SENSIT DIDAKTIK 10. Sada laboratorních úloh z fyziky na téma Měření teploty. Teoretická část

Transkript

1 SENSIT DIDAKTIK 10 Sada labratrních úlh z fyziky na téma Měření teplty Teretická část Autr textu: dc. RNDr. Zdeněk Bchníček, Dr. Přírdvědecká fakulta MU Brn; Ústav fyzikální elektrniky - Fyzikální sekce Sada SENSIT DIDAKTIK 10 bsahuje: Č. specifikace 01 Vzrek č.1 - TGL-40; Pt100; 1m kabel PVC 02 Vzrek č.2 - TGL-40; Pt1000; 1m kabel PVC 03 Vzrek č.3 - TGL-40; N1A; 1m kabel PVC 04 Vzrek č.4 - TGL-40; N1; 1m kabel PVC 05 Vzrek č.5 - TGL-40; NTC 10kOhm; 1m kabel PVC 06 Vzrek č.6 - TGL-40; TC K; 1m 07 Vzrek č.7 - TGL-40; TC K; 1m 08 Vzrek č.8 - TR 161; Pt1000; 1m kabel PVC 09 Redukční přípravek 10 Kufřík jakžt bal 11 Text Teretická část 12 Text Praktická část Upzrnění: Tat učební pmůcka vznikla ve splupráci SENSIT s.r.. a Ústavu fyzikální elektrniky Př.F MU Brn a je dtvaná výrbcem SENSIT s.r.. Nesmí být pužita ke kmerčním účelům! SENSIT s.r.. Šklní 2610 Ržnv pd Radhštěm , Czech Republic bchd@sensit.cz IČ: , DIČ:CZ , Obch. rejstřík: KOS Ostrava C/

2 Měření teplty Pkrčilý studijní text pr učitele Autr: dc. RNDr. Zdeněk Bchníček, Dr. Přírdvědecká fakulta MU Brn; Ústav fyzikální elektrniky - Fyzikální sekce Obsah Úvd... 2 Odprvá čidla... 3 Kvvé dprvé senzry teplty... 3 Plvdičvé dprvé senzry teplty termistry... 4 Elektrické zapjení dprvých čidel... 6 Ohřev snímače měřicím prudem... 9 Vliv přívdních vdičů Termelektrické články Infračervené teplměry, pyrmetry Jasvý pyrmetr Infračervený teplměr Úvd Teplta patří k nejdůležitějším charakteristikám termdynamických systémů. Je t prt, že řada vlastnstí i dějů, které v systémech prbíhají, na tepltě více či méně závisí. Měření teplty je prt důležitý experimentální úkl, kterému se nevyhnu výzkumné a vývjvé labratře ani průmyslvá praxe. Tepltní závislst řady jevů nás na jedné straně nutí v řadě případů tepltu měřit, na druhé straně nám dává mžnst těcht tepltních závislstí využít jak metd k vlastnímu měření teplty. V rzmanitsti různých experimentálních metd teplta nesnese srvnání z žádnu jinu měřenu fyzikální veličinu. 2

3 Odprvá čidla Odpr je veličinu, která becně vždy závisí na tepltě. Navíc je výhdné, že měření dpru je měřením elektrickým a lze je tedy snadn implementvat d elektrnických autmatizvaných systémů měření a řízení technlgických prcesů. Prt jsu dprvé snímací prvky v sučasné technické a průmyslvé praxi zřejmě pužívané nejčastěji. Kvvé dprvé senzry teplty Odpr kvvéh vdiče s tepltu rste. Důvdem je rzptyl elektrnů nsitelů prudu na kmitech mříže, který je tím větší, čím je teplta vyšší. Pr malý rzsah teplt, přibližně v intervalu 100 C, lze pužít lineární závislst dpru na tepltě ve tvaru R = R (1 + α t). (1) Tereticky můžeme pužít libvlný kv, v praxi se však pužívá jen něklik mál materiálů, které nejlépe vyhvují zejména pžadavkům stálsti. Nejužívanější materiály jsu uvedeny v následující tabulce materiál α (K -1 ) v celém tepltním rzsahu α (K -1 ) v intervalu 0 C C tepltní rzsah pužití Pt (0,385 0,391) , C C Ni (0,617 0,675) , C C Cu (0,426 0,433) , C C Pr kmerční pužití čidel byl zaveden značení vyjadřující typ snímače a hdntu jeh dpru při dané dhdnuté tepltě, typicky 0 C. K nejpužívanějším snímačům patří Pt100, Pt1000 a Ni1000, tj. snímače, které mají při tepltě 0 C dpr 100 Ω resp 1000 Ω. Standardem mezi kvvými dprvými snímači je snímač Pt100. Výhdnější je však vyšší hdnta dpru (Pt1000), zejména kvůli nižšímu vlivu dpru přívdních vdičů. Ve starší tzv. drátkvé technlgii však vyšší základní dpr znamenal vyšší cenu snímače vzhledem k nutnému pužití většíh mnžství drahéh kvu. Při mderní tenkvrstevné technlgii již sptřeba materiálu nevlivňuje významně cenu a t dvluje výrbu levných snímačů i vyššíh základníh dpru. Pr větší rzsah teplt již nelze pužít lineární aprximaci tepltní závislsti dpru a závislst se aprximuje plynmem vyššíh řádu. Pr platinvý snímač a tepltní rzsah C 0 C je tepltní závislst dpru dána vztahem R = R + At + Bt + Ct t (2) 2 3 t [1 ( 100)] a pr tepltu vyšší než 0 C vztahem 3

4 kde R je dpr při tepltě 0 C A = 3, K -1 B = -5, K -2 C = -4, K -4 R = R + At + Bt (3) (1 2 ) t Pr tepltní závislst dpru niklvéh snímače lze pužít v celém pracvním rzsahu vztah kde A = 5, K -1 B = 6, K -2 C = 2, K -4 D = 2, K -6 R = R + At + Bt + Ct + Dt (4) ( ) t Tepltní závislst dprvých čidel Pt a Ni je na br. 1. R t / R 0 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 Nikl Platina teplta C Obr. 1 Tepltní závislst Pt a Ni dprvých čidel (vlev), knstrukce Pt čidla (vprav). Ptřebnu inverzní závislst získáme nejsnáze numericky, prlžením vhdnéh plynmu inverzní funkcí t(r) (prsté prhzení slupce X a Y při kreslení grafu). Plvdičvé dprvé senzry teplty termistry Plvdičvé dprvé senzry teplty patří k nejpužívanějším tepltním čidlům zejména v blasti sptřební elektrniky, jak například dmácí a venkvní digitální teplměry. K jejím výhdám patří vyská tepltní citlivst (asi řád vyšší než u kvů), malé rzměry a cena. Nevýhdu je nelineární tepltní charakteristika, menší rzsah teplt a menší dluhdbá stabilita v prvnání s platinvými dprvými čidly. 4

5 Obr. 2 Termistry NTC. Odpr vlastníh plvdiče s tepltu klesá. S rstucí tepltu se ttiž zvyšuje pravděpdbnst excitace elektrnu z valenčníh d vdivstníh pásu, tak rste kncentrace nsitelů nábje elektrnů ve vdivstním pásu a děr v pásu valenčním. Zvýšení rzptylu nsitelů nábje s tepltu, které určval brácenu tepltní charakteristiku u kvů, má zde méně významný vliv. Termistry s tímt typem tepltní závislsti se nazývají negastry (NTC termistry). V případě vyské dtace plvdiče se tepltní charakteristika brací. Dpváním plvdiče ttiž zvýšíme tepltně nezávislu kncentraci vlných nsitelů nábje a tím materiál získává charakter kvu. Termistry tht typu nazýváme pzistry (PTC termistry). Pzistry vyrbené z plykrystalické ferelektrické keramiky (např. titaničitan barnatý (BaTiO 3 ) se vyznačují strmým nárůstem dpru nad Curievu tepltu (teplta, při které materiál ztrácí ferelektrické vlastnsti) a pužívají se zejména jak tepltní pjistky v elektrnických bvdech. Pzistry se k měření teplty prakticky nepužívají. Pkud tedy v technické praxi mluvíme termistrech, máme většinu na mysli snímače se záprnu tepltní charakteristiku negastry. Tepltní závislst termistru lze charakterizvat vztahem B R( t) = Ae t (5) Ve skutečnsti však knstanta B není knstantu a je tepltně závislá. Pr výpčet teplty z dpru termistru ve většině aplikací pstačují přibližné tzv. Steinhart-Hartvy vztahy 3 1 ln ( ) (ln ( )), t = a + b R t + c R t (6) které uspkjivým způsbem tepltní charakteristiku aprximují. Srvnání tepltních závislstí dpru kvvých prvků a termistru je na br. 3. 5

6 Obr. 3 Srvnání tepltní závislsti dpru kvvých čidel a termistru NTC. Elektrické zapjení dprvých čidel Relativní změna dpru je malá a k dsažení ptřebné citlivsti nelze měřit dpr a jeh změnu přím, například z Ohmva zákna. Je-li ttiž tepltní dprvý keficient řádu 10-3, pak se změnu teplty 1ºC se velikst prudu prtékajícíh dprem (při pužití stabilizvanéh zdrje napětí) změní také v řádu 10-3, cž je již v úrvni chyby běžných elektrických měřicích přístrjů. Mnhem výhdnější je pužít metdu, ve které neměříme malu změnu na pzadí velké hdnty, ale s níž měříme přím změnu samtnu. Th dsáhneme s pužitím Wheatstneva můstku. R 1 R 2 V R 3 R 4 U Obr. 4 Zapjení dprvéh čidla d můstku.čidl je na místě šedéh bdélníku. 6

7 Klasický Wheatstneův můstek je na br. 4. Při vyvážení můstku (tj. když na vltmetru je nulvé napětí) platí R R R R 1 3 =. (7) 2 4 Pkud míst dpru R1 zapjíme dprvé čidl, dstaneme R (1 α t) R R R + = 3, (8) 2 4 kde R je dpr čidla při jisté srvnávací tepltě a α tepltní dprvý keficient. Odtud již jednduše získáme 1 R R α R R 3 2 t = 1, (9) 4 Výše uvedený pstup však není výhdný pr rutinní měření a t zejména v případě, kdy chceme měření autmatizvat pmcí výpčetní techniky. Vhdnější je pstupvat následujícím způsbem. S pmcí prměnnéh dpru R 4 vyvážíme můstek při jisté srvnávací tepltě t. Při následném měření již můstek nevyvažujeme, ale měříme úhlpříčné napětí můstku. Pkud měříme napětí vltmetrem s velmi vyským vnitřním dprem (a všechny digitální vltmetry neb přídavné měřicí karty d PC tut pdmínku splňují), pak i v případě nevyváženéh můstku pteče dpry R 1 a R 2 stejný prud (značíme I 1 ). Pdbně symblem I 2 budeme značit prud tekucí dpry R 3 a R 4. Zřejmě platí ( R1 R2 ) I1 U + = (10) ( R3 R4 ) I2 U + = (11) přičemž stejně jak dříve je na místě dpru R 1 dprvé tepltní čidl s tepltní závislstí R1 = R (1 + α t). Pkud byl můstek při tepltě t vyvážen, plyne z 2. Kirchhffva zákna pr levu smyčku vztah R I = R I (12) dkud p dsazení z rvnic (10) a (11) dstaneme R R3 = R + R R + R (13) Není-li můstek vyvážen, plyne bdbně z 2. Kirchhffva zákna pr levu smyčku rvnice 7

8 R1I 1 = R3I 2 + U (14) P dsazení tepltní závislsti dpru R1 = R (1 + α t) a malých úpravách získáme vztah U R (1 + α t) R R (1 + α t) + R2 R3 + R4 Pkračujeme v úpravách výrazu v hranaté závrce: 3 = U. U R (1 + α t) R R + R2 + Rα t R3 + R4 3 = U. U R 1+ α t R R + R 1+ R + R R + R 2 3 = R 2 α t 3 4 U. Pr úpravu slženéh zlmku využijeme aprximaci dstaneme 1 (1 x) pr x 1 s jejíž pmcí 1+ x R R α t R 3 U (1 + α t) 1 = U. R + R2 R + R2 R3 + R4 S využitím rvnice (13) a p rznásbení závrek dstaneme R R R U α t α t α t = U R3 + R4 R3 + R4 R3 + R4 Třetí člen v závrce je druhéh řádu malsti a můžeme jej vzhledem k prvním dvěma členům zanedbat. Dále algebraickými úpravami vylučíme veličinu t. U t = αu R + R R R3 1 R + R 3 4, a p dstranění slženéh zlmku získáme výsledný vztah 2 U ( R3 + R4 ) t =. (15) αu R R 3 4 8

9 Vidíme, že měřená teplta je přím úměrná napětí na můstku; knstanta úměrnsti je určena pužitým napájecím napětím a hdntami dprů v můstku. Pkud pužijeme symetrický můstek, pr který při vyvážení platí R = R2 = R3 = R4, rvnice (15) se zjednduší na 4U t = (16) Uα Je však třeba mít na mysli, že uvedený pstup veducí k jednuché přímé úměře mezi měřeným napětím a tepltu využil něklika aprximací, které jsu tím lépe splněny, čím je tepltní rzdíl d srvnávací teplty menší. Rutinní uživatel dprvých čidel se jejich elektrickým zapjením netrápí. Ve standardním srtimentu výrbců jsu elektrnické převdníky, které převádějí signál z čidla na tzv nrmalizvaný prudvý či napěťvý výstup (viz. br. 5). T znamená, že teplta v daném měřicím rzsahu je lineárně zbrazena na určitý napěťvý či prudvý interval, např V, 4 20 ma apd. Odprvé čidl ve spjení s elektrnickým převdníkem představuje phdlný, splehlivý a relativně přesný způsb měření teplty, který lze velmi jednduše pužít v autmatizvaných systémech sběru dat a řízení technlgických prcesů. Obr. 5 Převdník teplta-napětí, výrbce SENSIT s.r. Ohřev snímače měřicím prudem Při měření dpru se nevyhneme nutnsti nechat prtékat vlastním snímačem elektrický prud. Tent prud způsbí hřev snímače Julevým teplem. Výkn elektrickéh prudu je dán vztahem 2 U P =, (17) R kde U je napětí na snímači a R jeh dpr. Z tht vztahu plyne výhda snímačů s vyšším dprem (tedy např. Pt1000 prti Pt100), které při stejném napětí na snímači typicky přím měřená veličina jsu zatíženy menším tpným výknem. Z uvedenéh je také zřejmé, že při měření nelze zatěžvat dprvé čidl příliš velkým prudem, cž klade mezení na napájecí napětí U. Běžné hdnty měřícíh prudu se phybují v intervalu 0,3 1mA, cž při pužití čidla Pt1000 dpvídá hdntě U klem 1V. 9

10 Vliv přívdních vdičů Při měření teplty dprvými čidly může nastat případ, kdy je měřený bjekt více vzdálen d vyhdncujících elektrnických bvdů. V tm případě musí být délka vdičů, které připjují vlastní čidl, velká, takže becně nelze zanedbat dpr přívdních vdičů R V. Situace je schematicky znázrněna na br. 6. R 1 R V R V R 2 V R 3 R 4 U Obr. 6 Vliv přívdních vdičů s dprem R V. Prblémem přitm není dpr vdičů samtných, který kmpenzujeme při vyvažvání můstku a jehž vliv můžeme zapčítat. Měření může být nepředvídatelně vlivněn až kvůli tepltním změnám dpru přívdních vdičů, ke kterým dchází, pkud nezajistíme termstatizaci celé přívdní trasy. Částečnu, ale ve většině případů pstačující kmpenzaci zajistí třívdičvé vedení pdle br. 7. V tmt zapjení vlivní dpr přívdních vdičů sučasně dvě větve můstku a navzájem se kmpenzují. 10

11 R 1 R V R V R V R 2 V R 3 R 4 U Obr. 7 Třívdičvá kmpenzace. Termelektrické články Pkud spjíme dva různé vdivé materiály (kvy neb plvdiče) ve dvu místech pdle brázku 8 tak, že spje S1 a S2 budu mít různu tepltu, vznikne mezi spji tzv. termlektrické napětí a uzavřeným bvdem začne prtékat termelektrický prud. Tent jev se nazývá také Seebeckův a suvisí s difúzí vlných nsitelů nábje z teplejších míst d chladnějších. kv 1 kv 2 spjvací vedení A S1 S2 B t 1 t 2 mv Obr. 8 Termelektrický článek spjení dvu různých kvů.. Tepltní charakteristika termelektrickéh napětí je i v relativně velkém rzsahu přibližně lineární; lze ji tedy charakterizvat vztahem U = β ( t t ) (18)

12 kde β je tzv. termelektrický keficient. Pkud d bvdu termčlánku zapjíme vdiče z jinéh materiálu (tzv. spjvací vedení), nedjde ke změně termelektrickéh napětí, jsu-li všechny statní spje na téže tepltě (viz například bdy A a B na br. 8). T je důležitá vlastnst, díky které můžeme za předpkladu tepltní hmgenity prstředí pužít pr spjení termčlánku s měřícím přístrjem libvlné vhdné vdiče (nejčastěji měděné). Pkud tepltní hmgenitu zajistit nelze, musíme pstupvat některým z následujících dvu způsbů: 1) Pužít materiál termčlánku pr celý bvd až ke svrkám měřicíh přístrje ( kterém lze předpkládat, že má hmgenní tepltu) a neb alespň d míst, kde lze hmgenitu teplty s pžadvanu přesnstí zajistit. 2) Pužít tzv. prdlužvací (kmpenzační) vedení z jiných kvů, které všem mají termelektrický keficient c nejbližší materiálům termčlánku. Tent pstup se vlí, pkud je nutné pr vlastní termčlánek pužít drahých kvů (například z důvdů pžadvanéh tepltníh rzsahu) a kmpenzační vedení může být realizván materiály levnějšími. V technické praxi se nejčastěji pužívá termčlánek, který má puze jeden spj různých kvů. Druhý spj je pak v místě, kde se připjuje spjvací vedení neb přím měřicí přístrj. Na br. 9 je zakreslen schéma termčlánku s jedním spjem, dplněným kmpenzačním a spjvacím vedením. srvnávací teplta S t 1 t 2 mv termčlánek kmpenzační vedení spjvací vedení Obr. 9 Termelektrický článek s jedním spjem. Pr nejpřesnější měření je nutné srvnávací tepltu termstatizvat. Přitm je nejvýhdnější využít termčlánku s běma knci, z nichž jeden umístíme d termstatu. Velmi dbrý termstat jednduše získáme pmcí směsi ledu a vdy v Dewarvě nádbě, která se bez jakékliv aktivní termstatizace udržuje na tepltě 0ºC. Příklad zapjení termčlánku s běma knci je na br

13 iztermický prstr S t 1 mv spjvací vedení termstat Obr. 10 Termelektrický článek se dvěma spji. První spj je měřicí a druhý je termstatizván. t 2 Z předchzíh textu jednznačně vyplývá, že termčlánky měří puze rzdíl teplt, nikliv abslutní hdntu teplty. Přest jsu běžně na trhu digitální teplměry s termčlánkvými sndami, které abslutní hdntu teplty ukazují (viz br. 11). T lze zařídit jen tak, že vlastní elektrnická část teplměru je vybavena tepltním čidlem, které měří abslutně tepltu samtnéh teplměru (například termistr) a k jehž údaji se tepltní rzdíl určený termčlánkem přičítá. Obr. 11 Digitální teplměr s tepltní termčlánkvu sndu typu K. Kód slžení K T J NiCr(+) NiAl(-) chrmel alumel Cu(+) CuNi(-) měď knstantan Fe(+) CuNi(-) želez knstantan tepltní rzsah (dluhdbý) β (µv/ºc) (při 100ºC) β (µv/ºc) (při 500ºC) β (µv/ºc) (při 1000ºC)

14 N E R S G NiCrSi(+) NiSiMg(-) nicrsil nisil NiCr(+) CuNi(-) chrmel knstantan PtRh13 Pt platina rhdium platina PtRh10 Pt platina rhdium platina W(+) WRh(-) wlfram wlfram rhenium Infračervené teplměry, pyrmetry Každé těles na tepltě vyšší než abslutní nula (tedy skutečně každé) vyzařuje elektrmagnetické záření. Tt záření nazýváme tepelné, abychm jej dlišili d záření vznikléh jiným způsbem, například luminiscencí. Emise tepelnéh záření je vlivněna zejména tepltu, ale také vlastnstmi pvrchu tělesa. Ukazuje se, že nejvíce září t těles, jež v dané blasti vlnvých délek nejvíce absrbuje. Ideálním zářičem je tedy těles zcela phlcující dpadající záření, tzv. dknale černé těles. Odchylka knkrétníh pvrchu d dknale černéh ppisuje veličina zvaná emisivita ε, která je definvaná jak H ε = (19) H kde H je intenzita vyzařvání danéh tělesa a H intenzita vyzařvání tělesa dknale černéh. Se změnu teplty jsu spjeny dva charakteristické jevy: 1) S rstucí tepltu se zmenšuje vlnvá délka, při které je vyzařvání největší. Tut závislst ppisuje tzv. Wienův psunvací zákn λ 3 maxt knst 2, mk = = (20) 2) Sučasně se vzrůstem teplty prudce narůstá celkvá vyzářená energie dle Stefanva Bltzmanva zákna H = σt, σ = 5,67 10 Wm K (21) Obě výše uvedené závislsti jsu zdůvdněním th, že záření těles, která nás běžně bklpují, nevnímáme a sama existence tht záření je pr mnhé laiky překvapení. Těles na pkjvé tepltě má maximum vyzařvání pr vlnvu délku cca 10 µm, cž je dalek d blastí viditelnéh světla. 14

15 Spektrální závislst intenzity vyzařvání (přesněji řečen spektrální hustta intenzity vyzařvání) dknale černéh tělesa je ppsána tzv. Planckvým vyzařvacím záknem ve tvaru H λ 2 2π hc = hc 5 kλt λ e 1 (22) kde h je tzv. Planckva knstanta h 34 = 6, Js. Příklady závislstí pr některé teplty jsu na br. 12. intenzita (rel) 1,0 0,8 0, K intenzita (rel) 0,07 0,06 0,05 0, K 0,4 0, K 0, K 0,2 0, K 3500 K λ (nm) 0,01 0,00-0, K 2000 K λ (nm) vyšší teplty nižší teplty intenzita (rel) 0,010 0,008 0,006 UV záření 3500 K viditelná blast 3000 K 2500 K IR záření 0,004 0, K 0, λ (nm) detail viditelné blasti Obr. 12 Spektrální hustta vyzařvání dknale černéh tělesa. Planckův vyzařvací zákn je úplným ppisem záření dknale černéh tělesa. Dříve uvedené zákny Wienův psunvací a Stefanův-Bltzmannův jsu v něm bsaženy a je mžné je z Planckva zákna dvdit. 15

16 Z výše uvedenéh ppisu je zřejmé, že tepelné záření emitvané tělesem nese infrmaci tepltě tělesa a může být využit pr bezkntaktní měření teplty. Přístrje měřící tt záření nazýváme infračervené (IR) teplměry neb pyrmetry. Základním prblémem při měření IR teplměry je určení emisivity měřenéh pvrchu. Z definice emisivity a Stefanva Bltzmannva zákna plyne vztah mezi skutečnu tepltu tělesa T a tepltu T p, kteru ukazuje IR teplměr předpkládající, že těles je dknale černé. T T p = (23) 4 ε Většina lepších IR teplměrů má mžnst krekce na emisivitu měřenéh tělesa. Pkud na přístrji nastavíme správnu emisivitu, prvádí přístrj autmaticky krekci a ukazuje správnu hdntu teplty. Jasvý pyrmetr Klasickým přístrjem je tzv. jasvý pyrmetr, ve kterém subjektivně pzrváním lidským kem prvnáváme jas měřenéh bjektu s jasem vlákna žhavenéh elektrickým prudem (viz br. 13). Prud měříme ampérmetrem, který je přím cejchván jak tepltní stupnice. Jasvý přístrj můžeme pužít jen pr měření takvých teplt těles, při kterých je pdstatná část záření emitvána ve viditelné blasti. Knkrétně jde teplty d 700ºC d cca 2300ºC. Obr. 13 Jasvý pyrmetr. Obrázky převzaty z [2] a [3] Při měření pstupujeme tak, že phledem d kuláru a dalekhledu pzrujeme wlframvé vlákn na pzadí měřenéh bjektu. Otáčením restatu d se snažíme nastavit prud tekucí vláknem tak, aby se jas vlákna rvnal jasu zářícíh pvrchu a vlákn zcela splynul s pzadím. V tm kamžiku přím dečteme tepltu z ampérmetru c. 16

17 Infračervený teplměr Pr měření nižších teplt musíme pužít snímač, který je schpen detekvat delší vlnvé délky, tedy infračervenu blast elektrmagnetickéh spektra. V praxi se pužívá něklik mžnstí detekce infračervenéh záření. Lze je rzdělit následujícím způsbem: 1) tepelné měří hřev čidla na který dpadá fkusvaný svazek IR záření. Pr detekci hřevu lze využít následující jevy: a. termelektrický. IR záření hřívá baterii sérivě zapjených termčlánků (cca 100) a měříme celkvé genervané napětí. b. dprvý. Oteplení detektru je snímán prstřednictvím změny dpru vhdnéh materiálu, Pužívají se nejčastěji kysličníky MgO, MnO, NiO, TiO 2 a jiné. Tyt detektry nazýváme blmetry. Mikrblmetrické senzry lze uspřádat d plšné matice, a tak získat plšný detektr termvizních kamer. c. pyrelektrický. Pyrelektrický jev je změna spntánní plarizace v závislsti na tepltě u některých materiálů zvaných pyrelektrika. Nejčastěji se pužívají keramické materiály na bázi titaničitanu a zirkničitanu lvnatéh (značení PZT), triglycin sulfát (TGS), plyvinylflurid (PDF). Snímač je knstruván tak, že pyrelektrická látka tvří dielektrikum kndenzátru, na němž při změně teplty dchází k indukci elektrickéh nábje. 2) kvantvé. Při absrpci ftnu elektrnem z valenčníh pásu plvdiče djde k excitaci elektrnu z valenčníh d vdivstníh pásu a ke vzniku páru elektrn díra. Bližší infrmace tmt mechanismu lze nalézt v [4]. Zvýšením kncentrace nsitelů prudu elektrnů a děr djde ke dvěma jevům: a. zvýšení vdivsti (snížení dpru) hmgenníh plvdiče. Jev nazýváme ftvdivst a takt pracující sučástky ftdpry. Změnu dpru pak můžeme detekvat pdbným způsbem, jak u dprvých tepltních čidel. b. generaci elektrickéh napětí. Djde-li k absrpci ftnu v blasti p-n přechdu, pak elektrické ple, jež je spntánně v blasti p-n přechdu přítmné, ddělí ba druhy nsitelů prudu d sebe a vzniká elektrické napětí, případně v uzavřeném bvdu elektrický prud. Tent jev nazýváme ftvltaický. 1 Měření vznikléh napětí je již standardní experimentální úkl. Důležitu charakteristiku IR teplměru je tzv. ptika Ω, která určuje velikst blasti, z níž IR teplměr záření snímá. Optika je definvána jak pměr průměru snímané blasti a její vzdálensti d přístrje, viz br. 14 a). Ω = D : l. (24) Je však třeba mít na paměti, že průměr snímané blasti neklesá se snižující se vzdálenstí d přístrje k nule, jak by mhl naznačvat br. 14 a), ale má jistu minimální hdntu D min. Reálný prfil snímané blasti vystihuje br. 14 b). 1 Právě tent jev je základem činnsti tzv. slárních článků, které umžňují přímý převd slunečníh záření na elektricku energii, a tak vytvářejí iluzi dknaléh a eklgicky čistéh zdrje energie. 17

18 teplměr snímaná plcha D teplměr D min snímaná plcha D l l (a) (b) Obr. 13 (a) K definici ptiky IR teplměru. (b) Reálný prfil snímané blasti. V praktiku máme k dispzici IR teplměr OSXL689 s ptiku 1 : 50 a s minimálním průměrem snímané blasti D min = 20 mm. Kruhem z laservých stp přístrj vyznačuje aktuální blast, z níž snímá IR záření, cž činní práci s tímt měřicím přístrjem velmi phtvu a phdlnu.. Literatura [1] Marcel Kreidl, Měření teplty, BEN technická literatura, Praha [2] [3] [4] 18