Teorie měření a regulace

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace měření teploty SP-t.1. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 Další pokračování o principech měření TEPLOTA

3 Teplota je jednou z nejdůležitějších fyzikálních veličin (a v existujících přírodních ba i vesmírných funkcích nezastupitelnou) ovlivňujících všechny stavy a procesy v přírodě. Teplota je charakteristika tepelného stavu hmoty. Teplota souvisí s kinetickou energií částic látky. Název odvozen z latinského slova "temperatura = "příjemný pocit".

4 V obecném významu je to vlastnost předmětů a okolí, kterou je člověk schopen vnímat a přiřadit jí pocity studeného, teplého či horkého. V přírodních a technických vědách a jejich aplikacích je to skalární intenzivní veličina, která je vzhledem ke svému pravděpodobnostnímu charakteru vhodná i k popisu stavu ustálených makroskopických systémů.

5 Teplota jako pojem byla primárně zavedena pro podnět či příčinu určitého druhu smyslových pocitů a podráždění - potřeba popsat lépe tyto pocity vedla k definici pojmů a principů, tj. ke kvantifikaci a měření teploty. Již ve starověku Hérón Alexandrijský popsal vzduchový termoskop, který je nejstarším doloženým přístrojem k hodnocení tepelných stavů.

6 Již od pradávna byly pozorovány a popsány stavy a reakce, kdy změna (zvýšení či snížení) teploty působí změnu rozměrů, tvaru nebo skupenství předmětů a látek, nebo jejich substancí na každou materii působí trochu jinak (co do velikosti vlivu i následků). Využití vedlo k situaci, že pomocí viditelných projevů výše zmíněných principů byla indikována velikost teploty a bylo tedy možno začít teplotu měřit.

7 Při měření teploty se měří obecně jiná veličina A, která je na teplotě závislá podle definovaného vztahu platného pro statické i dynamické stavy A = f (A) který lze pro definovaný funkční vztah následně číselně vyjádřit. Pozn.: využití jiných veličin ukazuje jedna z dále uvedených tabulek

8 Pro praxi je důležité správné rozhodnutí : o výběru principu a konstrukce teploměru o výběru (spíše o určení ) vlastností teploměru o výběru parametrů daného provedení měřicího zařízení teploty o vhodném umístění zabudování teploměrného snímače o eliminaci nebo potlačení rušivých vlivů na údaj snímače.

9 Pro zjištění informace o hodnotě teploty v daném místě a daném časovém okamžiku existují prvky, které lze charakterizovat aktuálním účelem například takto měření teploty snímače teploty zařazení snímače teploty do technologie zapojení snímačů teploty v měřicích řetězcích měření odběru tepla atd.

10 Protože dlouholetým vývojem vznikla řada konstrukcí a uspořádání, je vhodné přijmout určité rozdělení, které může být třeba podle konstrukce, podle materiálu čidla, podle charakteru výstupního signálu, a případně podle jiných kriterií: A mechanické dilatační odporové termoelektrické emisivní radiační speciální

11 Jiné dělení: dotykové bezdotykové analogový výstup digitální (číslicový) výstup.

12 Jiné dělení: pro sólo měření pro měření v řetězci přístrojů pro měření k automatizačním účelům pro měření a sběr dat v rámci měřicí ústředny.

13 Teplotní stupnice Snaha definovat primární etalonovou stupnici teplot, ze které by bylo možné odvozovat konkrétní praktické hodnoty, je velice stará. Bylo to dáno tím, že teplota byla jednou z mála fyzikálních veličin, které zajímaly již velmi (prehistoricky) staré chemiky (přesněji alchymisty). Oheň byl jejich základní pomůckou a prostředníkem, a protože mnohé své pokusy nebo předváděné triky potřebovali co nejpřesněji zopakovat, potřebovali znát teplotní údaj odtud tedy snaha naučit se měřit (zjišťovat) a znát hodnotu teploty.

14 Teplotní stupnice V historii kolem roku 1600 je zaznamenána první snaha stanovit cejchovní zdroje teplot, které jsou stálé a neměné to znamenalo snahu vytvořit standardy A pro cejchování a kontrolu. Zapsána je snaha K. Schotta z cca roku Nevýhodou historického vývoje byl postupný vznik různých praktických stupnic a jednotek.. viz dodnes používané (v americké oblasti) stupně Farenheita, jsou toho dokladem. V roce 1848 William Thomson (lord Kelvin of Largs) navrhnul termodynamickou teplotní stupnici.

15 Teplotní stupnice Dnešní primární etalonová stupnice teplot je dána tabulkou prvků s teplotně konstantními údaji. Je mezinárodně platná a respektovaná. V současnosti platí její úprava pod zkratkou ITS-90 (z roku 1990). Jsou v ní definované body od 0 (0,5) o K do teoreticky daných 6000 o K praktický rozsah ITS je vymezen teplotou bodu varu kyslíku 182,962 C a teplotou bodu tuhnutí wolframu C.

16 Hodnoty teplotní stupnice Vybraní reprezentanti bodů (představují významnou změnu skupenství daného prvku) teplotní stupnice: Teplotní etalony vodík -259,3467 o K síra +717,75 o K kyslík -218,7916 o K zlato +791,27 o K rtuť -38,8344 o K kobalt o K indium +156,5985 o K iridium o K zinek +419,527 o K wolfram o K hliník +660,323 o K

17 Symbol veličiny: t nebo T (z angl./latin. temperature) případně υ nebo Θ. Základní jednotka v SI: kelvin. Značka jednotky: K nebo pouze K (stupeň Kelvina). Vedlejší jednotka: C (stupeň Celsia). Anglosaská jednotka: Farenheit F.

18 ABSOLUTNÍ NULA je definována okamžikem, kdy ustává veškerý molekulární pohyb je to hypotetický stav látky, ve které se zastaví veškerý tepelný pohyb částic je to počátek stupnice absolutní teploty a je označením i pro termodynamickou teplotu. Termodynamická teplota (též absolutní teplota nebo zkráceně teplota) je fyzikální stavová veličina, která vyjadřuje stav termodynamické rovnováhy tělesa. Třetí věta termodynamická tvrdí, že absolutní nuly nelze nikdy zcela dosáhnout, tj. absolutní nula je jen teoretická teplota - lze se k ní ovšem limitně přiblížit velice blízko.

19 Absolutní nula byla poprvé navržena Guillaumem Amontonsem v roce 1702, který zkoumal vztah mezi tlakem a teplotou v plynech. Třetí věta termodynamická tvrdí, že absolutní nuly nelze nikdy zcela dosáhnout - lze se k ní ovšem limitně přiblížit velice blízko.

20 Absolutní nula je rovna -273,16 (-273,15) C nebo -459,7 F. Teplotu absolutní nuly, tj. 0 o K nebo -273,16 o C (zaokrouhleno) nelze dosáhnout, protože při ní ustává pohyb v atomech a tedy existence hmoty i bytí = absolutní nula je jen teoretická teplota. Z dalších důležitých údajů je to tzv. Planckova teplota její aktuální hodnota podle CODATA je TP = 1, (71) K

21 ABSOLUTNÍ NULA Údaj se vyjadřuje: slovy: nula Kelvina - nula Rankies označení: 0 ºK nebo 0 K nebo 0 ºR Hodnota ABSOLUTNÍ NULY je: T = 0 K, tj. -273,15 C nebo -459,7 ºF teplota TROJNÉHO BODU VODY T = 273,15 K, tj 0,01 C při tlaku 611,7 Pa

22 Trojný bod udává teplotu a tlak, při kterých existuje rovnovážný stav mezi všemi třemi skupenstvími současně, tedy mezi pevnou látkou, kapalinou a plynem. Je to je fyzikální pojem označující bod ve fázovém diagramu. Na fázovém diagramu je určen jako průsečík křivky tání, křivky nasycených par a sublimační křivky.

23 Příklad trojného bodu na fázovém diagramu I - pevná fáze II - kapalná fáze III - plynná fáze a - křivka tání b - křivka sublimace c - křivka odpařování T - trojný vod K - kritický bod

24 ABSOLUTNÍ NULA Physical Review Letters - 20 January 1992 P. J. Hakonen, K. K. Nummila, R. T. Vuorinen, and O. V. Lounasmaa Finští vědci provedli náhlou změnou magnetického pole pasti, která dovedla jádra atomů stříbra do stavu s celkovou entropií pod bodem absolutní nuly bylo to způsobeno antiferomagnetickou Rudermana-Kittel interakcí dosažena teplota 1,9 nk. V roce 1994 naměřili finští fyzici při laboratorních pokusech hodnotu pouhých (ale nebyla oficiálně uznána.): 280 pk = 0, K.

25 ABSOLUTNÍ NULA V roce 1999 bylo dosaženo teploty pouhých 100 pk = K, a to v systému jaderných spinů v kovovém rhodiu. V roce 2003 kolektiv vědců z Massachusettského techno-logického institutu v Cambridge (A.E. Leanhardt, T.A. Pasquini, M. Saba, A. Schirotzek, Y. Shin, D. Kielpinski, D.E. Pritchard a W. Ketterle) dosáhli do té doby nejnižší mechanicky dosažené teploty 450 pikokelvinů = 0, K

26 ABSOLUTNÍ NULA Leden teplota je veličinou vypovídající o průměrné energii jednotlivých částic v daném systému. Absolutní nula znamená stav, v němž by mikroskopické stavební kameny vesmíru neměly žádnou energii a jejich pohyb by ustal. Týmu Stefana Brauna z Mnichovské univerzity se podle studie v časopisech Nature a Science podařilo překročit tuto hranici, byť jen o malý kousek Náhle jsme změnili atomy z jejich nejstabilnějšího stavu s nízkou energií do stavu s největší možnou energií.

27 Konverze hodnot změn teplot, značená "delta" (Δ), mezi anglickým a metrickým systémem, je jednoduchá: Δ T [Fahrenheit (nebo Rankies)] = = 1.8 * Δ T [Celsius (nebo Kelvin)] nebo také = 9/5 * Δ T Na hodnotu teploty má vliv hodnota tlaku v místě měření - pro používanou Celsiovu stupnici platí tlak 760 torrů.

28 Číselné vztahy mezi jednotlivými jednotkami jsou: T [Celsius] = 5/9 ( T [Fahrenheit] - 32) = (F 32) / 1,8 T [Fahrenheit] = 9/5 ( T [Celsius] + 32) = (1,8 * C) º C = 32º F 100º C = 212º F T [Kelvin] = T [Celsius] + 273,16 T [Rankies] = T [Fahrenheit] + 459,7

29 0 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Číselné vztahy mezi jednotlivými jednotkami jsou: 0 K = 273,15 C 0 C = +273,15 K 100 C = +373,15 K 0 K = 0 R 273,15 K = 491,67 R 373,15 K = 671,67 R 0 K = 427,67 F 255,37 K = 0 F 273,15 K = 32 F 373,15 K = 212 F

30 , převodní vztahy do \ z Kelvinova Celsiova Fahrenheitova Rankinova Kelvinova T/K = T/K = t/ C + 273,15 = (t/ F + 459,67) 5/9 = T/ Ra 5/9 Celsiova t/ C = T/K 273,15 = t/ C = (t/ F 32) * 5/9 = T/ Ra * 5/9 273,15 Fahrenheitova t/ F = T/K * 1,8 459,67 = t/ C 1, = t/ F = T/ Ra 459,67 Rankinova T/ Ra = T/K * 1,8 = t/ C 1, ,67 = t/ F + 459,67 = T/ Ra Zdroj: Wikipwdia.cz

31 Měření fyzikálních veličin definice teplotních stupnic Stupnice Kelvinova (absolutní, termodynamická) Celsiova Fahrenheitova Jednotka kelvin stupeň Celsia stupeň Fahrenheita značka K C F dolní referenční teplota T0 Tt(H2O) T(chlad.)*** hodnota = 0 K = 0 C ** = 0 F horní referenční teplota Ttr(H2O) Tv(H2O) Ttěl*** hodnota = 273,16 K * = 100 C ** = 96 F navrhl W. Thomson, lord Kelvin Anders Celsius Gabriel Fahrenheit rok vzniku oblast rozšíření celý svět celý svět USA Zdroj: Wikipwdia.cz

32 Měření fyzikálních veličin definice teplotních stupnic Stupnice Rankinova Delisleova Newtonova Jednotka stupeň Rankina stupeň Delisla stupeň Newtona značka Ra, R De, D N dolní referenční teplota T0 Tt(H2O) Tt(H2O) hodnota = 0 Ra = 150 De = 0 N horní referenční teplota 1 Ra 1 F Tv(H2O) Tv(H2O) hodnota = 0 De = 33 N navrhl William Rankine J.-N. Delisle Isaac Newton rok vzniku oblast rozšíření USA Rusko (19. stol.) Zdroj: Wikipwdia.cz

33 Měření fyzikálních veličin definice teplotních stupnic Stupnice Réaumurova Rømerova Jednotka stupeň Réaumura stupeň Rømera značka Ré, Re, R Rø dolní referenční teplota Tt(H2O) Tt(sol.)**** hodnota = 0 Ré = 0 Rø horní referenční teplota Tv(H2O) Tv(H2O) hodnota = 80 Ré = 60 Rø navrhl R.-A. Ferchault de Réaumur Ole Rømer rok vzniku oblast rozšíření Záp. Evropa do konce 19. stol. Zdroj: Wikipwdia.cz

34 Měření fyzikálních veličin vybrané hodnoty teploty Teplota \ Stupnice Kelvinova Celsiova Fahrenheitova Jednotka kelvin stupeň Celsia stupeň Fahrenheita značka K C F absolutní nula 0 273,15 459,67 Nejnižší zaznamenaná teplota na Zemi (Vostok, Antarktida července 1983) ,2 Fahrenheitova směs ledu a soli 255,37 17,78 0 Tání ledu (při běžném tlaku) 273, Průměrná teplota povrchu Země Průměrná teplota lidského těla 309,95 36,8 98,24 Nejvyšší zaznamenaná teplota na Zemi (El Azizia, Libye září 1922) ,4 Var vody (při běžném tlaku) 373,13 99,98 211,97 Tání titanu Povrch Slunce Zdroj: Wikipwdia.cz

35 Měření teploty Teplota je stavová veličina s rozlišením intenzity a intervalu v podstatě je mírou pohybové energie molekul, atomů, A základním vztahem je proto stavová rovnice ideálního plynu: p * V = R p * T kde: p tlak plynu V objem R p universální plynová konstanta (8,3144 [J/mol * o K]) T absolutní teplota -273,15 o C.

36 Měření teploty V praxi se jako další etalony teploty používají mimo standardních bodů teplotní stupnice následující hodnoty teplot: : trojný bod vody var vody tuhnutí antimonu tuhnutí stříbra tuhnutí zlata tuhnutí paladia tuhnutí platiny ±0 o C +100 o C +630,74 o C +931,93 o C +1064,43 o C o C o C

37 co název Absolutní nula Nejnižší změřená teplota Trojný bod vody Viditelný povrch slunce Jádro slunce Termonukleární výbuch Teplota jádra bortící se hvězdy (poslední den) Neutronová hvězda Výbuch Gamma záření Teplota jádra při srážce neutronů - CERN Vesmír sec po Velkém třesku Planckova frekvence hodnota [kelvin] 0 K 450 pk (piko) K K K K 3 GK 350 GK 1 TK (terra) 10 TK K

38 Snímače teploty V praxi se používá mnoho snímačů teploty různých konstrukcí a různých způsobů unifikace signálu, na které se vztahují ČSN IEC 751, ČSN IEC 584 a další. Protože snímače teploty nemohou být v praxi umístěny přímo v měřeném prostředí, používají se k jejich ochraně teploměrné jímky nebo ochranné trubky - jsou vyrobeny z kovu (do C), popř. z keramických materiálů (pro beztlaká prostředí) až do C NEVÝHODOU je, že při jejich použití roste nejen nejistota měření, ale zejména tepelná setrvačnost (časová konstanta) snímače.

39 Snímače teploty Vhodné základní dělení snímačů je podle fyzikálního principu a způsobu, v jakém kontaktu je čidlo snímače s měřeným prostředím (tělesem, kapalinou či plynem): dotykové bezdotykové dilatační (plynové, kapalinové, parní a bimetalové = pevná látka) elektrické (kovové, polovodičové, termoelektrické), termoelektrické s čidlem kapkovitým emisivní radiační speciální.

40 Příklady využití jiných fyzikálních veličin druh mechanické provedení rozsah [ o C] plynový v uzavřeném objemu tenzní kapalinový v uzavřeném objemu změna tlaku změna mechanických parametrů (rozměrů) změna tenze par (tlak převedný na změnu mechanických parametrů (rozměrů)) změna objemu změna mechanických parametrů (rozměrů) kovový délková roztažnost

41 Příklady využití jiných fyzikálních veličin druh elektrické termoelektrické odporové - kovové odporové - polovodičové polovodičové diodové a tranzistorové provedení rozsah [ o C] termoelektrické jev ve styku dvou kovů změna elektrického odporu dané látky (až 1 800) změna elektrického odporu polovodičové látky změna prahového napětí na přechodu mezi typy p-n nebo n-p polovodičové látky /obvykle Si)

42 Příklady využití jiných fyzikálních veličin druh speciální teploměrná tělíska teploměrné barvy kapalné krystaly provedení bod tání hmoty (pevné látky přesně daného složení) změna barvy (pevná nátěrová hmota látka přesně daného složení včetně termo-chromních tiskových barev) termocitlivá látka je uzavřena do polymerní mikrokapsle změna orientace (termo-chromní krystaly Si cholesterického typu speciální varianta LCD) rozsah [ o C]

43 Příklady využití jiných fyzikálních veličin druh bezdotykové širokopásmové pyrometry monochromatické pyrometry poměrové pyrometry provedení rozsah [ o C] zachycení veškerého teplotního záření zachycení úzkého svazku záření srovnání dvou svazků teplotního termovize snímání teplotního obrazu tělesa teplotního energetického vyzařování

44 druh provedení rozsah [ o C] obvyklá chyba [%] mechanické dilatační tyčové 0 až až 2 dvojkov -130 až až 3 dvojkov (invar Cu nebo Fe) -30 až tlak (kapalinové) -50 (0) až skleněné rtuťové -50 až +250 (500) 0,02 až 1

45 druh provedení rozsah [ o C] obvyklá chyba [%] elektrické dilatační -270 až až 2 odporové -250 až ,15 až 0,0002 o C termoelektrické -200 až ,5 až 0,4 / 0,25 až 1,5 o C indikátory teploty 0 až

46 druh provedení rozsah [ o C] obvyklá chyba [%] termoelektrické Cu CuNi -200 až ,01 až 3 Fe CuNi -200 až ,01 až 3 Ch k -200 až ,05 až 3 NiCr NiAl -200 až ,1 až 3 Pt10Rh Pt (0) +630 až ,001 až 3 Pt13Rh Pt 0 až až 3 Pt30Rh PtGRt (0) +900 až až 3

47 druh provedení rozsah [ o C] obvyklá chyba [%] odporové Pt až ,01 až 3 Ni -200 až ,05 až 3 NiCrNi -60 až ,01 až 3 Mo -200 až ,01 až 3 termistorové PTC -200 až ,1 až 3 NTC -20 až ,1 až 3

48 druh provedení rozsah [ o C] obvyklá chyba [%] pyrometry jasové +650 až až 35 o K pásmové +500 až až 1,5 radiační +100 až až 5 záření -40 až až 5 barvové porov až až 5 barvové poměr až až 25 o K termovize CCD prvek -20 až až 1,5

49 Speciální teploměry Teploměrná tělíska využívá se keramické hmoty s definovaným bodem měknutí dochází k deformaci teploměrného tělíska ve tvaru šikmého jehlanu Teploměrné barvy na bázi kapalných krystalů (termochromní kapalné krystaly) kapalné krystaly cholesterického typu, u nichž dochází k vratným změnám orientace se změnou teploty na bázi organických molekulárních komplexů dochází ke změně barvy při tzv. teplotě zvratu

50 Speciální teploměry Použití speciálních teploměrů: pro měření povrchové teploty těles k přípravě termochromních tiskových barev např. pro etikety (termocitlivá látka je uzavřena do polymerní mikrokapsle) pro jednorázové změření teploty nejsou vhodné jako čidla regulátorů v řídicích obvodech.

51 Speciální teploměry vratná změna barvy při překročení mezní teploty nevratná změna barvy při překročení mezní teploty využití na etiketách některých výrobků (např. lahvové pivo)

52 Teploměry tenzní využívají závislosti tenze par na teplotě, kterou je možno vyjádřit např. Antoineovou rovnicí: log ρ = A ( B / ( t + C)) p Statická charakteristika T v T v t

53 Příklad provedení tenzního teploměru: Používané náplně: propan (-40 až 90) C ethylether (35 až 190) C toluen (120 až 300) C a další...

54 Teploměry tenzní kapalinové Měření změn objemu při změně teploty: V t = V 0 (1 + β * t) Běžně používané jsou skleněné teploměry, nejčastěji plněné rtutí.

55 Plynové tlakové teploměry Konstrukci tvoří kovová baňka naplněná plynem pod tlakem (dusík, helium nebo suchý vzduch pod tlakem až 2, Pa), spojovací kapilára, deformační člen Bourdonova trubice spojená s ukazatelem a teplotní stupnice. S rostoucí teplotou dochází při konstantním objemu plynné náplně k růstu tlaku - vyvolá deformaci Bourdonovy trubice a vychýlí ručičku rozsah -250 až 800 C.

56 Příklad provedení kapalinového teploměru pro provozní použití: Používané náplně: rtuť (-30 až 500) C, xylen (-40 až 400) C, methanol (-40 až 150) C aj.

57 Teploměry využívající dvojkovu Teploměrným čidlem je bimetal (dvojkov). Bimetalický pásek je zhotovený ze dvojice pevně spojených kovových materiálů s rozdílným teplotním součinitelem roztažnosti. Nejčastěji používané dvojice kovů: - Cu a Fe - Ni a Fe

58 Teploměry využívající dvojkovu - bimetalické Fungují na základě rozdílné teplotní délkové roztažnosti dvou různých kovů = dva navzájem pevně spojené (svařené) kovové pásky s různou teplotní délkovou roztažností (teplotní součinitel α) - s rostoucí teplotou se celý proužek začne prohýbat, přičemž se prohýbá směrem ke kovu s menším teplotním součinitelem dvojkov je jedním koncem pevně upevněn, druhý konec zůstane volný a se změnou teploty se ohýbá přenos na ukazatel přístroje. Použití v teplotním rozsahu -100 až 500 C. Značnou nevýhodou je malá přesnost, chyba měření je až ± 5 C.

59 Teploměry využívající dvojkovu - bimetalické Pásek 1 Pásek 2 Kovy s velkým teplotním součinitelem Kov Teplotní součinitel α 1 [10-6. C -1 ] Kovy s malým teplotním součinitelem α [ C -1 ] Teplotní součinitel Kov α 2 [10-6. C -1 ] Hliník Al 23 Invar* ) 0,7 Měď Cu 17 Nikl Ni 13 Železo Fe 12 Invar je slitina 64 % Fe + 36 % Ni.

60 Obr. 23: Bimetalový proužek Teploměry využívající dvojkovu - bimetalické Bimetalový proužek může mít různé tvary plochý spirála tvar U šroubovice a další. Prohnutí plochého bimetalového proužku s rostoucí teplotou.

61 Příklad provedení teploměru z dvojkovu pro provozní použití jako spinač při dosažení teploty dané provedením: pro zvýšení citlivosti bývá bimetalový pásek stočen do spirály nebo šroubovice bimetalových senzorů se nejčastěji využívá pro dvoupolohovou regulaci teploty

62 Odporové snímače U odporových snímačů je čidlem a tedy převodníkem teploty na odpovídající informaci elektrický odpor. Materiálem měrného odporu je nejčastěji některý z prvků - v podobě čistého kovu: Pt, Ni, Cr, vyjímečně Cu (menší dlouhodobá stálost a menší citlivost), nebo speciální slitiny jako jsou Rh-Fe nebo PtRh-Fe, CrNi. Čidla z platiny se vyznačují malými nejistotami, a proto se používají i jako etalony k měření teplot v rozsahu -259,34 až +630,74 C. - u etalonových čidel dosahuje nejistota až 0,1 mk - jejich nedostatkem je citlivost na magnetické pole a vibrace.

63 Odporové snímače Kovová odporová čidla vychází z teplotní závislosti elektrického odporu kovu - kov si lze zjednodušeně představit jako krystalovou mřížku, v jejíž uzlových bodech jsou umístěny atomy kovu a mezi nimi se chaoticky pohybují elektrony - atomy kovu kmitají kolem uzlových bodů mřížky - s rostoucí teplotou se amplitudy těchto kmitů zvyšují, dochází k rozptylu vodivostních elektronů na kmitech mříže - elektrický odpor kovu proto roste.

64 Použití odporových snímačů pro provozní měření teploty: pro čidla regulátorů při automatickém řízení teploty pro moderní přenosné teploměry od orientačních pro příležitostná orientační měření až po přesné laboratorní a cejchovní měření

65 Měřicí obvody pro odporové senzory teploty Jsou na ně kladeny tyto požadavky: minimalizace vlivu měřicího proudu (proudu procházejícího senzorem dáno druhem a zapojením navazujících elektronických vstupních obvodů, obvykle zesilovače - průchodem měřicího proudu odporovým senzorem teploty dochází k chybě měření vlivem oteplení senzoru) minimalizace vlivu odporu přívodů k senzoru (co nejkratší a s co nejmenším vnitřním odporem spojovacích vodičů kvalitní vodiče s dostatečně velkým průřezem) analogová nebo číslicová linearizace (kompenzace všech možných vlivů, včewtně výrobních a tolerancí).

66 Odporové snímače V teplotním intervalu 0 C 100 C roste elektrický odpor s teplotou přibližně lineárně podle vztahu R t kde R t je odpor čidla při teplotě t R 0 je odpor čidla při teplotě t 0 α. je teplotní součinitel odporu. R 1 t t 0 0

67 Odporové snímače Teplotní součinitel odporu α není konstantní, ale v omezeném teplotním rozsahu ho lze nahradit střední hodnotou teplotního součinitele odporu α se nejčastěji stanovuje v teplotním rozsahu 0 C 100 C R R100 R0 1 (100 0) 100 R 100 R 0 0 kde R 100 je odpor čidla u při teplotě t = 100 C R 0.. je odpor čidla při teplotě t 0 α... je teplotní součinitel odporu. R R R 0 0

68 Odporové platinové snímače Čistota platiny používaná k výrobě průmyslových čidel teploty se pohybuje v rozmezí 99,93 až 99,99 % - vyznačují se vysokou spolehlivostí, malými rozměry a dlouhodobou teplotní stabilitou - změna hodnoty základního odporu je po 1000 hodin při maximální teplotě rozsahu menší než 0,03 %. Standardem mezi platinovými senzory je senzor Pt100, který má při teplotě 0 C hodnotu základního odporu 100 Ω.

69 Odporové platinové snímače Závislost odporu platinového čidla na teplotě je v teplotním rozsahu -200 až 0 C vyjádřena rovnicí: R t kde R 0 je odpor čidla při t.. je teplota ve C A = 3, C 1 B = -5, C 2 C = -4, C 4 pro t<0 C R 1 At Bt Ct t 100

70 Odporové platinové snímače Závislost odporu platinového čidla pro t > 0 C je C = 0 se v teplotním rozsahu 0 až 850 C zjednoduší na tvar: R t kde R 0 je odpor čidla při t.. je teplota ve C A = 3, C 1 B = -5, C 2 R0 (1 At Bt 2 )

71 Odporové niklové snímače Nikl jako základní prvek čidla, která se používají k měření nižších teplot než čidla platinová - v teplotním rozsahu od -60 do 150 C, krátkodobě až do 180 C - důvodem malého teplotního rozsahu je fakt, že mezi 300 až 400 C podléhají strukturním změnám, které se projevují nevratnou změnou elektrického odporu čidla. Niklová čidla se vyznačují velkou citlivostí, malými rozměry a dobrou dlouhodobou teplotní stabilitou - kolem 0,1% na1000 h. Nevýhodou těchto senzorů je značná nelinearita, výše zmiňovaný malý teplotní rozsah a nižší chemická odolnost.

72 Odporové niklové snímače Závislost odporu niklového čidla na teplotě je vyjádřen rovnicí: R t R 1 At Bt 0 2 kde R 0 je odpor čidla při 0 C t.. je teplota ve C A = 5, C 1 B = 6, C 2

73 Odporové kovové snímače K výrobě odporových senzorů teploty se používají i další kovy a slitiny kovů - patří k nim - slitina niklu a železa použitelná do teploty +200 C - molybden vykazující dobrou linearitu a použitelnost v teplotním rozsahu od -200 C do +200 C - měď pro snadnou oxidaci a malou rezistivitu není vhodná pro odporové snímače - používá se ojediněle pro přímé měření teploty měděného vinutí elektromotoru - slouží jako odporový snímač teploty a nevyžaduje použít jiný snímač.

74 Použití odporových snímačů pro provozní měření teploty: pro čidla regulátorů při automatickém řízení teploty pro moderní přenosné teploměry od orientačních pro příležitostná orientační měření až po přesné laboratorní a cejchovní měření

75 Odporové snímače Hlavními přednostmi odporových snímačů teploty jsou: - nejmenší nejistota v oboru nízkých a středních teplot - možnost volby rozměrů i odporu měřicího rezistoru - žádné pohyblivé části - možnost měřit rozdíl teplot - dostatečně vysoká úroveň signálu - zaměnitelnost měřicích vložek - lze dálkově měřit a signál registrovat, linearizovat a zpracovávat v jediném vyhodnocovacím zařízení ke sledování velkého počtu míst.

76 Odporové snímače Hlavní nedostatky těchto přístrojů: - ovlivňování (citlivost) mechanickými veličinami (namáhání, vibrace apod.) - požadavky na kvalifikaci personálu, obsluhu, údržbu a kontrol - nutné napájení (pasivní snímač, stabilizované zdroje) - vyšší pořizovací náklady - nemožnost použít je přímo v prostředí s nebezpečím výbuchu.

77 Zapojení odporových snímačů do měřicího obvodu je ovlivněno odporem vodičů, kterými je k čidlu připojen měřicí přístroj - změna odporu čidla způsobená změnou teploty je velmi malá ve srovnání se základní hodnotou odporu čidla tuto změnu nelze měřit přímo (Ohmův zákon = změní-li se teplota čidla (s teplotním součinitelem řádově 10-3 K -1 ) o 1 C, změní se el. proud v řádu 10-3, což nelze běžným přístrojem změřit. Nejběžnější je použití vyváženého Wheatstonova odporového můstku, kdy je odporové čidlo R t zapojeno do jedné jeho větve - změna teploty vyvolá změnu odporu čidla, čímž dojde k rozvážení můstku.

78 Zapojení odporových snímačů Samotný odpor vodičů R V není problém, protože ho lze kompenzovat při vyvažování můstku a tím započítat jeho vliv na měření. Problém spočívá v teplotní závislosti odporu vodičů, které může nepředvídatelně ovlivnit měření a nelze ho kompenzovat vyvažováním můstku.

79 Dvouvodičové zapojení měřicího obvodu R 2 R t čidlo vodič R v R j R 1 U stab R 3 Měřicí přístroj nebo vstupní elektronický zesilovač měřicího přístroje nastavovací odpor pro kompenzaci vlivu velikosti odporu spojovacího vedení

80 Dvouvodičové zapojení Wheatstonova odporového můstku U je napětí přiložené na můstek U V je výstupní napětí můstku

81 Třívodičové zapojení měřicího obvodu Připojení třetího vodiče je co nejblíže k prvku čidla používá se ke kompenzaci vlivu vedení a ovlivnění vnější teplotou vhodné pro přesná měření. Měřicí přístroj nebo vstupní elektronický zesilovač měřicího přístroje vodič R v R 1 R 2 R t čidlo U stab vodič R v R j R 3 nastavovací odpor pro kompenzaci vlivu velikosti odporu spojovacího vedení

82 Třívodičové zapojení Wheatstonova odporového můstku kompenzuje vliv teplotních změn odporu vedení do 100 m. U je napětí přiložené na můstek U V je výstupní napětí můstku

83 Zapojení s volnou smyčkou Wheatstonova odporového můstku kompenzuje vliv teplotních změn odporu i velmi dlouhých vedení. U je napětí přiložené na můstek U V je výstupní napětí můstku

84 Průmyslové provedení snímačů připojovací hlavice se svorkovnicí keramická izolace a ochranná jímka teplotně závislý odporový prvek keramická izolace

85 a to není k informačnímu přehledu o měření teploty (skoro) vše

86 Témata VR - ZS 2014/2015