9. Měření teploty. P. Ripka A3B38SME přednáška 9

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "9. Měření teploty. P. Ripka A3B38SME přednáška 9"

Zuzana Havlová
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 9. Měření teploty přednášky A3B38ME enzory a měření zdroje převzatých obrázků: pokud není uvedeno jinak, zdrojem je monografie Haasz, edláček: Elektrická měření a skripta Ripka, Ďaďo, Kreidl, Novák: enzory P. Ripka

2 enzory teploty -teplota = termodynamická stavová veličina -teplotní stupnice: Kelvinova (trojný bod vody 73,6 K), Celsiova,... I-90 (4 rozsahy) elektrické: odporové kovové (RD) odporové polovodičové: - termistory NC - termistory PC kontaktní - monokrystalické i polovod. s PN přechodem krystalové termolelektrické dilatační a tlakové (kapalinové, plynové,...) senzory teploty: speciální(šumové, akustické, ) bezkontaktní

3 3

4 Měřicí obvody - vlastní oteplení = vliv měřícího proudu chyba: RI D D zatěžovací konstanta (teplotní vodivost) Pt 00: pro = 0. o C I dov =ma ermistory: I dov < 0 A voltampérová charakteristika: perličkový negastor pozistor 4

5 linearizace termistorů podmínka: stabilita charakteristiky seriové zapojení: Číslicová Aktivní analogová Pasivní analogová paralelní zapojení: R s = 0 R R B i B i 5

6 .3 Monokrystalické PN senzory teploty I D U chockleyova rce: D I UD mu e I D mu ln I teplotní závislost napětí I 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 e elementární náboj U e k Boltzmanova konstanta 6

7 tranzistorová dioda m = U D I D mu ln I pro I o >> I Ud, I D až 3 mv/k 0,mA,3 V ma,0 V 7

8 integrovaný PN senzor I I e e e e U U U U BE BE r počet paralelně spojených tranzistorů tvořících e plocha emitor. přechodu e U U U BE BE r předp. I = I U BE U k ln r ln( r) I ER e I R typ. r = 8 R = 358 předp. = AD 590: A/K LM 35Z: 0 mv/k nelinearita cca 0, % AD590 8

9 AD 630 9

10 eploměr s tranzistorovou diodou: Odvoďte výstupní napětí v závislosti na teplotě tak, aby U v [mv] t [C] 0

11 Kompenzační krabice (opakování) napětí na diagonále: du ab R drcu U Z d ( R R ) d Cu

12 Diodový kompenzační obvod pro termočlánky: duv d du D d R R R mv /K

13 porovnání termočl. RD NC PN polovod. tepl. rozsah citlivost linearita záměnnost + ++ drahé + stárnutí -- - pasivní + samoohřev rychlost odolnost

14 Další teploměry kleněné teploměry lakové teploměry Plynové aparní 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 4

15 .6 Kontaktní neelektrické teploměry tempearture indicating lacquers Reversible emperature Indicating Labels (liquid crystal) Omega 5

16 Časová konstanta dotykových senzorů dt mcd m t t teplo přivedené do senzoru teplo akumulované v senzoru t m je plocha povrchu senzoru, součinitel přestupu tepla, teplota měřeného prostředí, teplota senzoru, t čas, m hmotnost senzoru, c měrná tepelná kapacita senzoru. t m 0 e U reálného senzoru není tepelná vodivost senzoru = apřechodová charakteristika nebude prvního řádu. mc 6

17 Základy pyrometrie - 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 7

18 Planckův zákon: M 0 5 e c c M o - spektrální hustota intenzity záření [W/m ] C = 3, Wm - C =, mk tefan-boltzmanův zákon: M 0 M 0 d 0 4 M [W.cm. m ] K 000K 500K 300K 00K 77K W d M 0 M 0 m d = 5,670-8 Wm - K viditelné spektrum: μm 0 3 [ m] 8

19 Wienův zákon: 0,c, 3000 K zjednodušený Planckův zák.: M 0 c 5 e C Wienův posunovací zákon: m b s rostoucí klesá a naopak b = konst. = 898 mk 9

20 zářivost: I φ d d Φ (W)... zářívý výkon (tok) zář: L φ d I φ d d cosφ dd cosφ Lambertův zákon: I I cos φ L cos φ L L φ n φ φ n φ I I n φ n konst. Kirchhoffův zákon: M f (, ) 0

21 pohltivost p d prostupnost t d p d t d - pohltivost pro danou vln. délku -pohlcený tok -dopadající tok - prostupnost pro danou vln. délku -prostupující tok -dopadající tok!! vztahy jsou pro monochromatické záření - pro danou vlnovou délka!! odrazivost r d r d - odrazivost pro danou vln. délku -odražený tok -dopadající tok emisivita ε M M 0 M intenzita vyzařování zářiče M k intenzitě vyzařování černého tělesa M 0 M M 0 ; M M0

22 - atmosférická prostupnost 5 o C:

23 propustnost optiky (%) křemen 0 0 safír BaF MgF Zne KBr Ge i 300K 77K ( m) 3

24 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 4

25 Okolní vlivy na přesnost IR teploměru 5

26 . termočlánková baterie - konstruována jako tenké kovové pásky nebo i technologií - často umístěna ve vakuové baňce parametr pro výběr materiálu: Z typ 8 až 500 o Ca víc typ 7-8 m 6

27 . Bolometry - užívají principu odporových senzorů teploty - tenké vrstvy oxidů (např. MnO, MgO, NiO, ) nanesené na nevodivé tenké podložce Mikrobolometrická matice v uspořádání FPA Uspořádání matice FPA detail elementu IR záření mikromůstek CMO matice FPA 7

28 Mikrobolometrický element matice odporové čidlo CD 00.PP i membrána kontakt upevnění mezera, substrát obvodové vymezení selekce elementu odporový senzor teploty spojen se substrátem jen tenkými přívody 8

29 3. Pyroelektrické detektory pyroelektrický jev = změna spontánní polarizace P při změně teploty materiály: G, PZ, LiaO 3, PVDF pyroelektrický koeficient: p P pyroelektrický čip se zesilovačem C du P dq a o o r( ) a a p( ) d ( ) r d p( ) d U Q C transparentní elektroda nutná rotující clona elektroda pyroelektrikum 9

30 kompenzovaný integrovaný pyroelektrický senzor: optický filtr 30

31 4. Kvantové (fotoelektrické) detektory Relativní citlivost (detektivita) infračervených detektorů 3

32 Pyrometry úhrnné pyrometry jednopásmové dvoupásmové. Úhrnné radiační pyrometry - vyhodnocení teploty podle tefan-boltzmanova zákona: skutečná teplota 0 černá teplota = teplota černého zářiče M intenzita záření M 4 0 M0d 0 = 5,670-8 Wm - K -4 -pyrometry jsou výrobcem cejchovány podle černého tělesa -tepelné záření se na senzor zaostřuje soustavou čoček nebo zrcadlem 3

33 4 4 ( 0 A) p ( A) ( ) 0 A 4 p A d 0,5 d - emisivita p prostupnost atmosféry OP prostupnost optiky Z tok ze zářiče PO tok z pouzdra detektoru 33

34 O530L O5 000 Kč přesnost: ±% ze čtení, Kč rozsah: -8 až 538 C, optika Přesnost: ±% ze čtení, 0:, rozsah: -8 až 540 C, optika 0: 34 bodové laserové zaměřování

35 . Jednopásmové pyrometry -typ polovodič. senzor + interferenční filtr -monochromatické pyrometry existují jen teoreticky ( ef, ef ) c c c o 5 o o 5 e c e c c o o ln( ) d c d = m = 000 K c =, mk 35

36 Jasový pyrometr (typ jednopásmového pyrometru) 0 ln( ) c - c 0 - skutečná teplota měřeného předmětu [K] - teplota naměřená pyrometrem[k] je vlnová délka [m] - konstanta, c - emisivita, spektrální propustnost - spektrální pohltivost - [m.k] 36

37 Určení emisivity :. z tabulek. kalibrací nekovové materiály 0,85-0,9 neoxidované kovy 0,5-0, Al, Au, Ag 0,0-0,04 u kovů, i, keramiky 37

38 3. Dvoupásmové pyrometry P P c c c o c o e c e c e c e c L L z Planck. zákona platí pro poměr záření: ln c P A3B38ME přednáška 9

39 termovize echnické parametry: eplotní rozlišení: 0, při 30 C Rozsah zaostřování: 0,4 m až nekonečno Detektor Pbe: chlazený termometrický Frekvence snímání: 5 Hz Výstup video: R 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 39

40 Long Range hermal Imager 40

41 Vláknooptická sonda - IR snadné umístění na těžko dostupná místa možnost zaostření do nevýbušných prostředí do teplot 300 C (bez chlazení) cena (000 $) fixní ostření 4

Podobné dokumenty

Základy pyrometrie. - pyrometrie = bezkontaktní měření teploty. 0.4 µm... 25 µm - 40 0 C... 10 000 0 C

Základy pyrometrie. - pyrometrie = bezkontaktní měření teploty. 0.4 µm... 25 µm - 40 0 C... 10 000 0 C Základy pyrometrie - pyrometrie = bezkontaktní měření teploty 0.4 µm... 25 µm - 40 0 C... 10 000 0 C výhody: zanedbatelný vliv měřící techniky na objekt možnost měření rotujících nebo pohybujících se těles