Senzory teploty. Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti.

Transkript

1 Senzory teploty Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. P. Ripka, 00

2 -teplota termodynamická stavová veličina -teplotní stupnice: Kelvinova (trojný bod vody 73,6 K), Celsiova,... IS-90 (4 rozsahy) senzory teploty: Senzory tepelných veličin kontaktní elektrické: odporové kovové (RD) odporové polovodičové: -termistory NC - termistory PC -monokrystalické Si polovod. s PN přechodem krystalové termolelektrické dilatační (kapalinové, plynové,...) speciální(šumové, akustické, ) bezkontaktní tepelné kvantové

3 . bezkontaktní senzory tepelné: - plynové: pv R m termodynamická rce V konst p p o o. kovové odporové teploměry. kontaktní senzory - princip fce: závislost odporu kovu na teplotě R R 0 ( + α)

4 drátkový odporový teploměr a) α[%/k] rozsah [ o C] Pt /850 Ni /30 Cu /60 tenkovrstvý odporový teploměr kovová vrstva pasivační vrstva izolační podložka kontaktní vrstva b)

5 Omega

6 Platinový odporový teploměr - čistota platiny se určuje podle redukovaného odporu W R R o,385 tolerance Pt standard měřících odporů dle IEC - toleranční třídy: A rozsah 00/650 o C B rozsah 00/850 o C -standard hodnota Pt: 0 o C R 00 Ω -další 00, 500, 000, 000 Ω tolerance [ C] 4 3 Pt třída B Pt třída A ϑ[ C]

7 teplotní závislost: R ϑ R [ 3 + Aϑ + Bϑ + Cϑ ( ϑ 00) ] 0 podle IEC (mezinár. doporučení):,385, ~ 0.45 K α.00 C W 00,385 R 0 00 Ω A 3, K - B -5, K - pro ϑ < 0 o C C -4, K -4 ϑ > 0 o C C ϑ[ C]

8 Niklový odporový teploměr vysoká citlivost, rychlá časová odezva, malé rozměry omezený teplotní rozsah, větší ϑ[ C] + ϑ[ C] pro o C platí: R ϑ R [ + Aϑ + Bϑ + Cϑ ( ϑ 00) ] 0 A 5, K - B 6, K - pro ϑ > 0 o C C 9,4.0-9 K -3 ϑ < 0 o C C 0 Ni 00, 000, 0000

9 Měděný měřící odpor -měď se u žívá pro teploty od 00 do +00 o C malá rezistivita, snadná oxidace Cu -pro 50 do +00 o C platí vztah: 3 R R 0 ( + α) - užití např. přímé měření teploty vinutí elektromotoru α 4,6.0 K

10 . Polovodičové odporové senzory teploty dělení termistory NC α<0 PC (posistory) α>0 monokrystalické odp. senzory.. termistory: NC ( 80 C až +00 C) teplotní závislost 3 RAe B/ PC R min Ni ( 60 C až +00 C) Pt(-00 C až +000 C) ϑ j 00 ϑ [ C]

11 NC termistory α < 0 -výroba práškovou technologií ze směsi oxidů kovů -extrémní rozsahy - vhodné od 4,K do 000 o C RAe B/ R B r R r e R - odpor termistoru při R r - odpor termistoru při r 89,5K tj. 5 o C B[K] - teplotní konst. (ve skuteč. závislá na R, R ) A[Ω] konstanta tvaru a materiálu B ln R R,306 log R R α R dr d B α % α 8% pro vysoké ϑ pro nízké ϑ Stein + Hart a + b ln R + c(ln R) chyba 0,K (0-00) o C 3

12 PC termistory (pozistory) α > 0 - vyrábějí se z polykrystalické feroelektrické keramiky např. (BaiO 3 ) - odpor se stoupající mírně klesá pak nad Curiovou teplotou je prudký nárůst rezistivity materiálu v závislosti na -užití: jako dvoustavové senzory signalizace překročení max. přípustné

13

14 Měřící obvody - vlastní oteplení vliv měřícího proudu chyba: ϑ RI D D zatěžovací konstanta (tepelný odpor) Pt 00: pro ϑ 0. o C I dov ma termistory [I] µa voltampérová charakteristika: perličkový negastor pozistor U[V] 0 4 0, I[mA] I K 0 0 I R I[mA] U K U B U max U[V]

15 vliv odporů přívodů dvouvodičové můstkové připojení odp. senzoru U st R Cu R R A U v R ϑ R Cu R j R 3 R R + R R R + α ϑ ) V Cu j Cu Cu o ( Cu p δ R Cu Rϑ

16 čtyřvodičový měřící obvod se zdrojem proudu I S a pomocným zdrojem napětí U (R V R cu ) R v + R v I st + R ϑ R v R v U + R vst u v i v 0-0mA (4mA-0mA)

17 linearizace odporových teplotních snímačů linearizační převodník s Pt senzorem teploty charakteristika senzoru R linearizace skutečný průběh 0 ϑ

18 linearizace termistorů podmínka: stabilita charakteristiky číslicová analogová paralelní linearizační zapojení I st R P R ϑ seriové zapojení: R P B B + i i R ϑ I R S a)

19 .3 Monokrystalické PN senzory teploty Schockleyova rce: I U D D I U D mu ( e ) S I D mu ln + I S teplotní závislost napětí I [ma] D,5 > U I S saturační proud PN v závěrném směru I D - proud PN v propustném směru m rekombinační koeficient U D napětí na PN v propustném směru U teplotní napětí k U e elementární náboj e k Boltzmanova konstanta 0,5 0 0,4 0,5 0,6 0,7 U [V] D

20 tranzistorová dioda I C I C U BE U BE m U D I D mu ln + I S pro I o >> I S U I D....3mV d / K 0.mA -.3 ma -.0

21 integrovaný PN senzor I I I S S e e e e U U U U BE BE r počet paralelně spojených tranzistorů tvořících S e plocha emitor. přechodu 3 4 I e U U U BE BE r předp. I I I U BE k U ln r ln( r ) I E R e I R U BE R U BE U BE typ. r 8 R 358 Ω předp. β I E I I E AD 590: µa/k LM 35Z: 0 mv/k nelinearita cca ± 0.%

22 AD 630

23 aktivní můstek s tranzistorovou diodou: R V U BE R R V R + A A.U V U V U st R

24 měřící řetězec s integrovaným PN senzorem teploty: senzor I +U st ϑ I µ A/K U ref + I K mv/k - A0 U V

25 teplotní senzor s pulsním výstupem (PWM): +U st ϑ R j

26 .4 ermoelektrické senzory teploty σ- Seebeckův koeficient σ - σ α A B C A B σ σ ( ) A B A B U d, σ ( ) ( ) + + C A A B A C A B C B U U U d d,,, σ σ ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) + A B A B B A A B C B U d d d d, σ σ σ σ σ ) ( S M U ϑ ϑ α

27 .4 ermoelektrické senzory teploty U[mV] statické charakt. některých typů termoel. senzorů: Fe-ko E J K N 3 C C R S B U α( ϑm ϑs ) α ( ϑm ϑs ) ( α α )( ϑm ϑs ) α- Seebeckův koeficient α -α α ϑ [ C]

28

29 konstrukční uspořádání termočlánků izolační keramická hmota 0, 6 termočlánkové dráty plášť vnitřní trubka termoelektrický a) článek b) - pro kovy α 0 50 µv/k - pro polovodiče α > 00 µv/k

30 měřicí spoj ϑ M měřící řetězec s termočlánkem: srovnávací + spoje větve ϑ S ϑ S termoel. prodlužovací spojovací článek vedení Cu Cu vedení U U[mV] vliv kolísání srovnávací teploty: U M ϑ S U U ϑ M ϑ[ C] α M ϑ U M ϑ M U ϑ ϑ ' S ' M U M ' M + α α + α S M S ( ' ϑ ϑ ) S ' ( ϑ ϑ ) S S S

31

32 zapojení kompenzační krabice: ϑ M R R U U t + a U z b R Cu R 4 U z ϑ S du ab R drcu U Z dϑ ( R + R ) dϑ S napětí na diagonále: Cu

33 - diodový kompenzační obvod: ma duv dϑ du D dϑ R R + R U D R R U v mv /K - blokové uspořádání integrovaného obvodu XR0: I ref I ref R U D U ln ϑ M R U t U + ln XR0 + I 0 R L U st + R 3 + U R3 R CM teplota ϑ s

34 izotermická svorkovnice: ϑ S ϑ M S Měřicí blok s multiplexerem A D µp

35 Další teploměry Skleněné teploměry lakové teploměry Plynové a parní teploměry Dvojkovové senzory teploty Krystalové teploměry Akustický teploměr w c c p v R M kde c p, c v jsou měrné tepelné kapacity plynu, R je plynová konstanta a M je molekulová hmotnost plynu

36 .6 Kontaktní neelektrické teploměry tempearture indicating lacquers Reversible emperature Indicating Labels (liquid crystal) Omega

37 Časová konstanta dotykových senzorů S α ( ϑ ϑ ) d t mcd m t t ϑ ϑ t ϑ m t τ ( ϑ ) m ϑ0 e τ mc Sα U reálného senzoru není tepelná vodivost senzoru a přechodová charakteristika nebude prvního řádu.

38 porovnání

39 Bezkontaktní měření teplot - pyrometrie bezkontaktní měření teploty 0.4 μm... 5 μm C C výhody: zanedbatelný vliv měřící techniky na objekt možnost měření rotujících nebo pohybujících se těles možnost měření rychlých teplotních změn lze snímat a zobrazovat celé povrchy těles termovize nevýhody: chyba způsobená nejistotou stanovení emisivity měřeného tělesa chyba způsobená prostupností prostředí chyba způsobená odraženým zářením z okolního prostředí

40 Planckův zákon: M 0 5 e c c M o - spektrální hustota intenzity záření [W/m ] C 3, Wm C, W dφ mk M M m ds Stefan-Boltzmanův zákon: M 0 M0d σ 0 σ 5, Wm K -4 4 M [W.cm. µ m ] K 000K 500K 300K 00K viditelné spektrum: μm 77K 0 3 [ µ m]

41 Wienův zákon: < 0,c, < 3000K zjednodušený Planckův zák.: M 0 c 5 e C M [W.cm. µ m ] K 000K 500K 300K 00K 77K Wienův posunovací zákon: m b s rostoucí klesá a naopak [ µ m] b konst. 898 µmk

42 Lambertův zákon: L 0ϕ konst. zářivost: I dφ d Ω zář: L di ds cos Φ (W)... zářívý výkon (tok) ϕ I ϕ I N cosϕ Lϕ S cosϕ Lϕ S n

43 pohltivost α Φ Φ p d prostupnost τ Φ Φ t d α Φ p Φ d τ Φ t Φ d - pohltivost pro danou vln. délku -pohlcený tok -dopadající tok - prostupnost pro danou vln. délku -prostupující tok -dopadající tok!! vztahy jsou pro monochromatické záření - vlnová délka!! odrazivost ρ Φ Φ r d ρ Φ r Φ d - odrazivost pro danou vln. délku -odražený tok -dopadající tok emisivita M α f (, )

44 - atmosférická prostupnost 5 o C : 00 τ [%] HO CO HO 0 HO HO CO CO [ µ m] 00 τ [%] HO CO [ µ m] - pro reálná tělesa platí vztah: M ε M ; M 0 ε M 0

45 propustnost optiky 00 τ 80 (%) křemen 0 0 safír BaF MgF ZnSe KBr Ge Si 300K 77K ( µ m)

46 Pyrometrie bezkontaktní měření teloty termočlánkové baterie senzory infračerveného záření Bolometry pyroelektrické detektory polovodičové (kvantové) detektory hlavní problémy: emisivita: neznámá závislá na vlnové délce závislá na teplotě závislost na úhlu k měřenému povrchu pohltivost prostředí

47 Okolní vlivy na přesnost IR teploměru

48 metody: úhrnný pyrometr - především termočlánkový jednopásmový pyrometr ( jasový ) dvoupásmový pyrometr. termočlánková baterie - konstruována jako tenké kovové pásky nebo Si technologií - často umístěna ve vakuové baňce parametr pro výběr materiálu: Z α σ typ o C a víc typ 7-8 µm

49 . Bolometry - užívají principu odporových senzorů teploty - tenké vrstvy oxidů (např. MnO, MgO, NiO, ) nanesené na nevodivé tenké podložce Mikrobolometr odporový senzor teploty spojen se substrátem jen tenkými přívody

50 3. Pyroelektrické detektory pyroelektrický jev změna spontánní polarizace P S při změně materiály: GS, PZ, LiaO 3, PVDF pyroelektrický koeficient: p P S pyroelektrický čip se zesilovačem + PS dq S εs ε o ε r ( ) S C a a d S p( ) d U Q C transparentní elektroda nutná rotující clona pyroelektrikum S du a p( ) d ε ε ( ) o r elektroda

51 4. Kvantové (fotoelektrické) detektory D * / (cm Hz W ) Si CCD HgCdZne 93 K PbSe 43 K HgCdZne 43 K teoretické maximum fotonapěťových detektorů termoelek. detektor pyroelek. detektor b) ( µ m) Relativní citlivost (detektivita) infračervených detektorů

52 Pyrometry úhrnné pyrometry jednopásmové dvoupásmové. Úhrnné radiační pyrometry - vyhodnocení teploty podle Stefan-Boltzmanova zák. M S skutečná teplota 0 černá teplota teplota černého zářiče M intenzita záření 4 0 M0d σ 0 σ 5, Wm K -4 -pyrometry jsou výrobcem cejchovány podle černého tělesa -tepelné záření se na senzor zaostřuje soustavou čoček nebo zrcadlem

53 σ 4 4 ( 0 A) ετ pσ ( 0 A) S ( 0 A) 4 + ετ p A. ε (,) černé těleso L 0 0,8 0,8 0,6 emisivita 0,6 0,4 měřené 0,4 těleso 0,. L 0, ε µ [ m] ε d S S 0,5 dε ε ε - emisivita τ p prostupnost atmosféry τ OP prostupnost optiky Φ Z tok ze zářiče Φ PO tok z pouzdra detektoru

54 OS Kč Přesnost: % ze čtení, rozsah: -8 až 540 C, optika 0: OS530L 000 Kč přesnost: % ze čtení, rozsah: -8 až 538 C, optika 0:, bodové laserové zaměřování

55 . Jednopásmové pyrometry -typ polovodič. senzor + filtr -monochromatické pyrometry existují jen teoreticky ( ef, ε ef ) c c c Ω oπ 5 o o 5 S S d S S c e + c S o o dε ε c ε Ω µ 000K c, mk τ π ln( ε τ ) c e L, černé těleso ψ L 0 měřené těleso 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0, 0, 0,5.5,,5 3 3,5 4 µ [ m] ε ψ, ε (,)

56 Jasový pyrometr (typ jednopásmového pyrometru) + S 0 ln( ε τ ) c α τ - je vlnová délka [m] c S 0 - skutečná teplota měřeného předmětu [K] - teplota naměřená pyrometrem[k] - konstanta, c ε - emisivita,44.0 τ - spektrální propustnost α - spektrální pohltivost - [m.k]

57 Určení emisivity ε:. z tabulek. kalibrací ε

58 3. Dvoupásmové pyrometry S S P P c c c o c o e c e c e c e c L L ε ε π Ω π Ω z Planck. zákona platí pro poměr záření: Φ U U ln ε ε c P S

59 termovize echnické parametry: eplotní rozlišení: 0, při 30 C Rozsah zaostřování: 0,4 m až nekonečno Detektor PbSe: chlazený termometrický Frekvence snímání: 5 Hz Výstup video: RS 70 Rozměry: ,3 mm Hmotnost:,5 kg Pracovní teplota: -0 C až + 50 C Rázy / Vibrace: 5 g / g Rozlišení hledáčku: 400 řádků Hmotnost 0,85 kg Příkon 7 W AGEMA 0

60 Long Range hermal Imager