Senzory tepelných veličin

Transkript

1 Senzory tepelných veličin -teplota termodynamická stavová veličina -teplotní stupnice: Kelvinova (trojný bod vody 273,16 K), Celsiova,... IS-90 (4 rozsahy) senzory teploty: 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

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

3 1. bezkontaktní senzory tepelné: - plynové: pv R m termodynamická rce V konst p p o o 2.1 kovové odporové teploměry 2. kontaktní senzory - princip fce: závislost odporu kovu na teplotě R R 0 (1 + α)

4 drátkový odporový teploměr α[%/k] rozsah [ o C] Pt /850 Ni /320 Cu /260 a) 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 1,385 tolerance Pt standard měřících odporů dle IEC -2 toleranční třídy: A rozsah 200/650 o C B rozsah 200/850 o C -standard hodnota Pt: 0 o C R 100 Ω -další 200, 500, 1000, 2000 Ω tolerance [ C] Pt třída B Pt třída A ϑ[ C]

7 teplotní závislost: R ϑ R [ Aϑ + Bϑ + Cϑ ( ϑ 100) ] 0 podle IEC (mezinár. doporučení): 1,385 1, ~ K α.100 C W 100 1,385 R Ω A 3, K -1 B -5, K -2 pro ϑ <0 o C C -4, K -4 ϑ >0 o CC ϑ[ C]

8 Niklový odporový teploměr vysoká citlivost, rychlá časová odezva, malé rozměry omezený teplotní rozsah, větší ϑ[ C] +1 ϑ[ C] pro o Cplatí: R ϑ R 2 2 [ 1 + Aϑ + Bϑ + Cϑ ( ϑ 100) ] 0 A 5, K -1 B 6, K -2 pro ϑ > 0 o C C 9, K -3 ϑ <0 o CC 0 Ni 100, 1000, 10000

9 Měděný měřící odpor -měď se u žívá pro teploty od 200 do +200 o C malá rezistivita, snadná oxidace Cu -pro 50 do +200 o C platí vztah: R R 0 (1 + α) - užití např. přímé měření teploty vinutí elektromotoru 3 1 α 4,26.10 K

10 2.2 Polovodičové odporové senzory teploty NC α<0 termistory dělení PC (posistory) α>0 monokrystalické odp. senzory termistory: NC ( 80 C až +200 C) teplotní závislost 3 RAe B/ PC 2 1 R min Ni ( 60 C až +200 C) Pt(-200 C až C) ϑ j 100 ϑ [ C]

11 NC termistory α <0 -výroba práškovou technologií ze směsi oxidů kovů -extrémní rozsahy - vhodné od 4,2K do 1000 o C RAe B/ 1 1 R B r R e 1 1 r R 1 - odpor termistoru při 1 R r - odpor termistoru při r 289,15K tj. 25 o C B[K] - teplotní konst. (ve skuteč. závislá na R 1,R 2 ) A[Ω] konstanta tvaru a materiálu α 1 R dr d B 2 α 2% α 8% pro vysoké ϑ pro nízké ϑ 1 Stein + Hart a + b ln R + c(ln R) chyba 0,1K (0-100) 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 Polovodičové monokrystalické senzory teploty Si N SiO 2 kontakt Al 3 4 d N + N + R ρ β d β - geometrický faktor D průměr kontaktku ρ - rezistivita H R[k Ω] 4 3,5 3 2,5 2 1,5 D zpětný kontakt charakteristika Si senzoru ϑ[ C] R r R(25 R r + k( ϑ ϑ ) ϑ C) 0 C typ. Siemens KY o C +300 o C r 2 2 kω α 1%/K dva prvky v sérii - R nezávisí na polaritě

15 Měřící obvody - vlastní oteplení vliv měřícího proudu chyba: ϑ RI 2 D D zatěžovací konstanta (tepelný odpor) Pt 100: pro ϑ 0.1 o C I dov 1mA termistory [I] µa voltampérová charakteristika: perličkový negastor pozistor [V] ,1 I[mA] I K 10 0 I R I[mA] K B max [V]

16 vliv odporů přívodů dvouvodičové můstkové připojení odp. senzoru st R Cu R 1 R 2 A v R ϑ R Cu R j R 3 R 2R + V Cu R j R Cu R Cu o ( 1 + αcuϑp ) δ 2 R Cu Rϑ

17 čtyřvodičový měřící obvod se zdrojem proudu I S a pomocným zdrojem napětí (R V R cu ) R v + R v I st + R ϑ R v R v + R vst u v i v 0-20mA (4mA-20mA)

18 třívodičové zapojení odporového senzoru teploty v aktivním můstku R V1 + R ϑ R V2 Z st A R 1 R 3 R2 R 2 A R V3 R i V I S R 3 + A S IRV Z S + 2IRV + IRϑ 2 Z A IR 2 ϑ 2 S

19 linearizace odporových teplotních snímačů linearizační převodník s Pt senzorem teploty + st R S i R ϑ + v st 1 2 v R S R ϑ a) b) ϑ charakteristika senzoru R linearizace skutečný průběh 0 ϑ

20 linearizace termistorů podmínka: stabilita charakteristiky a) I st R P R ϑ seriové zapojení: paralelní linearizační zapojení 1,5 1,0 0,5 inflexní bod negastor Si-senzor J i chyba linearity DJ [ C] číslicová analogová negastor Si-senzor b) J[ C] c) J[ C] R ϑ I R S NC termistor a)

21 sérioparalelní zapojení NC termistorů: R 1 R ϑ R 2 R ϑ R ϑ R ϑ R P R 2 R 3 R S R 2 R ϑ R ϑ R ϑ a) b) c)

22 2.3 Monokrystalické PN senzory teploty Schockleyova rce: I D D D I S m ( e 1) I D m ln + 1 I S teplotní závislost napětí I[mA] D 1,5 1 > 2 1 I S saturační proud PN v závěrném směru I D - proud PN v propustném směru m rekombinační koeficient D napětí na PN v propustném směru teplotní napětí k e elementární náboj e k Boltzmanova konstanta 0,5 0 0,4 0,5 0,6 0,7 [V] D

23 tranzistorová dioda I C I C BE BE m 1 D I D m ln + 1 I S pro Io>> I S d mV / I D K 0.1mA mA -2.0

24 integrovaný PN senzor I I I 2 1 S S e2 e1 e e BE 2 BE 1 r počet paralelně spojených tranzistorů tvořících 1 S e plocha emitor. přechodu 3 4 I 2 e BE 2 BE 1 r předp. I 1 I 2 I BE k ln r ln( r) I E1 R e I 2 R BE R BE1 BE2 typ. r 8 R 358 Ω předp. β I E1 I I E2 AD 590: 1 µa/k LM 35Z: 10 mv/k nelinearita cca ± 0.1%

25 AD 630

26 aktivní můstek s tranzistorovou diodou: R V BE R 1 R V R 1 + A A. V V st R 2

27 měřící řetězec s integrovaným PN senzorem teploty: senzor I + st ϑ I 1µ A/K ref + I 1K 1mV/K - A10 V

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

29 2.4 ermoelektrické senzory teploty A B C A B σ 2 σ 1 ( ) A B A B d, σ ( ) ( ) + + C A A B A C A B C B d d 2 1,,, σ σ ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) + A B A B B A A B C B d d d d , σ σ σ σ σ ) ( 12 S M ϑ ϑ α σ- Seebeckův koeficient σ 1 - σ 2 α 12

30 2.4 ermoelektrické senzory teploty [mv] statické charakt. některých typů termoel. senzorů: Fe-ko E J K N 23 C C R S B α1( ϑm ϑs ) α2( ϑm ϑs ) ( α1 α2)( ϑm ϑs ) α- Seebeckův koeficient α 1 -α 2 α 12 ϑ [C]

31

32 konstrukční uspořádání termočlánků izolační keramická hmota 0,1 6 termočlánkové dráty plášť vnitřní trubka termoelektrický a) článek b) - pro kovy α µv/k - pro polovodiče α 12 > 100 µv/k

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

34

35

36 zapojení kompenzační krabice: ϑ M R 1 R 2 t + a z b R Cu R 4 z ϑ S d ab R1 drcu Z 2 dϑ ( R + R ) dϑ S napětí na diagonále: 1 Cu

37 - diodový kompenzační obvod: 1mA dv dϑ d D dϑ R 1 R + 2 R 2 D R 1 R 2 v 2mV /K - blokové uspořádání integrovaného obvodu XR101: I ref I ref R 1 D ln ϑ M R 2 t + ln XR101 + I 0 R L st + R 3 + R3 R CM teplota ϑ s

38 izotermická svorkovnice: ϑ S ϑ M S M ěřicí blok s multiplexerem A D µp

39 2.5 Krystalový senzor teploty ϑ křemenný senzor (krystal křemene) 2 oscilátor řízený krystalem 3 - oscilátor řízený krystalem v termostatu 4 směšovač 5 nízkofrekvenční filtr 6 čítač s displayem

40 2.6 Kontaktní neelektrické teploměry tempearture indicating lacquers Reversible emperature Indicating Labels (liquid crystal) Omega