5. TEPLOTNÍ SENZORY. Teplotní senzory - jednotky. Teplotní senzory - rozdělení. Teplotní senzory - jednotky. podle fyzikálního principu



Podobné dokumenty
PRINCIP MĚŘENÍ TEPLOTY spočívá v porovnání teploty daného tělesa s definovanou stupnicí.

Železniční konstrukce II CN 04

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ TEPLOTY

Senzorika a senzorické soustavy

Měření teploty v budovách

9. ČIDLA A PŘEVODNÍKY

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. Teorie měření a regulace. emisivní p. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

Měřicí řetězec. měřicí zesilovač. převod na napětí a přizpůsobení rozsahu převodníku

5. MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY

MĚŘENÍ RELATIVNÍ VLHKOSTI. - pro měření relativní vlhkosti se používají metody měření

e, přičemž R Pro termistor, který máte k dispozici, platí rovnice

MĚŘENÍ TEPLOTY. Přehled technických teploměrů. Teploměry kapalinové. Teploměry tenzní. Rozdělení snímačů teploty: Ukázky aplikace termochromních barev

Základní pojmy. T = ϑ + 273,15 [K], [ C] Definice teploty:

Senzory teploty. Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti.

Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy. Odporové senzory

Teorie měření a regulace

Inteligentní koberec ( )

25 A Vypracoval : Zdeněk Žák Pyrometrie υ = -40 C C. Výhody termovize Senzory infračerveného záření Rozdělení tepelné senzory

Měření teploty 2 Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL

Polovodičové diody. Dělení polovodičových diod podle základního materiálu: Germaniové Křemíkové Galium-arsenid+Au

Senzory tepelných veličin

elektrické filtry Jiří Petržela filtry založené na jiných fyzikálních principech

11. Polovodičové diody

ROZDĚLENÍ SNÍMAČŮ, POŽADAVKY KLADENÉ NA SNÍMAČE, VLASTNOSTI SNÍMAČŮ

15. Elektrický proud v kovech, obvody stejnosměrného elektrického proudu

Základní pojmy. p= [Pa, N, m S. Definice tlaku: Síla působící kolmo na jednotku plochy. diference. tlaková. Přetlak. atmosférický tlak. Podtlak.

Osnova přípravného studia k jednotlivé zkoušce Předmět - Elektrotechnika

Zesilovače. Ing. M. Bešta

popsat princip činnosti základních zapojení čidel napětí a proudu samostatně změřit zadanou úlohu

Studijní opora pro předmět Technologie elektrotechnické výroby

SNÍMAČE. - čidla, senzory snímají měří skutečnou hodnotu regulované veličiny (dávají informace o stavu technického zařízení).

Fakulta biomedic ınsk eho inˇzen yrstv ı Teoretick a elektrotechnika Prof. Ing. Jan Uhl ıˇr, CSc. L eto 2017

A:Měření odporových teploměrů v ultratermostatu B:Měření teploty totálním pyrometrem KET/MNV (8. cvičení)

Obrazové snímače a televizní kamery

Obrazové snímače a televizní kamery

2. Pasivní snímače. 2.1 Odporové snímače

Základy pyrometrie. - pyrometrie = bezkontaktní měření teploty. 0.4 µm µm C C

Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy

TEPLOTA Měření tepla a teploty: Rozdíl mezi teplotou a teplem. Teplota je projev hmoty - teplo = druh energie =

Fotoelektrické snímače

9. Měření teploty. P. Ripka A3B38SME přednáška 9

Kapacitní senzory. ε r2. Změna kapacity důsledkem změny X. b) c) ε r1. a) aktivní plochy elektrod. b)vzdálenosti elektrod

d p o r o v t e p l o m ě r, t e r m o č l á n k

Senzor teploty. Katalogový list SMT

1 SENZORY V MECHATRONICKÝCH SOUSTAVÁCH

Základní pojmy. T = ϑ + 273,15 [K], [ C] Termodynamická (Kelvinova) Definice teploty:

Snímače teploty a tepelného množství

6. STUDIUM SOLÁRNÍHO ČLÁNKU

V da1ším budou popisovány pouze teploměry s převodem na elektrický signál.

11/18/2012. Snímače ve VPM. Snímače ve VPM obsah prezentace. Snímače ve VPM. Konstrukce polovodičových měničů

EXPERIMENTÁLNÍ METODY

Generátorové senzory. Termoelektrický článek Piezoelektrické senzory Indukční senzory

Projekt Pospolu. Polovodičové součástky diody. Pro obor M/01 Informační technologie

TEPLOTA Měření tepla a teploty: Rozdíl mezi teplotou a teplem. Teplota je projev hmoty - teplo = druh energie =

2. Pasivní snímače. 2.1 Odporové snímače

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ DEFORMACE

4. SENZORY S INDUKČNOST NOSTÍ. μ dμ. L ds S. L l L N. dl + Typické použití a rozdělení senzorů

Teorie měření a regulace

Zapojení teploměrů. Zadání. Schéma zapojení

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr

Oscilátory. Oscilátory s pevným kmitočtem Oscilátory s proměnným kmitočtem (laditelné)

Měření neelektrických veličin. Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování

Integrovaná střední škola, Kumburská 846, Nová Paka Automatizace Snímače teploty. Snímače teploty

Principy chemických snímačů

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Měřící a senzorová technika

ELEKTRONICKÉ PRVKY TECHNOLOGIE VÝROBY POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ

Doporučená literatura

Optoelektronické senzory. Optron Optický senzor Detektor spektrální koherence Senzory se CCD prvky Foveon systém

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Charakteristiky optoelektronických součástek

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 3. Měření teplot

Polovodičové senzory. Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy

Výukové texty. pro předmět. Měřící technika (KKS/MT) na téma. Základní charakteristika a demonstrování základních principů měření veličin

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Hustopeče, Masarykovo nám. 1

Zapojení odporových tenzometrů

Snímače hladiny. Učební text VOŠ a SPŠ Kutná Hora. Základní pojmy. měření výšky hladiny kapalných látek a sypkých hmot

TENZOMETRY tenzometr Použití tenzometrie Popis tenzometru a druhy odporovými polovodičovými

Zdroje napětí - usměrňovače

Verze 2. Měření teploty - 1. Doplněná inovovaná přednáška. Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL

Dioda jako usměrňovač

Vzorkovací zesilovač základní princip všech digitálních osciloskopů, záznamníků, převodníků,

zařízení 2. přednáška Fakulta elektrotechniky a informatiky prof.ing. Petr Chlebiš, CSc.

Manuální, technická a elektrozručnost

Kompenzovaný vstupní dělič Analogový nízkofrekvenční milivoltmetr

Otázka č. 3 - BEST Aktivní polovodičové součástky BJT, JFET, MOSFET, MESFET struktury, vlastnosti, aplikace Vypracovala Kristýna

Indukční lineární senzor LI1000P0-Q25LM0-LIU5X3-H1151

Základy elektrotechniky

5. MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

[Otázky Autoelektrikář + Mechanik elektronických zařízení 1.část] Na rezistoru je napětí 25 V a teče jím proud 50 ma. Rezistor má hodnotu.

Měření teploty v průmyslových aplikacích

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní prvky v elektrických filtrech

7b. Tlakové senzory II piezoelektrické kapacitní pn přechod s Hallovým senzorem optické. 1. Piezoelektrické tlakové senzory. Tlakové senzory II

VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_16_Unipolární tranzistor Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl

2.3 Elektrický proud v polovodičích

U R U I. Ohmův zákon V A. ohm

VY_32_INOVACE_6/15_ČLOVĚK A PŘÍRODA. Předmět: Fyzika Ročník: 6. Poznámka: Vodiče a izolanty Vypracoval: Pták

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

Bipolární tranzistory

Transkript:

Teplotní senzory - jednotky Jednotky : k měření teploty se používají různé jednotky 5. TEPLOTNÍ SENZORY C stupeň Celsia v Evropě zaveden mezinárodní smlouvou v r. 1948 F stupeň Fahrenheita USA, GB R stupeň Réaumurova, používal se před zavedením C K Kelvin Rank stupeň Rankina, USA, GB Přednášející: Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. Ing. Pavel Kulha husak@fel.cvut.cz tel.: 2 2435 2267 http://micro.feld.cvut.cz Převodní tabulka 1 2 Teplotní senzory - jednotky Teplotní senzory - rozdělení podle fyzikálního principu odporové kovové, polovodičové polovodičové s p-n přechodem dioda (Si, Ge, GaAs, varikap, ZD) tranzistor (bipolarní, unipolarní) termoelektrické kovové, polovodičové optické dilatační krystalové, radiační, chemické, šumové, akustické, magnetické, kapacitní, aerodynamické, SAW 3 4

Teplotní senzory - rozdělení Teplotní senzory - rozdělení podle styku s měřeným prostředím dotykové bezdotykové podle transformace signálu aktivní pasivní Dotykové dilatační kapalinové plynové bimetalové Bezdotykové tepelné (bolometry, pyrometry) kvantové Dotykové speciální akustické (ultrazvukové) magnetické s tekutými krystaly teploměrné barvy šumové 5 6 Teplotní senzory statické vlastnosti Ekvivalence tepelných a elektrických obvodů statická charakteristika - v ideálním případě přímka, reálná charakteristika popsaná polynomem Q = mct Množství tepla v tělese m hmotnost, c měrná tepelná kapacita, T - teplota citlivost práh citlivosti dynamický rozsah - Interval přípustných hodnot snímané veličiny reprodukovatelnost Rychlost průtoku tepla tělesem Teplotní gradient (tepelná vodivost) dq dt dt dx rozlišitelnost Platí: dq dt = ks dt dx kde S je průřez Tepelný odpor: 1 R T = k l S 7 8

Ekvivalence tepelných a elektrických obvodů 1. Odporové kovové senzory - RTD Systém Proměnná Prvky Dynamické Statické Elektrický I,U R,L,C q=c/u U=IR Tepelný Q,T R T, c Q=c/T T=QR T 9 10 1. Odporové kovové senzory - RTD 1. Odporové kovové senzory - RTD patří k nejčastějším typům pro měření teploty materiál : především čisté kovy (Pt, Ni, Cu ) Wolfram (vysoce linární) Měď (menší teplotní rozsahy) Nikl (nižší teploty, nízká cena, nelineární), -60 C 120 C Platina (vysoká cena, lineární, nejběžnější, -260 C 630 C slitiny Niklu (nižší teploty, nízká cena) slitiny Ag, Au do 120 C závislost R=f(ϑ) není linární i když většínou mluvíme o lineárních odporových senzorech 2 3 R = R0 ( 1+ αϑ + βϑ + γ ( ϑ 100) ϑ ) Pro určité rozsahy teplot se rovnice zjednodušuje 11 12

1. Odporové kovové senzory - RTD Realizace odporových senzorů spirálové vinutí vinutí v keramickém pouzdře tenký film 13 14 Vyhodnocovací obvody pro RTD Vyhodnocovací obvody pro RTD s OZ Princip: Změnou teploty se mění odpor senzoru převedení změny na jinou elektricky měřitelnou veličinu (R U, I, f, střída, atd ) Nejčastěji se používají můstková zapojení Korigování mírné nelinearity zavedením zpětné vazby (nelinearity 2. řádu) Třívodičové zapojení vyhodnocovacího obvodu Kompenzace odporu vedení Rυ - tří (čtyř) vodičové zapojení, zejména při použití dlouhého vedení od senzoru 15 16

Odporové kovové teploměry - shrnutí 2. Odporové polovodičové senzory teploty malý odpor 100 Ω (nejběžnější) až 1000 Ω Typy termistorů PTC (pozistory) NTC (negistory) široký rozsah pracovních teplot (-200 C to 850 C) dobrá citlivost (ve srovnání s termočlánky) velká přesnost (±0,0006 C až 0,;1 C) opakovatelnost a stabilita Teplotní závislost odporu R = Ae B T 1 1 = expb + T1 T2 B materiálová teplotní konstanta A zahrnuje geometrický tvar materiálu (udává výrobce ze dvou hodnot R 1 pro υ 1, R 2 pro υ 2 ) R R 1 2 malý drift (0,0025 C/rok) průmyslové modely - drift < 0,1 C/rok Teplotní koeficient odporu ΔR = R 0αΔ B α = 2 T 17 18 2. Odporové polovodičové senzory teploty Odporové polovodičové senzory teploty Velký odpor 1 kω to 100 kω Eliminuje vliv odporu přívodních vodičů Nelineární závislost na teplotě. zejména NTC nutnost linearizace Malé rozměry Rychlé časové odezvy Levnější než RTD Vysoká citlivost a rozlišení Více než 1000 citlivější než RTD Necitlivé na vibrace a rázy 19 20

Termistory linearizace průběhu Vyhodnocovací obvody pro termistory Základní principy využití nelineárního zesilovače s charakteristikou inverzní k charakteristice termistoru připojení paralelního odporu R P k termistoru se srovnatelnou ohmickou hodnotou - obr a) linearizace sériovým odporem liearizace spojením 2-3 termistorů v jednom pouzdře linearizace v širokém rozsahu teplot, každý termistor pokrývá část tohoto pásma (linearizace po úsecích Převodník R/U Můstkový zesilovač pro odporové senzory 21 22 Polovodičové senzory s odporem šíření Tenkovrstvé teplotní senzory Princip odpor šíření se uplatňuje v místě styku kovového hrotu s polovodičem. Odpor pak závisí pouze na rezistivitě ρ a poloměru kontaktu r. Tenkovrstvý Pt senzor Lineární charakteristika Citlivost 0,44ΩK -1 R=f(r, ρ) Využívá se kladný teplotní součinitel (pro Si od - 50 150 C). S rostoucí teplotou klesá pohyblivost volných nosičů náboje. Výroba naprašováním na skleněnou podložku Tenkovrstvý SiC senzor Stabilní, přesné, nelineární, nenavlhá -100 450 C α kladný 5x10-3 K -1 R=10kΩ až 1MΩ Tenkovrstvé polykrystalické senzory Levné, malé rozměry, vysoká reprodukovatelnost -170 450 C Časová odezva Δϑ=75 C Δt=60 100ms 23 24

3. Teplotní senzory s P-N přechodem Teplotní senzory s P-N přechodem Pro měření lze využít všech diod (Si, Ge, GaAs) charakteristika je mírně nelineární Varikapy nejlepší, stálé parametry Proud diodou U n kt q I I = S e 1 U = kt q n ln I I S U=konst*T pokud I S =konst., v reálu ale I S =f(t) U konst*t - charakteristika je obecně nelineární Citlivost lze odvodit, že platí Příklad β = du dt k ln nq I I S U T U 0 je napětí U pro T 0 K (pro Si se U 0 =1,1V T ref zvolená referenční teplota pro běžné Si diody se I S =10-10 A a U 0 =1,1 V a pro I=10-4 A je β=-2.1 mv/k = 0 ref n parametr, rekombinační koeficient I S saturační proud U, I napětí a proud v propustném směru kt U T = q 25 Proud je vhodné volit jako kompromisní hodnotu s ohledem na a) Vznik nelinearit vlastním ohřevem b) Na velikost napětí na diodě 26 Teplotní senzory s P-N přechodem Teplotní senzory s P-N přechodem Tranzistor jako teplotní senzor Využívá se přechodu U BE protože má menší teplotní závislost saturačního proudu I k Zenerova dioda jako teplotní senzor Velká citlivost v závěrné části charakteristiky Zenerovo napětí je funkcí teploty Volbou Zenerova napětí je možné měnit velikost teplotního koeficientu v širokém rozsahu (podle konstrukce a technologie 0 až 110mV/K) Podle velikosti U Z je teplotní koeficient kladný (U Z > 5V) záporný (U Z < 5V) U BE 2 tranzistory nejsou zaměnitelné každý diskrétní senzor teploty se musí navrhovat individuálně 27 28

Vyhodnocovací obvody Vyhodnocovací obvody Základní zapojení jednoduchého převodníku T/U Vyhodnocovací obvod diodového senzoru Princip vyhodnocování teploty z tranzistorového senzoru Tranzistor jako teplotní senzor 29 30 4. Integrované teplotní senzory 4. Jednoduchá integrovaná bipolární struktura Význam Snižování nákladů Realizace na jednom čipu Integrace dalších komponent (zesilovače, převodníky, filtry ) Možnost realizace inteligentních struktur v jednom pouzdře (regulace apod ) Možnost využití různých technologií T 3 I 2 T 2 U -Převodník υ I Proudy tranzistorem T 2, T 1 jsou v poměru N:1 ΔU BE I T 4 I 1 T 1 T : 1 U BE1 kt = ln nq I I 0 kt NI T2 : UBE 2 = ln kt nq I ΔU N 0 BE = ln nq Pokud I 1 =I 2 rozdíl emitorových napětí je dán předcházející rovnicí ΔU BE =f(ϑ) T 2 je složen z N paralelních tranzistorů které mají dohromady plochu jako T 1 Potom I 2 protékající odporem R je určen velikostí U BE =f(ϑ) I=f(ϑ) 31 32

Jednoduchá integrovaná bipolární struktura 5. Teplotní senzor CMOS silná inverze Převodník T/I s B511, A590 Silná závislost proudu I D (teplotní závislost prahového napětí a pohyblivých nosičů je nepřímo úměrná teplotě při zvyšování υ se zmenšuje I D a strmost při konstantním U GS Tento způsob se příliš nevyužívá, je obtížné získat dobrou linearitu převodní charakteristiky Zapojení s OZ 33 34 Teplotní senzor CMOS slabá inverze Vyhodnocovací obvody - Aplikace - mají podobné chování jako bipoláry podobné vyhodnocování - mají velmi dobrou linearitu qugs qu S qu D I D při slabé inverzi W nkt KT KT I D = I D0e e e L W, L šířka, délka kanálu Tepelná ochrana audiotechniky I D0 charakteristický proud U vyst = ( U U ) GS2 GS4 = kt q ln ( W / L) 1 ( W / L) 4 ( W / L) ( W / L) 2 3 konst T Linearita lepší než 0,1% Teplotní koeficient 0,162mV/K Čip 0,1mm 2 35 36

Vyhodnocovací obvody - Aplikace Vyhodnocovací obvody - Aplikace Tepelné ochrany procesoru Regulace otáček ventilátoru 37 38 Termoelektrické teplotní senzory Kovové termočlánky - jednoduché, odolné proti mechanickému a tepelnému namáhání - široké rozmezí teplot -maláhmotnost - malá tepelná setrvačnost Základní typy kovové termočlánky integrované termočlánky Princip: Dva různé kovy (eventuelně polovodiče) spojené svařením, pájením nebo výjimečně mechanicky Seebeckův jev jsou-li spojeny dva vodiče z různých kovů do uzavřeného obvodu a mají-li spoje různou teplotu T1 a T2, protéká obvodem elektrický proud. Pokud obvod rozpojíme, na svorkách naměříme elektromotorické napětí. termoelektrické senzory záření 40

Kovové termočlánky Materiály termočlánků Výběr materiálu záleží na: Teplotním rozsahu požadované přesnosti Požadované chemické odolnosti Odolnosti vůči mechanickému opotřebení a vibracím Požadavky na instalaci (velikost drátu) Označení termočlánku T J E K N Původní označení Cu-CuNi, Cu-ko Fe-CuNi NiCr-CuNi, ch-ko Ni-Cr-Ni, ch-a NiCrSi-NiSi Měřicí rozsah [ C] - 200 až 350-200 až 750-100 až 900-200 až 1200-200 až 1200 Chromel-Constantan (E křivka) Pro použití pro teploty vyšší než 870ºC ve vakuu nebo inertním prostředí. Při záporných teplotách nekoroduje. Tyto termočlánky mají nejvyšší výstupní napětí ze všech standardních kovových termočlánků. Platinum-Rhodium (S a R křivka) Mají velkou odolnost proti oxidaci a korozi Doporučený rozsah pracovních teplot je 1540ºC. Wolfram-Rhodium (C křivka) Používají se pro měření teplot vyšších než 2760ºC. S R B PtRh10-Pt PtRh13-Pt PtRh30-PtRh6 0 až 1600 0 až 1600 300 až 1700 41 42 Integrované termočlánky Srovnání RTD, diod, IC, TC Využití: Termoelektrické články lze využít k měření teplotních rozdílů přímo na křemíkovém čipu lze měřit teplotu na různých místech uvnitř čipu najednou Termoelektrické baterie 43 44

Bezdotykové senzory Termoelektrické senzory záření Senzory tepelného záření Tepelné detektory infračerveného záření Termoelektrické Bolometrické Pyroelektrické Princip: Termoelektrický článek se zahřívá absorpcí infračerveného záření Vyrábí se tenkovrstvou technologií, vytváří se termoelektrické radiační bloky (spojením termočlánků). Zvýšením počtu termoelektrických článků v termobloku se zvyšuje citlivost, ale zhoršuje se tepelná časová odezva. Výhody: pracují při pokojových teplotách široký spektrální rozsah nepotřebují vnější napájení, jednoduchá indikace výstupu- voltmetr nedochází k vzájemnému ovlivňování přes napájecí zdoj Seebeckův efekt je v Si 0,5 1 mv/k na jeden proužek technologie výroby je kompatibilní s bipolární nebo CMOS Nevýhody: velký vnitřní odpor, limitovaný tepelný odpor senzoru (je dán tím že existuje křemíkové spojení mezi teplou a referenční částí Využití: IR senzory, teplotní převodníky, chemické analýzy plynu, průtokoměry, senzory vakua 45 46 Termoelektrické senzory záření Bolometry Vybrané parametry: Co jsou BOLOMETRY a MIKROBOLOMETRY? Pro náročné bezkontaktní měření teploty v případech, kdy nelze použít pyroelektrické detektory nebo infratermočlánky, se hodí tzv. bolometry. Mikrobolometry se pak využívají hlavně pro účely infračerveného snímání obrazu. Princip, provedení i použití těchto senzorů je popsán v následujícím článku... Bolometry (z řeckého bole: paprsek) jsou senzory pro bezdotykové měření teploty (thermometers) pracující na principu pyrometrie, tzn. měření celkového vyzářeného tepelného výkonu prostřednictvím infračerveného záření. Tvoří tak alternativu k ostatním senzorům pro bezdotykové měření teploty, infratermočlánky, pyroelektrické senzory a fotonové snímače. Častěji se však bolometry vyskytují v podobě integrovaných obvodů obsahující uspořádání několika desítek, stovek nebo i tisíců bolometrů do matice, obecně označované jako mikrobolometry (viz. obrázek vedle). Využívají se nejčastěji pro potřeby termovize, tzn. infračerveného snímání obrazu předmětů s následnou možností měření nebo detekce jejich teploty. 47 48

Bolometry Širokopásmové bolometry Princip: Využívá se odporového materiálu s velkým teplotním koeficientem a malou časovou konstantou rychlé Dopadající záření ohřívá materiál změna R Materiály: Dříve se používaly Pt odporové články, v současnosti polovodičové materiály Termistorové bolometry kysličníky MgO, MnO, NiO, TiO 2 (kosmická zařízení) Princip: využívá se kombinace různých fyzikálních jevů (termistorového, pyroelektrického) Materiály: pyroelektrický materiál u kterého je vodivost funkcí teploty NaNO 2, Sn 2 P 2 S 6, LiNH 4 SO 4 Kompenzace teploty okolí: můstkové zapojení dvou stejných senzorů Konstrukce Vrstvové bolometry chalkogenidové sklo Tl 2 SeAs 2 Te 3 Germaniové, křemíkové bolometry chladí se na teplotu kapalného hélia, používají se pří kosmických měřeních Supravodičové bolometry Pyroelektrické bolometry 49 50 Bolometry - konstrukce Struktura jednoduchého bolometru je na obrázku 3. Infračervené záření dopadá na absorpč ní vrstvu senzoru tvořenou zlatou fólií, která pohlcuje až 95% záření. To ohřívá teplotně vodivý povrch i nosník. Na spodní straně nosník u je napař ený meandr odporové dráhy, jejíž odpor se mění lineárně s teplotou. Na obr ázku 4. je příklad dnes běžnější realizace v integrovaných bolometrech, tzn. na hliníkovém substrátu (desce) odizolované oxidem hliníku Al2O3, jsou na tepelně vodivé podložce z bismutu napařené odporové dráhy z kysličníků MgO, MnO, NiO, TiO2 (tzv. termistorové bolometry) nebo chalkogenidové sklo Tl2SeAs2Te3 (tzv. vrstvové bolometry). V případě je dnoduc hých bolometrů jsou obvykle použity čtyři (R1 až R4) vzájemně propojené do klasického Wheatstonova můstku, z nichž se některé používají jako kompenzační ne bo referenční (zastíněném proti záření). Bolometry - konstrukce Uspořádání plošného detektoru používaného v termovizních kamerách Princip použití bolometru jako proměnného prvku odporového děliče Struktura integrovaného můstku z bolometrů Provedení jednoduchého bolometru 51 52

Bolometry - použití Bolometry příklady obrazů Detekce ohně a plamenů Monitorování tepelného zatížení součástek, objektů - termovize s rozlišením až 320 x 240 pixelů (viz. obrázky) Detekce výbuchu Bezdotykové měření teploty Spektrometrie Monitorování teploty procesů Měření teploty pohyblivých předmětů Astronomie Infračervené kamery a dalekohledy Zabezpečovací technika Příklady obrázků získané infračervenými kamerami používající mikrobolometry Automatizace 10. 04. 2006 Automatizace ČVUT 10. 04. FEL 2006 Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. 53 54 Bolometry - vlastnosti Bolometry příklady komerčních bolometrů Jsou rychlé - krátká časová konstanta (až 1 ms) Velká citlivost Spektrální citlivost 1.6 až 5000 µm Velký pracovní teplotní rozsah senzorů (-40 C až 100 C) Lze bez problémů měřit vysoký rozsah teplot měřeného objektu (i nad 1500 C). Malé rozměry (u mikrobolometrů jen desítky µm) Není zde žádné ovlivnění měřeného objektu U mikrobolometrů velký počet snímačů ( i přes 80 tisíc) na malé ploše => infračervené snímaní obrazu s rozlišením až 320x240 pixelů Vysoká cena U některých typů je nutné chlazení Silicon Infrared Detector - UL 03 04 1 (francouzská firma ULIS) Formát pole (rozlišení): přepínatelný mezi 384 x 288 a 320x240 pixelů, 35 µm vzdálenost pixelů (mikrobolometrů na chipu) Materiál: Struktura mikrobolometrů je založená na rezistivním amorfním křemíku, který je plně slučitelný s technologií CMOS a není jej nutné chladit. Dynamický teplotní rozsah měřeného objektu: až 1500 C Pracovní teplotní rozsah senzoru: - 40 C až + 80 C Časová konstanta: 7 ms Spektrální rozsah: 8 až 14µm NETD: 85 mk (f/1, 300 K, 60 Hz) Převodní konstanta: 7 mv/k Chyba opakovatelnosti měření: < 1.5% Rozměry: 32 x 23.5 x 7.4 mm bez vývodů Spotřeba: < 200 mw Automatizace ČVUT 10. 04. FEL 2006 Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. 55 Automatizace ČVUT 10. 04. FEL 2006 Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. 56

IR teploměry IR teploměry - lékařské 57 58 Speciální dotykové senzory Teplotní krystalový senzor Akustické Princip: využívá se teplotní závislosti kmitočtu krystalu (vhodného řezu) Vyhodnocování: - oscilátorový obvod, dělič Krystalové Šumové - oscilátor je obvykle umístěn blízko krystalu - signál lze přenášet na větší vzdálenosti - signál lze snadno upravit (dělit, převádět na časový interval) Magnetické SAW Optické Vlastnosti -malácena - dobrá linearita - digitální signál + přenos Teploměrné barvy -dvouvodičové vedení - malé napětí + proud - možnost heterodynního zpracování signálu 59 60

Teplotní krystalový senzor Magnetické teplotní senzory Převodní charakteristika Princip: B=f(ϑ) při H=konst. Heterodynní zpracování signálu z krystalového senzoru Curieova teplota: při vzůstu teploty nad tuto teplotu se feromagnetické materiály stávají paramagnetickými Materiály: pokud možno s co největší změnou Δ B/Δϑ kovy: thermalloy, calmalloy, thermoperm ferity: ve tvaru toroidu Výhody: robustní, velký výstupní signál Nevýhody: malá časová stálost, velké rozměry, malá přesnost 61 62 Ultrazvukový teplotní senzor Ultrazvukový teplotní senzor Princip: rychlost šíření zvuku v látce závisí na teplotě, měří se čas šíření ultrazvukových impulsů E v=f(ϑ) v = ρ Konstrukce: Teplotní závislost rychlosti a stabilita 63 64

Teplotní senzory SAW Optické vláknové senzory Princip: Využívá se teplotní závislosti rychlosti šíření povrchové akustické vlny v určitém materiálu (LiNbO 3 ) Využití nežádoucích vlivů okolního prostředí na parametry optických kabelů Teplota moduluje optický signál Teplotní závislost frekvence oscilátoru se senzoprem SAW Typická závislost: citlivost 4kHz/ C, rozdíl frekvencí pro ϑ=-50 C 150 C je Δf=800kHz 65 66 Teploměrné barvy Senzory pro měření kryogenních teplot -Teploty od 50K níže Akrylové laky nebo stmelené prášky obsahující teplotné citlivé anorganické pigmenty - využití teplotně závislých fyzikálních vlastností látek (rychlost šíření zvuku, elektrické vlastnosti, apod ) - využití teplotně závislých fyzikálních jevů (šum, magnetická rezonance) 67 68

Senzory pro měření kryogenních teplot Senzory pro měření kryogenních teplot A) Termoelektrické články výhody: jednoduché, laciné nevýhoda: termoelektrické napětí není stabilní a je malé Uhlíkové: speciální provedení hmotových odporů s negativní teplotní charakteristikou, Rozsah 1 20K, popřípadě 0,01 1K Termistory: až od 20K B) Odporové senzory Z = Kovové pro 10K 90K se používá funkce R R - je odpor Pt pro T T1 1 ; R T0, R T 0 RT 2 T2 jsou odpory Pt pro známé teploty R T1 R T 2 C) Kapacitní teplotní senzory Konstrukce vhodná pro měření teplot v silném magnetickém poli. Dielektrikem je krystalické sklo Citlivost v lineárním úseku (do 5K) 250pF/K Pro 2K 20K lze R=f(T) vyjádřit jako 2 R( T ) = RT + AT + 1 γ BT R T1, A, B, γ jsou konstanty určené měřením 69 70 Senzory pro měření kryogenních teplot Senzory pro měření kryogenních teplot D) Indukční princip Měření extrémně nízkých teplot mk 5K, využívá se teplotní závislosti magnetické susceptibility paramagnetických solí E) Šumový teplotní senzor Princip vychází z definice šumového napětí U2=4kRfT F) P-N přechod Do 50K je citlivost přibližně -2mV/K Pro T < 50K platí jiné teplotní koeficienty udávané výrobcem (Si 55mV/K, pro T=1 30K) Nevýhoda: značná citlivost na magnetické pole 71 72

Výrobci teplotních senzorů Otázky Odporové kovové teplotní senzory - RTD 1. Princip činnosti, materiály, konstrukce 2. Základní elektronické obvody pro vyhodnocování informace z RTD, teplotní kompenzace Odporové polovodičové teplotní senzory 1. Princip činnosti, materiály, konstrukce 2. Polovodičové senzory s odporem šíření 3. Termistory 4. Tenkovrstvové 5. Základní elektronické obvody pro vyhodnocování informace Teplotní senzory s P-N přechodem 1. Rovnice pro proud přechodem pn, odvození vztahu pro teplotně závislé napětí na přechodu pn 2. Odvození vztahu pro citlivost napětí na teplotě na přechodu pn 3. využití bipolárního tranzistoru pro měření teploty 4. Charakteristiky závislosti napětí na přechodu pn versus teplota s parametrem proudu přechodem 5. Jednoduché principiální elektronické zapojení teploměru s diodou (přechodem pn) Teplotní senzor CMOS 1. Princip zapojení v režimu silné inverze, charakteristiky, vlastnosti 2. Princip zapojení v režimu slabé inverze, charakteristiky, vlastnosti 73 74 Otázky Termoelektrické teplotní senzory 1. Princip činnosti, materiály, charakteristiky 2. Základní elektronické vyhodnocovací obvody 3. Integrované termoelektrické teplotní senzory Teplotní senzory záření - bolometry 1. Princip činnosti, konstrukce, vyhodnocování informace z bolometrů 2. Využití přechodu p-n pro měření teploty (dioda, tranzistor), integrované teplotní senzory s pn přechodem - principy činnosti, konstrukce, použití, konstrukce a jednoduché principiální elektronické zapojení. Pyroelektrický princip měření teploty Teplotní senzor s krystalem 1. Princip činnosti 2. Základní elektronické vyhodnocovací obvody Magnetické teplotní senzory 1. Princip činnosti Ultrazvukový teplotní senzor 1. Princip činnosti 2. Základní elektronické vyhodnocovací obvody Teplotní senzory SAW 1. Princip činnosti 2. Základní elektronické vyhodnocovací obvody Optickévláknovéteplotnísenzory 1. Princip činnosti Senzory pro měření kryogenních teplot 1. Princip činnosti. vlastnosti, materiály a charakteristiky - Termoelektrické, odporové, kapacitní, indukční, šumový, pn přechod 75