Termodynamick# (Kelvinova)

Transkript

1 Z&kladn pojmy Definice teploty: Fyzik#ln& & veli(ina vyjad*uj&c& & m&ru tepeln,ho stavu t.lesa Teplotn& & stupnice Termodynamick# (Kelvinova) stupnice je ur!ena dv$ma pevn&mi body: stupnice je ur!ena dv$ma pevn&mi body: absolutn) nula (ust+v+ termick& pohyb element+rn)ch!+stic)- 0 K trojn& bod vody (rovnov+-n& stav mezi skupenstv)mi) - 273,16K z+kladn) jednotkou je Kelvin [K] - 273,16-t+!+st termodynamick/ teploty trojn/ho bodu vody Mezin#rodn& & teplotn& & stupnice ITS-90 (International Temperatur Scale) vznik v roce 1927 (Celsiova), postupn$ upravov+na (naposledy 1990) definov+na 17 pevn&mi body (trojn/ body, body t+n), tuhnut)) Vz#jemn# # # souvislost teplotn&ch stupnic T = ϑ + 273,15 [K], [ C]

2 Rozd(len sn ma#* teploty Sn&ma(e pro dotykov, m.*en& elektrick/ odporov/ kovov/ odporov/ polovodi!ov/ termoelektrick/ polovodi!ov/ s PN p0echodem (diodov/, tranzistorov/) dilata!n) tlakov/ speci+ln) Sn&ma(e pro bezdotykov, m.*en& monochromatick/ pyrometry p+smov/ pyrometry radia!n) pyrometry

3 Odporov- kovov- sn ma#e Princip zm.na elektrick,ho odporu kov/ v z#vislosti na teplot. D R = R 0 a DJ DR zm$na elektrick/ho odporu [ ][ ][ - 1 W, W, K ][, K ] a teplotn) koeficient odporu (a Pt = 0,0039, a Ni = 0,0062, a Cu = 0,00426 DJ zm$na teploty odpor p*i teplot. ϑ R 0 J = R 1 ( +a DJ ) vztah m+ platnost jen v mal/m rozsahu teplot pro p0esn+ m$0en) a v$t2) rozsahy plat): R J = R 0 [ 2 3 ( )] 1 +a DJ+b DJ +g DJ J- 100

4 Z#kladn& parametry R 0 - z+kladn) odpor - hodnota R!idla p0i teplot$ 0 C, tj. v bodu t+n) ledu R hodnota R!idla p0i teplot$ 100 C, tj. v bodu varu vody R J - hodnota R!idla p0i teplot$ J C Z&kladn vlastnosti W pom$r odpor4 p0i 100 a 0 C W 100 = R 100 / R 0 a - teplotn) sou!initel odporu odporov/ho materi+lu!idla α = (R R 0 )/ 100 R 0 Materi#l (idla platina nikl m$7 Vlastnosti!idel Materi#l 2idla Z#kladn& odpor R0 [ Ω ] Pom.r odpor/ W100 M.*ic& rozsah [ C] Pt 100 1, a- 850 Ni 100 1, a- 180 (250) Cu 100 1, a- 200

5 Proveden odporov.ch #idel 2idla vinut# spir+lov$ sto!en& odporov& dr+tek Æ 0,01 a- 0,05mm vinut) je ulo-eno v kapil+r+ch v+lcov&ch keramick&ch nosn&ch t$l)sek navinuto na povrchu t$l)sek a p0eskleno keramick&m smaltem vyr+b) se s odporem R 0 = 100 a 500W 2idla vrstvov# vinut) nahrazeno odporovou vrstvou z Pt, Ni nanesenou na nosn/ desti!ce (substr+tu) z korundov/ keramiky tlustovrstv+ technologie nan+2en) Pt vrstvy ve form$ pasty na substr+t s)totiskem tepeln+ stabilizace vrstvy laserov/ nastaven) po-adovan/ hodnoty R 0 roz0ez+n) na jednotliv+!idla a p0ipevn$n) v&vod4 tenkovrstv+ technologie Pt vrstva se nan+2) napra2ov+n)m nebo napa0ov+n)m ve vakuu 2irok& sortiment hodnot R 0 = 100/200/500/1000/2000,...W vyr+b) se tak/ pro technologii SMT

6 P0esnost kovov.ch sn ma#* teploty T*&dy tolerance kovov/ odporov/ sn)ma!e se vyr+b$j) ve dvou t0)d+ch: t0)da A (u Pt pro rozsah -200 a- 650 C) t0)da B (u Pt pro rozsah -200 a- 800 C) toleran!n) pole se obvykle ud+v+ grafem Teplotn& z#vislost odporu matematick& v&raz tabulka grafick/ vyj+d0en) 1

7 Polovodi#ov- odporov- sn ma#e Princip Zm$na odporu je zp4sobena teplotn) z+vislost) koncentrace nosi!4 n+boje Rozd.len& termistory negastory (termistor NTC - Negative Temperatur Coefficient) posistory (termistor PTC - Positive Temperatur Coefficient) monokrystalick/ Si sn)ma!e Porovn#n& charakteristik

8 Negastory R z+porn& teplotn) koeficient v&roba pr+2kovou technologi) ze sm$si oxid4 kov4 (Fe 2 O 3 +TiO 2, MnO+CoO 8..), p0)padn$ karbid4 (SiC) teplotn) rozsah : -50 a- 200 C, speci+ln) typy -250 a C z+vislost odporu na teplot$ je exponenci+ln) æ ç 1 1 B - ç T T = è R 0 e Teplotn) koeficient odporu a: ö ø R 1 odpor termistoru p0i teplot$ T 1 R 0 odpor termistoru p0i referen!n) teplot$ T 0 (obvykle 298,15 K, tj. 25 C) rozsah 1W - 1MW B[K] teplotn) 9konstanta: ; 1500K<B<7000K a= R D R D T =- B 0 T 2

9 Vlastnosti a pou2it negastor* teplotn& koeficient z#porn4 a o *#d vy66& ne8 u kov/ a = -0,03 a- -0,06 K -1 vhodn, pro m.*en& mal4ch zm.n teploty mal, rozm.ry (perli(kov4 termistor) bodov/ m$0en) mal+!asov+ konstanta neline#rn& z#vislost odporu na teplot. men6& (asov# st#lost po6kozen& p*i p*eh*#t& pou8it& pro m,n. n#ro(n, aplikace nap0. dvoustavov+ regulace

10 Pozistory kladn4 teplotn& sou(initel odporu odpor zpo!+tku m)rn$ kles+ od referen!n) (sp)nac)) teploty J J prudce (o 3 0+dy) nar4st+ [obr] pro vysok/ teploty op$t kles+ vyr#b& se z polykrystalick, feroelektrick, keramiky (BaTiO 3 ) z#vislost odporu na teplot. (v oblasti n#r/stu R) A J R = R J e R J odpor p0i referen!n) teplot$ J J A materi+lov+ konstanta (0,16K -1 ) J teplota J J referen!n) teplota (dle chem. slo-en) 60 a- 180 C) pou8it& m$0en) v ;zk/m rozsahu teplot dvoustavov/ sn)ma!e (signalizace p0ekro!en) p0)pustn/ teploty)

11 Polovodi#ov- monokrystalick- sn ma#e Princip ku8elov4 rozptyl nosi(/ proudu rozptyl nosi!4 je ;m$rn& jejich pohyblivosti pohyblivost nosi!4 je ;m$rn+ teplot$ Struktura sn&ma(e N#hradn& sch,ma R 1 R 2 materi+l - nevlastn) polovodi! N (Si) dva s/riov$ 0azen/ kontakty kov-polovodi! - nez+vislost na sm$ru proudu zp$tn& kontakt na spodn) stran$ spojuje vnit0n) odpory R 1 a R 2

12 Teplotn z&vislost odporu Z#vislost odporu na rozm.rech sn&ma(e za p0edpokladu, -e: d<<d a d<<h (viz struktura) plat): R = r d pr4m$r kontaktu d r m$rn& odpor Odpor nez#vis& na vn.j6&ch rozm.rech sn&ma(e Z#vislost odporu na teplot. p0ibli-n$ plat): R = R 0 + k(j -J 0 ) 2 teplotn& rozsah: -50 a8 150 :C jmenovit, hodnoty R 25 1; 2 kω α (*#dov.) 10-2 K -1 p*&klad KTY10

13 M(0ic obvody odporov.ch sn ma#* Po8adavky kladen, na vyhodnocovac& obvody minimalizace vlivu proudu sn)ma!em minimalizace vlivu odporu p0)vod4 k senzoru analogov+ nebo!)slicov+ linearizace Vliv m.*ic&ho proudu pr4chodem proudu doch+z) k oteplen) senzoru chybu lze vyj+d0it vztahem: R I 2 D J= D [W.K -1 ] zat$-ovac) konstanta - p0)kon D pot0ebn& k oh0+t) senzoru o 1K maxim+ln) m$0ic) proud DJ I dov = R D DJ maxim+ln) dovolen+ chyba R maxim+ln) odpor senzoru v dan/m rozsahu u senzoru Pt100 s max. povolenou chybou 0,1<C - I dov < 1mA u termistor4 (R 0+dov$ kw - I dov 0+dov$ mikroamp/ry

14 M*stkov- metody m(0en Dvouvodi(ov, p*ipojen& (idla R J!idlo R Cu odpor p0)vod4 R J justa!n) odpor vliv odporu p0)vod4 je kompenzov+n justa!n)m odporem justa!n) odpor slou-) k p0esn/mu dolad$n) rozsahu m$0en) odpory p0)vod4 R cu z+vis) zpravidla na teplot$ - chyba m$0en) kompenzace vlivu teploty na p0)vodn) vodi!e- 3 nebo 4 vodi!ov/ zapojen)

15 Aktivn m*stky M/stek zapojen4 v s&ti OZ p0)klad zapojen) zvol)me-li R 1 =R 2 =R, R 3 =R, R 3 =R JZ vyj+d0)me-li R J = R JZ +DR J pak plat): ϑ Z U V = A U st =R 2 R ϑ

16 4ty0vodi#ov- zapojen s proud. zdrojem eliminace vlivu odporu p*&vodn&ch vodi(/ zesilova( s velk4m R i eliminace nap.t& na po(#tku rozsahu U = I st.r ϑz U V =A.(Ist.Rϑ - U) = A. I st. R ϑ

17 Proveden odporov.ch kovov.ch sn ma#* Proveden& j&mkov,, prostorov, M.*ic& vlo8ky odporov4ch sn&ma(/ teploty sn)ma!e jsou vybaveny v&m$nn&mi m$0ic)mi vlo-kami vlo-ky obsahuj) jedno, dv$, v&jime!n$ i t0i!idla p0)ruba a keramick+ svorkovnice dvouvodi!ov& p0evodn)k do hlavice sn)ma!e teploty M.*ic& vlo8ky se obvykle vyr#b.j& ve variant#ch: konstrukce s (neohebn&m) stonkem vnit0n) veden) je zasunut/ v keramick/!ty0kapil+0e!idlo je voln$ ulo-eno v kovov/ stonkov/ trubce m$0ic) vlo-ka se zv&2enou mechanickou odolnost) odoln$j2)!idlo voln& prostor uvnit0 stonkov&ch trubek vypln$n keramick&m pr+2kem m$0ic) vlo-ka s vysokou mechanickou odolnost) odoln/!idlo s ohebn&m stonkem stonek zhotoven ze zvl+2> odoln/ho pl+2>ov/ho kabelu

18 Monokrystalick- PN sn ma#e teploty Princip teplotn) z+vislost nap$t) PN p0echodu v propustn/m sm$ru lze odvodit, -e zm$na nap$t) DU D / DT = -(2,0 a- 2,5) mv/k teplotn) z+vislost PN diody: Materi#l k0em)k galiumarsenid

19 Tranzistorov- PN senzory princip teplotn) z+vislost p0echodu BE v propustn/m sm$ru vyhodnocovac& obvod ze sch/matu lze odvodit vztah: U =- U - V BE U st 2R R V 1

20 Termoelektrick- sn ma#e teploty Princip vznik termoelektrick/ho nap$t) (Seebeck4v jev) materi+l kovy (r4zn/), polovodi!e v&po!et nap$t) pro mal& rozd)l teplot: U= 12 (ϑ m - ϑ s ) [mv, mv/k, K] µ 12 termoelektrick& koeficient Kovy 0+dov$ 10 1 mv/k Polovodi!e v)ce ne- 100 mv/k Materi#l termo(l#nk/ p+ry materi+l4 jsou ve sv$t$ normalizov+ny termo!l+nky se zna!) dle IEC velk&mi p)smeny statick/ charakteristiky vybran&ch termo!l+nk4 p0)klad konstruk!n)ho uspo0+d+n)

21 Kompenzace e teploty srovn&vac ho konce Druhy kompenzac& kompenza(n& veden& kompenza(n& krabice kompenzace termostatem izotermick# svorkovnice Kompenza(n& veden& prodlou-en) termo!l+nku um)st$n) srovn+vac)ho konce do prost0ed) s mal&mi zm$nami teploty prodlu-ovac) veden) ze stejn/ho materi+lu jako termo!l+nek pou-it) na men2) vzd+lenosti

22 Kompenza#n krabice do s/rie s termo!l+nkem um)st$n odporov& m4stek v jedn/ v$tvi m4stku je teplotn$ z+visl& odpor (Cu) v&stupn) nap$t) m4stku se superponuje k nap$t) termo!l+nku

23 Izotermick& svorkovnice ve svorkovnici je um)st$n teplotn$ z+visl& odpor teplotn) kompenzace je 0e2ena softwarov$ pou-)v+ se u!)slicov&ch m$0ic)ch a 0)dic)ch syst/m4

24 Dilata#n sn ma#e teploty Princip zm$na d/lky nebo objemu l+tky v reakci na m$0enou teplotu Rozd.len& kovov/ ty!ov/ bimetalov/ kapalinov/

25 Kovov- sn ma#e teploty Ty(ov4 teplom.r Princip D/lkov+ rozta-nost kovov/ ty!inky (trubi!ky): [ 1 + ( J- )] l = l J J 0? 0 l J d/lka p0i m$0en/ teplot$ Proveden&: trubice - velk& sou!initel µ (mosaz) ty! - mal/µ(invar, k0emen) Vlastnosti mal+ citlivost (p0evody) m$0) pr4m$rnou teplotu (po cel/ d/lce) Pou8it& jednoduch/ obvody dvoupoloh. regulace l 0 d/lka p0i vzta-n/ teplot$ a sou!initel d/lkov/ rozta-nosti

26 Kovov- sn ma#e teploty Bimetalov4 teplom.r Princip nestejn+ teplotn) rozta-nost dvou r4zn&ch kov4 je tvo0en dv$ma p+sky po cel/ d/lce spojen&mi (napl+tov+n), sva0en)) v&chylka voln/ho konce z+vis) na teplot$: y 2 l = k ; a k sou!initel prohnut) bimetalu [K -1 ] l d/lka [mm] Vlastnosti a tlou2>ka [mm] citlivost!idla je d+na jeho d/lkou a tlou2>kou!asto se st+!) do spir+ly nebo do 2roubovice pou-it) cca do 400 C J

27 Kapalinov- sn ma#e teploty Princip teplotn) z+vislost objemov/ rozta-nosti kapalin [ +b ( J- )] V = V 0 1 J J 0 V J objem p0i m$0en/ teplot$ Proveden& j)mka s m$rnou kapalinou rtu> (-38 a- 365 C) etylalkohol (-100 a- 60 C) pentan (-190 a- 15 C) cejchovan+ kapil+ra kontakty pro automatick/ vyhodnocen) teploty V 0 objem p0i vzta-n/ teplot$ b sou!initel objemov/ rozta-nosti elektrody

28 Tlakov- sn ma#e teploty Princip teplotn) z+vislost zm$ny tlaku m$rn/ l+tky v uzav0en/m prostoru Slo8en& sn&ma(e 1 stonek n+dobka s m$rnou l+tkou 2 kapil+ra tenk+ trubi!ka spojuj)c) stonek s vyhodnocovac)m za0)zen)m 3 tlakom$rn&!len membr+na, vlnovec, Bourdonova trubice

29 Tlakov- sn ma#e teploty N#pl< stonku kapalinov, sn&ma(e glycer)n (-20 a- 290 C), xylen (-40 a- 400 C), metylalkohol (-20 a- 290 C) kompenzace teploty bimetal do vyhodnocovac)ho kompenza!n) kapil+ra plynov, sn&ma(e N 2, H 2, CO 2 nevy-aduj) teplotn) kompenzaci parotla(n, sn&ma(e!+st stonku je vypln$na t$kavou l+tkou m$0) se tlak par metylchlorid (-18 a- 75 C), etyl/ter (35 a- 190 C), toluen (120 a- 300 C) velk+ citlivost a p0esnost