanovují přesnost ±0,3 °C mezi −50 a +50 °C a ±0,6 °C v pásmech −60 až −50 °C a +50 až +60 °C. Nejde o nejistotu každého zveřejněného údaje.
Sea-Bird SBE 41/41CP Deep má podle technického listu z roku 2026 rozsah −5 až +35 °C, počáteční přesnost ±0,002 °C a rozlišení 0,0001 °C. Parametry platí pro tento model a podmínky specifikace.
Průměrování a dlouhodobé záznamy
Společný kalibrační posun se přenese i do průměru. Kolísání vstupních teplot navíc zahrnuje skutečné změny počasí a souvislost sousedních intervalů, takže samo neurčuje nejistotu průměru. Zaokrouhlení všech vstupů na nejbližší desetinu stupně může průměr posunout až o 0,05 °C.
Oblastní teplotu získáváme propojením více stanic podle zastoupené plochy. Změny přístrojů či okolí mohou vytvořit skok v dlouhodobém záznamu. Jeho rozpoznání a úpravě se věnuje kontrola kvality a homogenizace. (Morice a kol., metody)
Příklady převodu a výpočtu
Následující výpočty ukazují dvě různé části postupu. Nejprve převedeme elektrický odpor na teplotu. Potom ze zveřejněných pětiminutových teplot vypočítáme průměr jedné hodiny. Laboratorní čidlo a stanice Blue Hill jsou dva samostatné příklady.
Ilustrační signál platinového čidla
Než použijeme skutečné měření, ukážeme si velikost elektrického signálu na vytvořených hodnotách. Pro jmenovitou křivku Pt100 uvádí OIML R 84, příloha A odpor při 0 °C a koeficienty a . Dosazením teploty 20 °C do platinové rovnice dostaneme odpor 107,7935 Ω. Při proudu 1 mA, tedy 0,001 A, by tomuto odporu odpovídalo napětí 0,1077935 V.
Při měření bychom postupovali opačně. Napětí 0,1077935 V vydělíme známým proudem 0,001 A a získáme odpor 107,7935 Ω. V převodní rovnici pak hledáme teplotu, které tento odpor odpovídá. Pro uvedenou jmenovitou křivku vyjde 20 °C. Tento výpočet ilustruje princip. Skutečné kalibrační měření použijeme v další ukázce.
Laboratorní měření: převod odporu na teplotu
Příručka BIPM, verze z 22. listopadu 2021, tabulka 5.3.1, zveřejňuje kalibraci jednoho Pt100. Obsahuje deset odečtů při sedmi různých teplotách od přibližně −40 do 155 °C, s opakovanými návraty k trojnému bodu vody. Teploty lázní byly určeny porovnáním se dvěma kalibrovanými etalonovými teploměry.
Použijeme pátý bod tabulky. Naměřený odpor je 111,54535 Ω a referenční teplota 29,8655 °C. Autoři z kalibračních dvojic určili převodní polynom metodou nejmenších čtverců, kterou jsme vysvětlili výše. Na straně 54 uvádějí jeho přibližné koeficienty:
Malé r je číselná hodnota odporu v ohmech, tedy odpor vydělený jedním ohmem. Výrazy a jsou jeho druhá a třetí mocnina. Levá strana, teplota t vydělená stupněm Celsia, vyjadřuje číselnou hodnotu teploty ve °C. Do rovnice tedy dosadíme , vypočítáme jednotlivé členy a sečteme je.
Výsledkem je přibližně 29,8627 °C. Proti referenčním 29,8655 °C je vypočtená teplota o 0,0028 °C nižší. Tím jsme ověřili dosazení do převodní rovnice a zjistili, jak vystihuje tento kalibrační bod. Protože bod vstoupil už do určení křivky, porovnání hodnotí shodu s kalibračními daty.
Tabulka příručky uvádí vypočtenou teplotu 29,8631 °C. Drobný rozdíl vzniká tím, že používáme zaokrouhlené koeficienty vytištěné v příručce. Výsledek s těmito koeficienty lze zopakovat skriptem připojeným na konci příkladů. Převod patří tomuto laboratornímu čidlu. (BIPM, oddíl 5.3.1)
Blue Hill: průměrná teplota jedné hodiny
Druhý skutečný příklad začíná u hotových pětiminutových teplot. Veřejný soubor obsahuje zpracované výsledky. Napětí, odpory a kalibrační koeficienty sond ani všechny vstupy jejich vzájemného porovnání v něm zveřejněné nejsou. Z těchto podkladů tedy můžeme zopakovat navazující výpočet hodinového průměru.
Vybereme stanici MA Blue Hill 0 W a 1. leden 2025 mezi 00:00 a 01:00 místního standardního času, označovaného LST. Ten je zde pět hodin za světovým časem UTC. Pracujeme s teplotou této stanice během jedné hodiny.
Vstupem je sloupec AIR_TEMPERATURE v pětiminutovém souboru NOAA pro Blue Hill, staženém 4. října 2026. Protože časová značka označuje konec intervalu, první potřebný řádek má čas 00:05. Jeho 5,1 °C zastupuje pět minut od 00:00 do 00:05. Následuje dalších jedenáct stejně dlouhých intervalů až do 01:00.
| Konec intervalu, LST | Teplota (°C) |
|---|---|
| 00:05 | 5,1 |
| 00:10 | 5,5 |
| 00:15 | 5,6 |
| 00:20 | 5,4 |
| 00:25 | 5,4 |
| 00:30 | 5,2 |
| 00:35 | 5,2 |
| 00:40 | 5,3 |
| 00:45 | 5,4 |
| 00:50 | 5,5 |
| 00:55 | 5,6 |
| 01:00 | 5,7 |
Máme všech dvanáct navazujících intervalů vybrané hodiny, každý právě jednou. Součet jejich teplot je 64,9 °C. Všechny intervaly trvají stejně dlouho, a mají proto stejnou váhu. Součet vydělíme dvanácti:
Symbol opět označuje průměrnou teplotu. Po zaokrouhlení na desetinu stupně dostáváme 5,4 °C. Stejnou hodnotu najdeme ve sloupci T_HR_AVG v hodinovém souboru NOAA u záznamu končícího v 06:00 UTC, tedy v 01:00 LST. Výpočet tak souhlasí se zveřejněným hodinovým průměrem.
Vedlejší sloupec T_CALC obsahuje 5,7 °C. To je teplota posledních pěti minut hodiny, shodná s posledním řádkem tabulky. Průměr 5,4 °C shrnuje celou hodinu, údaj 5,7 °C její závěr. Význam obou sloupců rozlišuje dokumentace Hourly02 z 6. července 2017.
Z veřejných pětiminutových teplot jsme tak získali hodinový průměr a porovnali jej s hodnotou zveřejněnou NOAA. Shoda potvrzuje tento krok zpracování týchž měření při rozlišení dostupných dat. Oba výsledky vycházejí ze stejných vstupů, takže porovnání neověřuje nezávisle kalibraci sond.
Podklady k příkladům, data a výpočet ke stažení
Kalibrační hodnoty a koeficienty
Pro ilustrační Pt100 jsou uvedené koeficienty parametry jmenovité křivky. Pro její část pod bodem mrazu je koeficient C roven −4,183 × 10⁻¹² °C⁻⁴. Kalibrace konkrétního čidla může vést k jiným koeficientům nebo jinému převodnímu vztahu. Koeficienty skutečného laboratorního příkladu pocházejí z rovnice 5.2.1 příručky BIPM. Nepatří sondám stanice Blue Hill ani libovolnému jinému Pt100.
Tabulka 5.3.1 příručky BIPM obsahuje také opakované návraty na referenčních 0,0100 °C. Při prvním byl odpor 99,96530 Ω, při posledním 99,96272 Ω. Tyto údaje slouží k posouzení opakovatelnosti čidla.
Samohřev v ilustračním výpočtu
Samohřev můžeme vyčíslit pro ilustrační čidlo Pt100 z první ukázky. Pt100 při 0 °C a proudu 1 mA uvolňuje podle vztahu výkon 0,0001 W, tedy 100 mikrowattů. P zde označuje výkon, I proud a R odpor. K převodu tohoto výkonu na oteplení čidla bychom potřebovali znát odvod tepla v daném prostředí.
Přesný výběr dat Blue Hill
Stanice má identifikátor WBAN 94785 a leží na souřadnicích 42,21° severní šířky a 71,11° západní délky. Vstupní soubor se jmenuje CRNS0101-05-2025-MA_Blue_Hill_0_W.txt. Teplota je v devátém sloupci. Konce vybraných intervalů od 00:05 do 01:00 LST odpovídají 05:05 až 06:00 UTC.
Záznamy uvádějí CRX_VN = 2.623, verzi programu záznamníku na stanici. Tento údaj neoznačuje všechny následné úpravy v archivu. Uchováváme původní vybrané řádky, datum stažení a kontrolní součty vybraných i celých ročních souborů. Značka −9999,0 znamená chybějící údaj a při výpočtu se nesmí použít jako teplota. Tyto soubory neobsahují úplný rozpočet nejistoty hodiny, který by zahrnoval i zbývající vliv záření.
Proč se teplotní extrémy počítají jinak
Pro hodinová a denní minima a maxima používá USCRN podle popisu měření také pětiminutové časové okno posouvané po deseti sekundách. Okno tak může zachytit nejchladnější nebo nejteplejší část hodiny v jiném úseku než pevné intervaly veřejného souboru. Výběrem nejnižší a nejvyšší hodnoty z naší tabulky bychom tento postup nezopakovali. V příkladu jsme počítali pouze hodinový průměr.
Opakování výpočtu
Uložte následující čtyři soubory do jedné složky. V prostředí Node.js 22 nebo novějším spusťte node reproduce.mjs. Skript nepotřebuje další knihovny ani síť. Zkontroluje původní řádky a vypočítá hodinový průměr i laboratorní převod odporu.
- Dvanáct původních pětiminutových řádků
- Původní hodinový řádek pro porovnání
- Zdroje, výběr, koeficienty a kontrolní součty
- Skript reproduce.mjs
Po stažení celých ročních souborů od NOAA lze skriptu předat jejich cesty, nejprve pětiminutový a potom hodinový soubor. Vybere stejné intervaly. Chybějící, duplicitní nebo jinak časově zařazený vstup odmítne. Tento výpočet je určený pro vybranou úplnou hodinu. Obecný algoritmus NOAA pro hodiny s neúplnými daty neprovádí.
Shrnutí
Elektrický odpor čidla se mění s teplotou. Kalibrace určí vztah mezi odporem a teplotou a umožní převádět elektrický signál na stupně Celsia. Platinová čidla a termistory tak poskytují opakovatelná měření, která lze spojovat do dlouhodobých záznamů.
Odporová termometrie umožňuje měřit teplotu vzduchu, vody, půdy, sněhu i ledu a průběžně sledovat její změny. Různá provedení průmyslových platinových čidel pokrývají teploty od −200 do +850 °C. V klimatologii tak slouží pozemním stanicím, oceánským sondám i měření promrzající půdy. (BIPM, 2021: platinové odporové teploměry)
Zdroje a podklady k ověření
Odkazy v textu vedou na bibliografické karty s veřejnými plnými texty nebo daty. Pro kontrolu převodu odporu jsou rozhodující příloha A doporučení OIML a tabulka 5.3.1 s rovnicí 5.2.1 v příručce BIPM. Výběr teploty USCRN popisuje příloha práce Diamonda a spoluautorů, terénní porovnání tabulka 1 příspěvku Hubbarda a spoluautorů. U příkladu Blue Hill jsou ke stažení použité řádky, jejich původ a výpočet. Plné texty, odkazy a oba roční soubory NOAA byly znovu ověřeny 5. listopadu 2026. Vstupy příkladu zůstávají v podobě převzaté 4. října 2026.