Snímače teploty a tepelného množství

Transkript

1 Snímače teploty a tepelného množství Základní pojmy Teplota je fyzikální veličina vyjadřující míru tepelného stavu tělesa. Teplo je forma energie, která má svůj původ v neuspořádaném pohybu elementárních částic. Přesněji proto v technických disciplinách mluvíme o tepelné energii, resp. tepelném množství, protože se vyskytuje v souvislostech s pojmy změna tepelného množství, tj. změna tepelné energie. Pro kvantitativní popis různých tepelných stavů je nutné jim přiřadit číselné hodnoty a definovat tak stupnici teploty. Ke stanovení teploty se používají závislosti určitých fyzikálních veličin na teplotě, u nichž lze souvislost mezi teplotou a zvolenou veličinou matematicky vyjádřit tak, aby odchylka od definované teplotní stupnice byla minimální. Měření teploty pak spočívá v tom, že porovnáváme teplotu daného tělesa s definovanou stupnicí. Pro měřen: teploty byly stanoveny stupnice dvě. Termodynamická absolutní (Kelvinova) teplotní stupnice, jejíž jednotlivé teplotní stavy jsou označován) stupni Kelvinovými. je dána následujícími dvěma pevnými body. Nulový bod této stupnice. tj' 0 K, se nazývá absolutní nulová teplota a odpovídá stavu, při němž by ustal termický pohyb elementárních částic. Druhým bodem absolutní stupnice je tzv. trojný bod vody, což je rovnovážný stav všech tří jejích skupenství (led, voda, sytá vodní pára) stanoveny hodnotou T = 273,16 K (tj. 0,01 C) a tlakem p = 609,8 Pa. Základní jednotkou termodynamické teploty je Kelvin označovaný symbolem (K a definovaný jako 273,16-tý díl teplotního rozdílu mezi uvedenými dvěma teplotami, tj. teplotou trojného bodu vody a absolutní nulou. Mezinárodní teplotní stupnice (Celsiova), stanovená pro praktické užívání v roce 1927, byla postupně doplňována a upravována. Její poslední znění má označení ITS90 (The International Temperature Scale of 1990) a definuje 17 pevných bodů odpovídajících rovnovážným stavům mezi fázemi (trojné body. body tání, resp. tuhnutí, při definovaném tlaku) vybraných látek (He, H'o, Hg, Ga, In, Ag, Au, Cu). Nahrazuje tím předchozí mezinárodní šestibodovou stupnici z roku 1960 určenou body tuhnutí a varu vody' varu kyslíku a síry při tlaku p = 101,32472 kpa, tání zlata a stříbra. Základní jednotkou mezinárodní stupnice teploty je stupeň Celsiův označovaný ( C) a definován! jako l00. díl teplotního rozdílu mezi teplotou varu a tuhnutí vody při atmosférickém tlaku 101,32472 kpa. Velikost jednotek obou stupnic (.C, K) je shodná. Protože bod tání ledu má v absolutní stupnici hodnotu T = 213,15 K a v mezinárodní stupnici hodnotu δ = 0.C' je souvislost obou stupnic dána vztahem: V anglosaskych zemích se užívá navíc stupnice Fahrenheitova ( F), v níž teplotě 0 C odpovídá 32 F a teplotě 100 C odpovídá 212 F.

2 Rozdělení snímačů teploty a) dotykové - elektrické (odporové kovové a polovodičové, termoelektrické, polovodičové s PN přechodem - diodové, tranzistorové); - dilatační (kovové, kapalinové); _ tlakové (kapalinové, plynové, parní); _ speciální, b) bezdotykové - pyrometry (úhrnné, spektrální _ monochromatické). Snímače pro dotykové měření teploty Odporové kovové snímače teploty Princip odporových snímačů teploty spočívá ve využití závislosti odporu kovů na teplotě. Základní materiálovou konstantou popisu této závislosti je teplotní součinitel odporu standardně označovaný symbolem a. Jeho hodnota je definována poměrnou změnou odporu vztaženou na jednotkovou změnu teploty: Odporové polovodičové snímače teploty Polovodičové snímače teploty využívají závislost odporu na teplotě, přičemž její dominantní složkou je závislost koncentrace nosičů náboje na teplotě. Jejich klasifikaci lze provést takto: termistory - negastory (termistor NTC - Negative Temperature Coefficient), posistory _ (termistor PTC _ Positive Temperature Coefficient), monokrystalické snímače bez PN-přechodu. Porovnání charakteristik kovových a polovodičových odporových snímačů a monokrystalického polovodičového křemíkového snímače je znázorněno na obr Negastory jsou termistory se záporným teplotním součinitelem odporu (NTC), vyráběné práškovou technologií ze směsi oxidů kovů. Řez strukturou je znázorněn na obr Jejich měrný odpor je řádu l0-1 + l0-3 Ωm -l. Závislost odporu negastoru na teplotě T je přibližně exponenciální. Pozistory jsou termistory s kladným teplotním součinitelem odporu (PTC). vyráběné z polykrystalické feroelektrické keramiky (titaničitan bamatý BaTiO3.). odpor pozistoru s růstem teploty nejprve mírně klesá, nad Curieovou teplotou v úzkém teplotním rozmezí prudce vzrůstá asi o 3 řády, pak opět mírně klesá. oblast nárůstu odporu lze chemickým složením ovlivňovat,

3 takže lze vyrobit sadu teploměrů s navazujícími teplotními rozsahy v rozmezí 40 + l80 C odstupňovanými po l0 C. Termoelektrické snímače teploty Funkce termoelektrického snímače teploty je založena na vzniku termoelektrického napětí ve styku dvou různých kovů resp. polovodičů, jejichž konce jsou umístěny v prostředích s různými teplotami. Fyzikálně vzniká toto napětí tak, že nositelé náboje v teplejší části vodiče mají větší energii a difunduji do chladnější oblasti. Tím vznikne elektromotorické napětí a s ním spojené vnitřní elektrické pole pak brání další difuzi. Vytvoří-li se uzavřený obvod ze dvou vodičů různých materiálů označených na obr písmeny A, B a jejich spoje se umístí do prostředí s různými teplotami T 1, T 2, bude tímto obvodem protékat elektrick1i proud. Napětí změřené rozpojením elektrického obvodu bude funkcí rozdílu teplot T 1, - T 2 obou spojených konci. Matematicky lze vyjádřit velikost napětí při mal1ych teplotních rozsazích lineárním vztahem: Polovodičové snímače teploty s přechodem PN Funkce polovodičových snímačů teploty je založena na využití teplotní závislosti napětí přechodu PL. polovaného v propustném směru. Jejich předností ve srovnání s polykrystalickými teploměry uvedenými v kapitole je větší stálost a lepší reprodukovatelnost výsledků. Diodový snímač teploty Voltampérová charakteristika přechodu PN má tvar, který je uvedeny pro dvě různé teploty T 2 > T 1 na obr Saturační proud s růstem teploty exponenciálně roste. Tranzistorový snímač teploty Funkce tranzistorového snímače je založena na analogické závislosti napětí emitorového přechodu U BE bipolárního tranzistoru V propustném směru na teplotě. Spojením kolektoru a báze vzniká tzv. tranzistorová dioda. Dilatační snímače tepla Q Principem funkce dilatačních snímačů je změna délky nebo objemu měronosné látky působením měřené teploty. Rozdělení dilatačních snímačů: a) kovové (tyčový a bimetalový teploměr), b) kapalinové. Kovové snímače teploty Tyčový teploměr využívá ve funkci snímače teploty dilataci trubky s jedním koncem pevně fixovaným a volným druhým koncem umístěným v měřeném prostředí. Pro změny její délky l T v závislosti na teplotě platí lineární vztah:

4 v němž a [K] je teplotní součinitel roztažnosti použitého materiálu trubky a l T0, l T1 (mm) jsou délky trubky při teplotách T o, T 1 Přírůstek teploty lze proto vyjádřit výrazem: Podle této rovnice dilatace trubky závisí nejen na použitém materiálu, který by proto měl mít maximální a (bronz, mosaz), ale i na její délce. Pro zvýšení citlivosti je sice účelné použít trubku s velkým l T0, je ale třeba přitom uvážit, že měří v celé své délce, takže výsledkem měření je průměrná teplota prostředí. Pohyb měrného konce trubky je vyveden tyčí přes převodový mechanismus na výchylku ukazatele teploměru (obr ). Z obrázku je zřejmé, že tyč a mechanismus převodu naopak vlivům teploty podléhat nesmějí, a proto jsou vyrobeny z materiálů s minimální teplotní roztažností (invar, tavený křemen). Citlivost tohoto typu teploměrů není příliš velká. Jejich přednost spočívá v tom, že výstupní výchylka je provázena velkou přestavnou silou. Proto se nejčastěji používají k ovládání spínacího ústrojí regulátorů v jednoduchých, nenáročných obvodech dvoupólového řízení teploty. Bimetalový teploměr je principiálně založen na nestejné teplotní roztažnosti dvou různých kovů Konstrukčně je tvořen dvěma pásky po celé délce spojenými (svařením, pájením), přičemž jeden ze dvou konců je pevně fixován. Při změnách teploty se tento dvojitý pásek deformuje do oblouku tak že materiály s větší roztažností je na vnější straně. Výchylka l druhého (tj. volného) konce je funkcí teplotní změny dle vztahu: v němž jednotlivé parametry znamenají: l (mm) je účinná délka pásku dvojkovu' t (mm) je tloušťka pásku dvojkovu, T 1 - T 0 (K) je rozdíl měřené a počáteční teploty (tj. oteplení dvojkovu), k (K-1) je součinitel prohnutí daný použitou materiálovou dvojicí, kterou bývá invar kombinovaný s mosazí, při vyšších teplotách s chromniklovými slitinami. Měřicí rozsah těchto snímačů je asi do 400.C, nejčastější užití je ve funkci nadproudové ochrany jističů proudu k ovládání jejich vypínání. Kapalinové snímače teploty Kapalinový teploměr je principiálně založen na závislosti objemové roztažnosti kapalin účinkem teplotních změn. Tato teplotní závislost je popsána lineárním vztahem:

5 V němž jednotlivé parametry znamenají: V TI (m 3 ) je objem kapaliny při měřené teplotě, V T0 (m 3 ) je objem kapaliny na počátku měřícího rozsahu' T 1 - T 0 (K) je rozdíl měřené teploty a teploty počátku rozsahu, β (K-1 ) je součinitel objemové roztažnosti kapalné náplně. Kapalinové teploměry se skládají z jímky tvořící zásobník měrné kapaliny a na ni navazující kalibrované kapiláry, do které dilatuje teplotou zvětšený objem kapaliny. Stupnice kapiláry je definovaná pro plný ponor v měřeném prostředí, a atak na sloupec délky N dílků kapaliny v kapiláře vyčnívající nad měřené prostředí se zavádí korekce teploty zahrnující i korekci na dilataci skleněného pláště teploměru. Kapalinový teploměr má měřicí systém zcela vyplněn teploměrnou kapalinou a tvoří nerozebíratelný celek (obr ) Kapalina musí mít kromě velkého součinitele objemové roztažnosti β velkou tepelnou vodivost, malé měrné teplo a zanedbatelný tlak par v měřicím rozsahu snímače. Pro kompenzaci rozdílné teploty stonku a kapiláry se využívá dvojkov, který v závislosti na vnější teplotě posouvá stupnici. nebo invarová kompenzace, tj. invarové tělísko vložené do kapiláry tak. aby změna objemu kapaliny byla kompenzována změnou objemu kapiláry. Jiným řešením je zdvojení kapiláry a deformačního snímače, přičemž druhý systém neobsahuje vlastní snímací nádobku (obr ). Výsledný údaj daný rozdílem signálu obou systémů je potom úměrný pouze signálu danému změnou tlaku ve snímací nádobce, protože vlivy změn vnějších parametrů se na zbývajících částech obou soustav uplatňují shodně. Předností tohoto typu teploměrů je velká přestavná síla vzhledem k minimální stlačitelnosti tekutin, a proto se užívají nejen pro měření, ale často se spojují s akčními členy regulačních obvodů. Tvoří tak přímočinné a díky tomu i levné a spolehlivé regulátory. Parní teploměr (obr 3.l75a) je konstrukčně shodný s kapalinovým, avšak jeho náplň je tvořena nasycenou parou která je v rovnováze s kapalinou, vyplňující celou kapiláru. Využívá se závislosti tlaku nasycených par náplně na teplotě, čímž jsou citlivější než plynové teploměry. Protože tlak nasycených par nezávisí na objemu. stačí malý objem kapaliny, kterou bývá metylchlorid ( "C), etylester (35 + l90 "C)' či toluen ( C). Podmínkou použití látky pro daný měřicí rozsah je aby hodnota bodu varu náplně byla pod hodnotou minima měřícího rozsahu (dostatečný tlak par) a naopak aby kritický tlak byl nad maximem měřicího rozsahu. Konstrukční provedení s kontaktním výstupem je na obr 3.175b. Snímáče pro bezdotykové měření teploty Bezdotykové měření teploty spočívá ve vyhodnocení energie elektromagnetického záření vysílaného povrchem zkoumaného tělesa. Při měření jeho teploty se využívá jak viditelná část spektra v rozmezí 400 nm nm, tak i infračervená oblast do 30 um. Tomu odpovídá

6 rozsah teplot v mezích ( C). Snímač, na který toto záření dopadá, je současně odráží, propouští a pohlcuje' takže k vlastnímu vyhodnocení je zužitkována pouze pohlcená energie. Pro zjednodušení popisu děje při snímání energie zářeni se zavádí idealizovaný pojem dokonale černé těleso, jehož základní vlastností je pohlcování veškerého dopadajícího záření. Základní energetickou veličinou při popisu záření černého tělesa je úhrnná (celková) intenzita jeho tepelného vyzařování IC, která podle Stefan-Boltzmanova zákona závisí jen na jeho absolutní teplotě a je úměrná její čtvrté mocnině: Z popisu vyplývá, že k přednostem bezdotykového měření teploty patří neovlivňování měřeného prvku snímačem, a tím i možnost měření extrémních podmínkách a prostředích, která by na dotykové snímače kladla velké technické nároky (výroba oceli, skla). Dále lze měřit teplo pohyblivých prvků (kontrola strojních zařízení - např. ložiska), případně obtížně dostupných prvků (poruchy na rozvodných sítích) včetně zobrazování povrchové teploty celých těles (tzv. termovize např. úniky tepla u budov). Přesnost měření je omezena stanovením vyzařovacích vlastností měřených prvků, tj. jejich emisivity, prostupnosti záření prostředím a odrazy záření v okolí. Hlavní oblast měření teploty bezkontaktními teploměry je v rozsazích C.