Snımace teploty. VOS a SPS Kutna Hora

Transkript

1 Snımace teploty VOS a SPS Kutna Hora

2 Definice teploty: Zakladnı pojmy Fyzikalnıvelicina vyjadrujıcımıru tepelne ho stavu tů lesa Teplotnıstupnice Termodynamicka (Kelvinova) stupnice je urcena dvema pevnymi body: absolutnı nula (ustava termickypohyb elementarnıch castic)- trojnybod vody (rovnovaz nystav mezi skupenstvımi) - 273,16K zakladnı jednotkou je Kelvin [K] - 273,16-ta cast termodynamickř teploty trojnř ho bodu vody Mezinarodnıteplotnıstupnice ITS-90 (International Temperatur Scale) vznik v roce 1927 (Celsiova), postupne upravovana (naposledy 1990) definovana 17 pevnymi body (trojnř body, body tanı, tuhnutı) Vzajemna souvislost teplotnıch stupnic T = J + 273,15 [K], [ C] 0 K

3 Rozde lenı snımacu teploty Snımace pro dotykove můrenı elektrickř odporovř kovovř odporovř polovodic ovř termoelektrickř polovodicovř s PN prechodem (diodovř, tranzistorovř ) dilatac nı tlakovř specialnı Snımace pro bezdotykove můrenı monochromatickř pyrometry pasmovř pyrometry radiac nı pyrometry

4 Odporový kovový snımace Princip zmů na elektricke ho odporu kovu v zavislosti na teplotů R R = R 0 α ϑ zmena elektrickř ho odporu [ ] [ ] [ 1] Ω, Ω, K,[ K] α teplotnı koeficient odporu (α Pt = 0,0039, α Ni = 0,0062, α Cu = 0,00426 ϑ zmena teploty odpor pri teplotů J Rϑ = R0( 1+ α ϑ) vztah ma platnost jen v malř m rozsahu teplot pro presna merenı a vetsı rozsahy platı: R ϑ = R [ 2 3 ( )] 1+ α ϑ + β ϑ + γ ϑ ϑ 100 0

5 Zakladnı vlastnosti Zakladnıparametry R 0 - zakladnı odpor - hodnota R cidla pri teplote 0 C, tj. v bodu tanı ledu R hodnota R cidla pri teplote 100 C, tj. v bodu varu vody R ϑ - hodnota R cidla pri teplote ϑ C W pomer odporu pri 100 a 0 C W 100 = R 100 / R 0 α - teplotnı soucinitel odporu odporovř ho materialu cidla a = (R R 0 )/ 100 R 0 Material cidla platina nikl me Vlastnosti cidel Material C idla Zakladnı odpor R 0 [ W ] Pomů r odporu W 100 Můricırozsah [ C] Pt 100 1, az 850 Ni 100 1, az 180 (250) Cu 100 1, az 200

6 C idla vinuta Provedenı odporovy ch cidel spiralove stocenyodporovydratek 0,01 az 0,05mm vinutı je ulozeno v kapilarach valcovych keramickych nosnych telısek navinuto na povrchu telısek a preskleno keramickym smaltem vyrabı se s odporem R 0 = 100 a 500Ω C idla vrstvova vinutı nahrazeno odporovou vrstvou z Pt, Ni nanesenou na nosnř desticce (substratu) z korundovř keramiky tlustovrstva technologie nanasenı Pt vrstvy ve forme pasty na substrat sıtotiskem tepelna stabilizace vrstvy laserovř nastavenı pozadovanř hodnoty R 0 rozrezanı na jednotliva c idla a pripevnenı vyvodu tenkovrstva technologie Pt vrstva se nanası naprasovanım nebo naparovanım ve vakuu sirokysortiment hodnot R 0 = 100/200/500/1000/2000,...Ω vyrabı se takř pro technologii SMT

7 Presnost kovovy ch snımacu teploty Trıdy tolerance kovovř odporovř snımace se vyrabejı ve dvou trıdach: trıda A (u Pt pro rozsah -200 az 650 C) trıda B (u Pt pro rozsah -200 az 800 C) tolerancnı pole se obvykle udava grafem Teplotnızavislost odporu matematickyvyraz tabulka grafickř vyjadrenı 1

8 Princip Polovodicový odporový snımace Zmena odporu je zpusobena teplotnı zavislostı koncentrace nosicu naboje Rozdů lenı termistory negastory (termistor NTC - Negative Temperatur Coefficient) posistory (termistor PTC - Positive Temperatur Coefficient) monokrystalickř Si snımac e Porovnanıcharakteristik

9 zapornyteplotnı koeficient Negastory vyroba praskovou technologiı ze smesi oxidu kovu (Fe 2 O 3 +TiO 2, MnO+CoO..), prıpadne karbidu (SiC) teplotnı rozsah : -50 az 200 C, specialnı typy -250 az 1000 C zavislost odporu na teplote je exponencialnı R 1 1 B T T = R0 e Teplotnı koeficient odporu α: R α = R = B 2 0 T T R 1 odpor termistoru pri teplote T 1 R 0 odpor termistoru pri referencnı teplote T 0 (obvykle 298,15 K, tj. 25 C) rozsah 1Ω - 1MΩ B[K] teplotnı konstantaú ; 1500K<B<7000K

10 Vlastnosti a pouzitı negastoru teplotnıkoeficient zaporny a o rad vyssınez u kovu α = -0,03 az -0,06 K -1 vhodne pro můrenımalych zmů n teploty male rozmů ry (perlic kovy termistor) bodovř merenı mala c asova konstanta nelinearnızavislost odporu na teplotů mensıc asova stalost poskozenıpri prehratı pouzitıpro me nů naroc ne aplikace napr. dvoustavova regulace

11 Pozistory kladny teplotnısoucinitel odporu odpor zpocatku mırne klesa od referencnı (spınacı) teploty ϑ J prudce (o 3 rady) narusta [obr] pro vysokř teploty opet klesa vyrabıse z polykrystalicke feroelektricke keramiky (BaTiO 3 ) zavislost odporu na teplotů (v oblasti naru stu R) A ϑ R = R J e R J odpor pri referencnı teplote ϑ J A materialova konstanta (0,16K -1 ) ϑ teplota referencnı teplota (dle chem. slozenı 60 az 180 C) ϑ J pouzitı merenı v zkř m rozsahu teplot dvoustavovř snımac e (signalizace prekroc enı prıpustnř teploty)

12 Polovodicový monokrystalický snımace Princip kuzelovy rozptyl nosicu proudu rozptyl nosicu je mernyjejich pohyblivosti pohyblivost nosicu je merna teplote Struktura snımace Nahradnısche ma R 1 R 2 material - nevlastnı polovodic N (Si) dva sř riove razenř kontakty kov-polovodic - nezavislost na smeru proudu zpetnykontakt na spodnı strane spojuje vnitrnı odpory R 1 a R 2

13 Teplotnı zavislost odporu Zavislost odporu na rozmů rech snımace za predpokladu, ze: d<<d a d<<h (viz struktura) platı: ρ R = d prumer kontaktu ρ mernyodpor d Zavislost odporu na teplotů priblizne platı: R = R 0 + k(ϑ - ϑ 0 ) 2 Odpor nezavisına vnů jsıch rozmů rech snımac e teplotnırozsah: -50 az 150 ΔC jmenovite hodnoty R 25 1; 2 kw a (radovů ) 10-2 K -1 prıklad KTY10

14 Me ricı obvody odporovy ch snımacu Pozadavky kladene na vyhodnocovacıobvody minimalizace vlivu proudu snımacem minimalizace vlivu odporu prıvodu k senzoru analogova nebo cıslicova linearizace Vliv můricıho proudu pruchodem proudu dochazı k oteplenı senzoru chybu lze vyjadrit vztahem: I ϑ = D [W.K -1 ] zatez ovacı konstanta - prıkon D potrebnyk ohratı senzoru o 1K maximalnı mericı proud I dov R 2 ϑ D = R ϑ maximalnı dovolena chyba R maximalnı odpor senzoru v danř m rozsahu u senzoru Pt100 s max. povolenou chybou 0,1ΔC - I dov < 1mA u termistoru (R radove kω - I dov radove mikroampř ry

15 Mu stkový metody merenı Dvouvodic ove pripojenıc idla R ϑ R Cu R J cidlo odpor prıvodu justacnı odpor vliv odporu prıvodu je kompenzovan justacnım odporem justacnı odpor slouzı k presnř mu doladenı rozsahu merenı odpory prıvodu R cu zavisı zpravidla na teplote - chyba merenı kompenzace vlivu teploty na prıvodnı vodice- 3 nebo 4 vodicovř zapojenı

16 Aktivnı mu stky Mu stek zapojeny v sıti OZ prıklad zapojenı zvolıme-li R 1 =R 2 =R, R 3 =R, R 3 =R ϑz ťrϑ vyjadrıme-li R ϑ = R ϑz + R ϑ UV = A Ust pak platı: 2 Rϑ Z

17 C tyrvodicový zapojenı s proud. zdrojem eliminace vlivu odporu prıvodnıch vodicu zesilovac s velkym R i eliminace napů tına pocatku rozsahu U = I st.r JZ U V =A.(Ist.RJ - U) = A. I st. DR J

18 Provedenı odporovy ch kovovy ch snımacu Provedenıjımkove, prostorove Můricıvlozky odporovych snımacu teploty snımace jsou vybaveny vymennymi mericımi vlozkami vlozky obsahujı jedno, dve, vyjimecne i tri cidla prıruba a keramicka svorkovnice dvouvodicovyprevodnık do hlavice snımace teploty Můricıvlozky se obvykle vyrabů jıve variantach: konstrukce s (neohebnym) stonkem vnitrnı vedenı je zasunutř v keramickř c tyrkapilare c idlo je volne uloz eno v kovovř stonkovř trubce mericı vlozka se zvysenou mechanickou odolnostı odolnejsı c idlo volnyprostor uvnitr stonkovych trubek vyplnen keramickym praskem mericı vlozka s vysokou mechanickou odolnostı odolnř cidlo s ohebnym stonkem stonek zhotoven ze zvlasα odolnř ho plasαovř ho kabelu

19 Monokrystalický PN snımace teploty Princip teplotnı zavislost napetı PN prechodu v propustnř m smeru lze odvodit, ze zmena napetı U D / T = -(2,0 az 2,5) mv/k teplotnı zavislost PN diody: Material kremık galiumarsenid

20 Tranzistorový PN senzory princip teplotnı zavislost prechodu BE v propustnř m smeru vyhodnocovacıobvod ze schř matu lze odvodit vztah: U V = U BE U st 2R R V 1

21 Termoelektrický snımace teploty Princip vznik termoelektrickř ho napetı (Seebeckuv jev) material kovy (ruznř ), polovodice vypocet napetı pro malyrozdıl teplot: U= 12 (J m - J s ) [mv, mv/k, K] 12 termoelektrickykoeficient Kovy Polovodice Material termoclanku radove 10 1 µv/k vıce nez 100 µv/k pary materialu jsou ve svete normalizovany termoclanky se znacı dle IEC velkymi pısmeny statickř charakteristiky vybranych termoclanku prıklad konstrukcnıho usporadanı

22 Kompenzace teploty srovnavacıho konce Druhy kompenzacı kompenzac nıvedenı kompenzac nıkrabice kompenzace termostatem izotermicka svorkovnice Kompenzac nıvedenı prodlouz enı termoc lanku umıstenı srovnavacıho konce do prostredı s malymi zmenami teploty prodluzovacı vedenı ze stejnř ho materialu jako termoclanek pouz itı na mensı vzdalenosti

23 Kompenzacnı krabice do sř rie s termoclankem umısten odporovymustek v jednř vetvi mustku je teplotne zavislyodpor (Cu) vystupnı napetı mustku se superponuje k napetı termoclanku

24 Izotermicka svorkovnice ve svorkovnici je umısten teplotne zavislyodpor teplotnı kompenzace je resena softwarove pouzıva se u cıslicovych mericıch a rıdicıch systř mu

25 Dilatacnı snımace teploty Princip zmena dř lky nebo objemu latky v reakci na merenou teplotu Rozdů lenı kovovř tyc ovř bimetalovř kapalinovř

26 Kovový snımace teploty Tyc ovy teplomů r Princip Dř lkova roztaz nost kovovř tyc inky (trubic ky): l [ 1+ ( ϑ ϑ )] ϑ = l0 0 l ϑ dř lka pri merenř teplote l 0 Provedenı: trubice - velkysoucinitel (mosaz) tyc - malř (invar, kremen) Vlastnosti mala citlivost (prevody) merı prumernou teplotu (po celř dř lce) Pouzitı jednoduchř obvody dvoupoloh. regulace α dř lka pri vztaznř teplote souc initel dř lkovř roztaz nosti

27 Kovový snımace teploty Bimetalovy teplomů r Princip nestejna teplotnı roztaznost dvou ruznych kovu je tvoren dvema pasky po celř dř lce spojenymi (naplatovanı, svarenı) vychylka volnř ho konce zavisı na teplote: Vlastnosti citlivost cidla je dana jeho dř lkou a tlousαkou casto se stacı do spiraly nebo do sroubovice pouzitı cca do 400 C y 2 l = k ň a ϑ k soucinitel prohnutı bimetalu [K -1 ] l dř lka [mm] a tlousαka [mm]

28 Kapalinový snımace teploty Princip teplotnı zavislost objemovř roztaz nosti kapalin V = V 0 1 [ + β( ϑ ϑ )] ϑ 0 V ϑ objem pri merenř teplote V 0 objem pri vztaznř teplote β souc initel objemovř roztaz nosti Provedenı jımka s mernou kapalinou rtuα etylalkohol pentan (-38 az 365 C) (-100 az 60 C) (-190 az 15 C) cejchovana kapilara kontakty pro automatickř vyhodnocenı teploty elektrody

29 Tlakový snımace teploty Princip teplotnı zavislost zmeny tlaku mernř latky v uzavrenř m prostoru Slozenısnımac e 1 stonek nadobka s mernou latkou 2 kapilara tenka trubicka spojujıcı stonek s vyhodnocovacım zarızenım 3 tlakomernyc len membrana, vlnovec, Bourdonova trubice

30 Napln stonku Tlakový snımace teploty kapalinove snımac e glycerın (-20 az 290 C), xylen (-40 az 400 C), metylalkohol (-20 az 290 C) kompenzace teploty kapilary bimetal do vyhodnocovacıho zarızenı kompenzac nı kapilara plynove snımac e N 2, H 2, CO 2 nevyz adujı teplotnı kompenzaci parotlac ne snımac e cast stonku je vyplnena tekavou latkou merı se tlak par metylchlorid (-18 az 75 C), etylř ter (35 az 190 C), toluen (120 az 300 C) velka citlivost a presnost

31 Bezdotykový me renı teploty Princip vyhodnocenı tepelnř ho zarenı vysılanř ho merenym predmetem zavislost intenzity zarenı H 0 cernř ho telesa na teplote zavislost lze popsat matematicky Rozdů lenıpyrometru podle rozsahu vlnovych de lek monochromatickř pasmovř radiac nı (celř spektrum) podle zpu sobu detekce subjektivnı (lidskř oko) objektivnı (detektory zarenı) selektivni (Si fotoclanek) neselektivnı (termoc lanek)

32 Monochromatický pyrometry Jasove pyrometry vyuzıvajı monochromatickř zarenı ve viditelnř oblasti λ = 0,65µm pyrometr je vybaven srovnavacım zdrojem zarenı (pyrometricka z arovka) vnitrnı optikou cervenym filtrem obvody pro modulaci jasu prijımanř ho nebo srovnavacıho zarenı jas merenř ho objektu se lidskym okem pres filtr porovnava s jasem srovnavacıho zdroje

33 Provedenı jasovy ch pyrometru Pyrometry s mizejıcım vlaknem Pyrometry s sedym klınem menı se jas pyrometrickř zarovky je-li jas telesa a jas zarovky stejny vlakno nenı videt ma - metr je ocejchovan ve C rozsah omezen teplotou wolframovř ho vlakna (700 az 1500 C) zvetsenı rozsahu - sedyfiltr (3500 C) srovnavacı zdroj ma konstantnı jas klınovysedyfiltr menı jas telesa mericı rozsah (700 az 3500 C) podstatne delsı z ivotnost srovnavacıho zdroje

34 Korekce namerený teploty Namůrenym dajem je jasova teplota cerne ho tů lesa ve skutecnosti nenı zadnyobjekt cernym telesem!! spektralnıemisivita: pomer mezi zarenım cernř ho telesa a skutec nř ho telesa spektralnı emisivita vybranych materialu H ε λ λ = H0λ podle spektralnı emisivity je treba namerenou teplotu korigovat z korekcnıho grafu odecteme hodnotu t, kterou je treba k daji pyrometru pricıst

35 Tolerancnı trıdy odporovy ch teplome ru

36 Struktura a teplotnı zavislost termistoru SiC Vyroba vysokofrekvencnı naparovanı na substrat Al 2 O 3 Konstanta B dle teploty rozsah 1600 K az 3400 K Zakladnıhodnota R (pri 25 ΔC) 10 kω az 1 M Ω

37 Dvojvodicový prevodnıky pro Pt100

38 Jımkový odporový teplome ry

39 Prostorový odporový teplome ry

40 Statický charakteristiky termoclanku

41 Konstrukcnı usporadanı termoclanku

42 Korekcnı graf pro jasovy pyrometr