Teorie měření a regulace

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace měření teploty SP-t.2. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 Další pokračování o měření teploty a tepla

3 Termistory (krystalické) V posledních cca 20 letech se jako čidlo velmi často používá polovodič (polykrystal, nebo čistý krystal Si nebo Ge), který má výhodu v tom, že součástí měrného čipu může být zároveň obvod první úpravy signálu. Základní rozdělení tohoto druhu snímačů: polykrystalické termistory monokrystalické klasický polovodič s p-n nebo n-p přechodem.

4 Termistory

5 Termistory (krystalické) Dělí se na: negastory (zkratka NTC), se zápornou závislostí odporu na teplotě pozistory (PTC), s kladnou závislostí odporu na teplotě Teplotní součinitel odporu termistorů je pětkrát až padesátkrát větší než u kovových odporových snímačů. - R 0 od 10 1 do 10 6 Ω. Používají se především k měření nízkých a středních teplot - +4,2 až 600 K ( 269,8 až +327 C), horní hranice je zatím C.

6 Termistory NTC (negastory) Tento typ snímače využívá fyzikální závislost materiálu, z něhož je vyroben, kdy odpor v závislosti na teplotě klesá. Mají záporný teplotní koeficient pro nižší teploty strmější. Průběh statické charakteristiky je vždy nelineárním průběhem funkce odporu na teplotě. Jeho čidlo je podle typu a způsobu zapojení vstupního obvodu navazujícího přístroje, víceméně ovlivňováno proudem jím procházejícím. Materiály na bázi kysličníků: Fe 2 O 3, TiO 2, CuO, MnO, NiO, CoO a BaO.

7 Termistory NTC (negastory) NTC termistory se běžně používají pro měření teplot v teplotním rozsahu -50 až 150 C. Kromě přímého měření teploty mohou být termistory použity i pro měření jiných fyzikálních veličin např.: měření rychlosti průtoku kapalin a plynů potrubím teplotní kompenzace součástek v elektronických obvodech termostat požární hlásič.

8 Termistory NTC (negistory)

9 Termistory PTC (posistory) Má opačnou vlastnost odpor v závislosti na teplotě stoupá. Obvykle pro vyšší teploty strměji (pro nízké teploty někdy i trochu klesá je silně nelineární) - mají kladný teplotní koeficient. Stejně tak má nelineární statickou charakteristiku průběhu funkce odporu na teplotě. I jeho čidlo je, podle typu a způsobu zapojení, ovlivňováno proudem jím procházejícím. Obvyklým konstrukčním materiálem je polykrystalický kysličník BaTiO 2.

10 Tlustovrstvé termistory Jsou to velice levné a spolehlivé prvky pro dotyková měření teplot v průmyslu (v technologiích, v automobilech, v telekomunikacích aj.), ale i v lékařských aplikacích (!) Mají dostatečnou celkovou robustnost, malé rozměry, vysokou, mechanickou, chemickou odolnost a tepelnou přetížitelnost. Nevynikají vysokou přesností, ale pro běžné (nelaboratorní) aplikace je dostačující (1 % běžně). Jsou velmi rychlé dotyk je celou plochou čidla a miniaturní konstrukce zpožďuje přenos tepla jen minimálně. VR - ZS 2009/2010

11 (3.13) Termistory PTC (posistory) Teplotní závislost odporu termistoru a termodynamická teplota termistoru T je dána vztahem R Ae B T T kde R je odpor termistoru T ln A je konstanta závislá na geometrickém tvaru termistoru a materiálu nebo je to odpor při referenční teplotě B T je materiálová konstanta, která závisí na teplotě T T je termodynamická teplota termistoru. R R B 25 T B T T 25 1 B T ln 1 R R 25 1 T 25

12 Tlustovrstvé odporové teploměry (RTD) Jsou charakterizovány rozměrově tenkou dlouhou a různě tvarovanou linkou ze speciální pasty. Existují provedení NTC i PTC. Běžnější jsou NTC s teplotním součinitelem α = -3(7) * 10-3 K-1. Mají velmi dobrou linearitou. VR - ZS 2009/2010

13 Monokrastalické polovodičové termistory Pro měření teplot v rozsahu 160 až +150 C a čidla z arzenidu galia pro rozsah 270 až +270 C, u SiC do +450 C. Vyrábějí se z germania (Ge), křemíku (Si) a arzenidu galia (GaAs). S přechodem PN (diody, tranzistory) se používají v rozmezí teplot 1 až 400 K - výhodou polovodičové diody (tranzistoru v diodovém zapojení) je lineární závislost výstupního napětí přechodu na teplotě - v pásmu 1 až 30 K je citlivost čidla 55 mv/k, mezi 30 až 400 K je 2,75 mv/k - křemíková čidla se vyznačují malým šumem, jsou ale citlivější na vnější magnetické pole.

14 Tlustovrstvé termistory Jsou to velice levné a spolehlivé prvky pro dotyková měření teplot v průmyslu (v technologiích, v automobilech, v telekomunikacích aj.), ale i v lékařských aplikacích (!) Mají dostatečnou celkovou robustnost, malé rozměry, vysokou, mechanickou, chemickou odolnost a tepelnou přetížitelnost. Nevynikají vysokou přesností, ale pro běžné (nelaboratorní) aplikace je dostačující (1 % běžně). Jsou velmi rychlé dotyk je celou plochou čidla a miniaturní konstrukce zpožďuje přenos tepla jen minimálně.

15 Tlustovrstvé odporové teploměry (RTD) Jsou charakterizovány rozměrově tenkou dlouhou a různě tvarovanou linkou ze speciální pasty. Existují provedení NTC i PTC. Běžnější jsou NTC s teplotním součinitelem α = -3(7) * 10-3 K-1. Mají velmi dobrou linearitou.

16 Srovnání teplotní závislosti termistoru, Pt čidla a Ni čidla Odpor R [Ω] NTC termistor 20 Ω Pt1000 Ni Teplota T [K]

17 Termoelektrické snímače V 18. stol. A. Volta objevil, že při dotyku dvou různých kovů mezi nimi vzniká kontaktní napětí, přičemž zjistil, že jeho velikost závisí na druhu kovů a také na teplotě - přesněji Seebeckův jev Termoelektrické snímače pracují na principu vzniku termoelektrického napětí v místě (bodě) spojení (svaru) dvou vhodných materiálů obvykle kovů s rozdílným termoelektrickým potenciálem. Spojení je perličkový svár zaručujícího minimální fyzické rozměry takto vzniklého čidla - při dotykovém měření vyšších teplot představují v podstatě jediné řešení použitelné v praxi. Vlastnostmi kovů je dán pracovní rozsah teplot.

18 Termoelektrické snímače Materiál na výrobu termočlánků by měl vykazovat: co největší přírůstek termoelektrického napětí s teplotou maximálně (přirozeně) lineární přírůstek termoelektrického napětí s teplotou stabilitu údaje při dlouhodobém provozu stabilitu pro opakovatelnost měření odolnost proti chemickým a mechanickým vlivům. Páry materiálů pro vytvoření termočlánků jsou normalizovány.

19 Termoelektrické snímače Na styku dvou různých kovů s různou výstupní prací vzniká rozdíl potenciálů E úměrný teplotě tohoto místa a použitým materiálům. Při uzavření obvodu bude výstupní termoelektrické napětí U úměrné rozdílu teploty obou míst E º U = f[α (ϑ1 ϑ2)] kde ϑ1 je teplota měřicího spoje, ϑ2 teplota srovnávacího spoje (vztažná teplota, ČSN IEC 584), α Seebeckův koeficient použitých materiálů.

20 Termoelektrické snímače Jestliže teplota měřicího spoje bude různá od teploty t 0 srovnávacího spoje, vzniká termoelektrické napětí a obvodem prochází elektrický proud. Dále uvedený první vztah platí jen pro úzké rozmezí teplot.

21 Ve zjednodušené formě můžeme závislost termoelektrického napětí na teplotě vyjádřit lineárním vztahem: E = α AB * t m + α BA * t 0 = α AB * ( t m - t 0 ) α AB je koeficient závislý na materiálech použitých kovů a platí: α AB = - α BA. Pro přesnější vyjádření se používá vztahu: E = Σ a i * Δt. pro i = 0 až n (2 až 14 podle požadované přesnosti)

22 Zapojení měřicího obvodu s termočlánkem Dva spojené kovové vodiče A a B navzájem spolu spojené (vždy musí být obě spojení) jako srovnávací spoj = jedna z možností umístění měřicího přístroje (nedoporučuje se lepší je zapojit přístroj do jedné z obou větví) měřicí spoj = čidlo. Pro správnou funkci snímače je nutné aby teplota t 0 srovnávacího spoje byla konstantní (nejlépe nulová), nebo aby vliv termoelektrického napětí tohoto spoje byl kompenzován.

23 Termoelektrické snímače Materiál na výrobu termočlánků by měl vykazovat: co největší přírůstek termoelektrického napětí s teplotou maximálně (přirozeně) lineární přírůstek termoelektrického napětí s teplotou stabilitu údaje při dlouhodobém provozu stabilitu pro opakovatelnost měření odolnost proti chemickým a mechanickým vlivům. Páry materiálů pro vytvoření termočlánků jsou normalizovány.

24 Požadavky na měřicí obvody: minimalizace vlivu kolísání teploty srovnávacího spoje minimalizace vlivu odporu přívodů k senzoru potlačení rušivých signálů Potlačení vlivu teploty srovnávacího spoje: umístěním srovnávacího spoje do tepelně odisolovaného termostatu (speciální box, termoska, apod.) t 0 v praxi: v laboratoři při 0 C u provozních aplikací při 50 C

25 Zapojení měřicího obvodu s termočlánkem Pro správnou funkci snímače je nutné aby teplota t 0 srovnávacího spoje byla konstantní (0 C pro laboratorní měření a 50 C pro průmyslová měření), nebo aby vliv termoelektrického napětí tohoto spoje byl vykompenzován.

26 Zapojení měřicího obvodu s termočlánkem Kompenzační bod je na vstupní izotermické svorkovnici zesilovače nízko šumo vý zesilo vač, přípa dně filtry A/D převo dník elektroni cké obvody - mikropo čítač displej Mikropočítač řízení měření a sběru měřicích údajů měřicí rozsahy linearizace čidla filtry a tlumení korekce inženýrské výpočty, převody, úpravy jednotek diagnostika komunikace.

27 Měřicích přístroje v obvodech s termočlánkem

28 termočlánek s jedním spojem označovaným jako měřicí spoj kompenzační (prodlužovací) vedení je tvořeno z jiných kovů než termočlánek srovnávací spoje leží v místě připojení srovnávacího vedení příp. přímo měřicího přístroje ke kompenzačnímu vedení, jejich teplota je udržována na konstantní normované hodnotě (obvykle 0 C nebo 50 C) spojovací vedení z mědi (Cu), spoje vodičů musí mít stejnou teplotu, aby se neměnilo termoel. napětí a nevznikla chyba měřicí přístroj milivoltmetr je připojen ke kompenzačnímu vedení buď přes spojovací vedení nebo přímo : Termočlánek s jedním spojem

29 zajištěním konstantní teploty srovnávacího spoje použitím Dewarovy nádoby, ve které je teplota srovnávacích spojů udržována na konstantní hodnotě 0 C za pomoci směsi vody a ledu - používá se pro laboratorní měření teplot Termočlánek s Dewarovou nádobou

30 vložením srovnávacích spojů do termostatu společně s odporovým vinutím, které ohřívá spoje termočlánku, udržení teploty srovnávacích spojů na konstantní teplotě 50 C je zajištěno zapínání ohřevu bimetalicky ovládaným kontaktem - používá se i pro průmyslová měření teplot : Termočlánek s Dewarovou nádobou

31 spoj obou kovů - drátky průměrů od 0,5 do 3,5 mm spojené mechanicky, svářením nebo pájením - spoj musí splňovat čistotu, pevnost, dokonalý kontakt obou drátků a další + oba drátky je zapotřebí vzájemně el. izolovat. kovový plášť - měď, bronz nebo Monelův kov povrch se chromuje nebo nikluje - odolné do 500 C ocel - vydrží do 700 C - legovaná ocel - vydrží do 1200 C Konstrukce termočlánku

32 Termočlánky - podle použitých kovů a maximální teploty. Typ B C Typ C C Typ D C Typ E C, chromel-konstantan Typ G C Typ J C, 52,3 μv/ C, železo-konstantan Typ K C, 40,8 μv/ C, chromel-alumel (Cr-Al)

33 Termočlánky - podle použitých kovů a maximální teploty. Typ N C Typ R C, platinarhodium-platina Typ S C, 6,3 μv/ C Typ E C Typ T C, měď-konstantan

34 Typ termočlánku Složení Teplotní rozsah [ C] Průměrná hodnota termoelektrického koeficientu α [mv/ C] T měď konstantan (Cu CuNi) -200 až 300 0,0460 J železo konstantan (Fe CuNi) 20 až 700 0,0563 K chromel alumel (NiCr NiAl) 0 až ,0413 E chromel konstantan (NiCr CuNi) 0 až 800 0,0745 N nickrosil nisil (NiCrSi NiSiMg) 0 až ,0357 R PtRh13 Pt 0 až ,0100 S PtRh10 Pt 0 až ,0090 B PtRh30 PtRh6 100 až ,0050 G W WRh 20 až ,0140 C WRh5 WRh26 50 až ,0170 Typy termoelektrických článků

35 Termoelektrické napětí [V] 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 typ K typ J typ N typ R typ B typ E Teplota t [ C] Závislost termoelektrického napětí jednotlivých termočlánků na teplotě

36 Některé typy termočlánků T, J, K, S

37 Tlustovrstvé termočlánky Jsou charakterizovány dvěma vrstvami z různých speciálních past (obvykle jedna je vodivá a druhá odporová). Používají se pro rozsah teplot od -50 až do o C a mají přesnost měření ± 1 (10) o C. Jejich teplotní citlivost je od 10 až do (cca) 20 μv/ o K.

38 Tlustovrstvé termočlánky Jsou charakterizovány dvěma vrstvami z různých speciálních past (obvykle jedna je vodivá a druhá odporová). Používají se pro rozsah teplot od -50 až do o C a mají přesnost měření ± 1 (10) o C. Jejich teplotní citlivost je od 10 až do (cca) 20 μv/ o K.

39 Termoelektrické snímače základní charakteristiky

40 Termoelektrické snímače Vliv teploty na nejistotu termoelektrických čidel

41 Termoelektrické snímače

42 Termoelektrické snímače konstrukční řešení

43 výhodou je malá tepelná kapacita Průmyslové provedení snímačů termočlánek připojovací vývod isolační rukojeť kovová kapilára - niklová nebo nerezová trubička Ø 0,5 mm vyplněná práškovým MgO nebo Al2O3

44 Termoelektrické snímače konstrukční řešení

45 Bezkontaktní měření teploty

46

47 Emisivní / radiační snímače pyrometry Principem je snímání záření tělesa, které každé těleso vyzařuje do chladnějšího okolního prostoru v určitém frekvenčním spektru. Celková energie, kterou těleso vyzařuje jednotkovou plochou za jednotku času, se nazývá celkovou zářivostí. Čidlem je tzv. Bolometr teplotně emisivní prvek.

48 Bezkontaktní měření teploty Bezdotykové měření teplot je založeno na skutečnosti, že povrch každého tělesa, jehož teplota je vyšší než 0 K tj. -273,15 C, vyzařuje = emituje do svého okolí elektromagnetické záření = tepelné záření, protože je spojeno s tepelným pohybem částic tělesa - s použitím zákonů záření (Wienův zákon, Stefan Boltzmannův zákon...) určí jeho povrchová teplota - emise záření závisí na teplotě tělesa a na vlastnostech povrchu tělesa (materiálu tělesa). viz speciální přednáška

49 Bezkontaktní měření teploty Základem snímače je Bolometrický detektor záření - tvořen odporovým čidlem, jehož odpor je závislý na teplotě - elektromagnetické záření emitované tělesem, jehož teplotu chceme určit, dopadá přes vstupní okénko (plní funkci filtru tj. musí odstínit záření, které předpokládáme, že není emitováno měřeným předmětem) na odporové čidlo, které je pokryto černým lakem pro zajištění lepší absorpce - např. při nízkých teplotách se neemituje viditelné záření a vhodný filtr ho odstíní a propustí pouze IR záření. viz speciální přednáška

50 mikrobolometry jedná se o desítky až tisíce bolometrů uspořádaných do matice, někdy označované jako bolometrické pole - element je tvořen odporovou vrstvou z oxidu vanadu, na které dochází k absorpci IR záření a je od křemíkového substrátu tepelně izolována pomocí mikromůstku, izolantem je vzduch viz speciální přednáška

51

52

53 Optické vláknové snímače Optické vláknové snímače (OVS) patří do třetí generace snímačů, jejichž vznik spadá současně s prvními v praxi použitelnými optickými vlákny zhruba do konce šedesátých a začátku sedmdesátých let minulého století - jejich nástup byl velmi razantní, nicméně od té doby zájem o ně poklesl, dnes opět renesance. Ačkoliv neexistuje fyzikální veličina, kterou by nebylo možné těmito snímači měřit, nerozšířily se tak, jak se z počátku předpokládalo - hlavními příčinami byla ekonomická stránka a také určitý konzervatismus uživatelů měřicí a regulační techniky.

54 Optické vláknové snímače Využívají odlišných fyzikálních principů a konstrukcí, takže mají zejména velká citlivost, odolnost proti vnějšímu rušení (včetně optického záření), velký izolační odpor ( galvanické oddělení), jiskrová bezpečnost (do 7 mw), rychlá odezva a velká šířka frekvenčního pásma, malá energetická náročnost, velká pevnost v tahu, mechanická pružnost a velký dynamický rozsah, odolnost proti působení agresivního prostředí, použitelnost v obtížně přístupných místech (bez přímé viditelnosti), technologická a obvodová kompatibilita, lepší utajitelnost a malé rozměry (mikromechanické systémy).

55 Optické vláknové snímače Vláknové optické snímače lze využít jako snímače rotace, zrychleni, elektrickeho pole a magnetického pole, teploty, tlaku, vlhkosti, viskozity, chemických a biochemických vlastnosti.

56 Optické vláknové snímače Využívají vlastnosti optických vláken při přenosu záření diody GeAs. Jsou založeny na dvou principech: změna teploty ovlivňuje absorpci a mění přenášené spektrum změna teploty ovlivňuje úbytek intenzity fluorescence. Optické vláknové snímače teploty jsou výhodné zejména pro provozní měření.

57 Optické vláknové snímače Zdrojem optického záření je nejčastěji luminiscenční dioda (nekoherentní zdroj) nebo laserová dioda (koherentní zdroj) - je charakterizován zejména vlnovou délkou l, šířkou pásma Dl, optickým výkonem, stabilitou a druhem provozu (kontinuální nebo pulzní). Snímačem optického záření je obvykle fotodioda, dioda PIN nebo lavinová dioda (podle požadované citlivosti, odstupu signál-šum, zisku a způsobu dalšího zpracování signálu).

58 Optické vláknové snímače Teplota působící na optické vlákno vyvolává změny jeho optických vlastností. Nejčastěji jsou optické vláknové snímače založeny na generátorovém principu (v bodovém nebo rozprostřeném provedení), na spektrálně závislé absorpci (emisi) a fluorescenci, dilataci, doznívání fluorescence v čase, na závislosti indexu lomu, dvojlomu a rozptylu záření, popř. na dalších principech. VR - ZS 2009/2010

59 Optické vláknové snímače Čidlo se změnou vzájemné vazby světlovodů

60 Teploměry využívající optické vlákno Optické vlákno je dielektrický vlnovod, nejčastěji vyrobený z různých druhů skla nebo plastu, ve kterém se šíří elektromagnetické vlny ve směru podélné osy vlákna - nejčastěji se jedná o světlo popřípadě infračervené záření. Optické vlákno je vyrobeno ze dvou materiálů, které se od sebe liší hodnotou indexu lomu - kruhové jádro s indexem lomu n j, které je obklopeno válcovým pláštěm s indexem lomu n p. Obal slouží k ochraně a zpevnění jádra - celé optické vlákno je obaleno primární ochranou.

61 Teploměry využívající optické vlákno Základem každého fluorescenčního optovláknového snímače je sonda z fluorescenčního materiálu např. krystal LiSrAlF6:Cr3+. Zdroj záření - laserová dioda světlo červené barvy (λ = 670 nm). Vybuzené světlo je vedeno optickým vláknem přes jednoduchý skleněný filtr - propustí pouze světlo určitého intervalu vlnových délek je to dělič světla. Filtrem oddělené excitované světlo je vedeno na fotodetektor, kde je změřena doba poklesu intenzity fluorescence, úměrná teplotě.

62 Teploměry využívající optické vlákno Základem každého fluorescenčního optovláknového

63 Teploměry využívající optické vlákno Senzory využívající deformaci vlákna jsou založeny na jeho deformaci, což se projeví vznikem mikroohybů podél vlákna - dosáhnou-li mikroohyby kritického poloměru, dojde k porušení podmínek šíření světla tj. porušení podmínek pro vznik totálního odrazu na rozhraní jádro plášť.

64 Optické vláknové snímače bodové provedení Syntetický monokrystalický safír funguje jako černé těleso, které je v kontaktu s médiem jehož teplota se měří - zářivá energie je přenášena přes optické filtry na fotodetektor - přenos probíhá buď přímo optickým vláknem, nebo častěji oddělovacím safírovým vláknem Výstupní elektrický signál je úměrný měřené teplotě v rozsahu 500 až C a dosáhnout citlivosti v řádu 10 3 K (při teplotě C) - je dlouhodobě stabilní (10 6 /h), odolávají prudkým změnám teploty, korozi atd. - přesnost je podstatně lepší než u termočlánků (v Kanadě je používán v metrologii jako standard). Technologický proces výroby snímače je náročný.

65 Základní uspořádání reflexního snímače teploty

66 Měření odběru tepla Regulace otopných soustav se používá dlouhou řadu let. Jejím cílem je zabezpečit dodržení požadované teploty v daném (regulací ovlivněném) prostoru a to i při extrémních okolních podmínkách a vlivech. Návrh regulace musí zajistit rovnováhu mezi dodávaným teplem (spotřebovanou energií na jeho vznik a případně dopravu k místu spotřeby) a tepelnými ztrátami daného prostoru. To v praxi znamená zajistit optimální teplotu vyhřívacího média (obvykle teplé vody).

67 T e T úkž T i T úk regulátor čerpadlo radiátor T k (servo)pohon směšovací ventil kotel T rv servopohon

68 útlum posuv křivka T ukž požadovan á teplota otopné vody T ukž systém ekvitermických křivek teplota vratné vody T rv + - T rv kotel skutečná teplota otopné vody T už T už radiátor T r skutečná teplota T i v místnosti místnost T e T i T uk teplota otopné vody T uk střední teplota vody T r v radiátoru T e venkovní teplota T e T i

69 υ 1 PP υ 2 VP y 1 y K K ) - X K 1 y 1 - y 2 y 2 +) K * INT( y dt ) 0, T

70 datová linka pro dálkový odečet parní zdroj tepla napájení 230 V měřicí a vyhodnocovací zařízení množství tepla v páře tlak topný objekt průtokoměr zpětného kondenzátu teplota Pt100 datová linka pro dálkový odečet parní zdroj tepla napájení 230 V měřicí a vyhodnocovací zařízení množství tepla v páře pomocí entalpie páry tlak topný objekt teplota Pt100 datová linka pro dálkový odečet napájení 230 V měř. teploty Pt100 zdroj tepla měř. teploty Pt100 měřicí a vyhodnocovací zařízení množství tepla ve vodě průtokoměr topný objekt uzavřený topný systém

71 TEPLOTA - je mírou termální energie obsažené v jakémkoliv objektu TEPLOTA - lze ji měřit u kteréhokoliv existujícího objektu - existuje velké množství měřicích metod a prostředků TEPLOTA - její hodnoty jsou definovány teplotní stupnicí TEPLOTA - v podstatě vyjadřuje kterým směrem teče tepelný tok vyrovnávající teplotu mezi dvěma (více) objekty

72 Existují tři základní typy přenosu tepla: - vedení (kondukce) - proudění (konvence) - záření (radiace) Všechno teplo musí být přeneseno (šířeno) jedním z těchto tří způsobů Obvykle to však je kombinace dvou či všech tří způsobů přenosu tepla

73 a to by bylo k informačnímu přehledu o teplotě a teple (skoro) vše

74 Témata VR - ZS 2014/2015