HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS I. Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás 2010/2011.BSc.II.évf.
Nem villamos jelek mérésének folyamatai.
Érzékelők, jelátalakítók felosztása. Passzív jelátalakítók 1.Ellenállás változáson alapuló jelátalakítók - nyúlásmérő ellenállások (bélyegek) nyomás, erő, rezgés, mechanikai feszültség,.. - hőellenállások - fém anyagból - félvezetőből 2.Kapacitív jelátalakítók elmozdulás, szögelfordulás, szintérzékelők, páratartalom, dinamikus nyomás, rezgés,…
Érzékelők, jelátalakítók felosztása. 3.Mágneses ( induktív ) érzékelők : elmozdulás, elfordulás, Aktív jelátalakítók 1.Mágneses ( indukciós) jelátalakítók: elmozdulás (elektronikus mérleg),fordulatszám térfogatáram,…. 2.Piezoelektromos érzékelők: erő, nyomás, rezgés, gyorsulás, ..
Érzékelők, jelátalakítók felosztása. 3. Ultrahangos jelátalakítók: térfogatáram, szintmérés,.. 4. Optoelektronikai jelátalakítók: jelenlét, sebesség, alakfelismerés, nyomás, erő, gázok koncentrációja,…
Hőmérsékletérzékelők jelleggörbéi
Statikus jelleggörbék Dinamikus jelleggörbék
A statikus jelleggörbe a bemenő jel és a kimenő jel kapcsolatát adja meg, függetlenül az időtől és más zavarjelektől.
A dinamikus karakterisztika a hőmérséklet érzékelő viselkedését az idő függvényében mutatja meg.
Hőmérők az iparban
hőelemek: széles tartomány, gyors reagálás, OLCSÓ hidegpont, nem lineáris ellenálláshőmérők: pontosak, masszívak lassú, gerjesztés szükséges, nem lineáris termisztor: gyors, érzékeny szűk tartomány, gerjesztés szükséges, nem lineáris
Ellenállás változáson alapuló hőmérséklet érzékelők (RTS) Fém hőmérők
ρ = ρ ⎡⎣1 + α ( T − T0 ) ⎤⎦
A fémek fajlagos ellenállása T 0 hőközlés hatására nemlineárisan megváltozik: ρT a fajlagos ellenállás változás [Ω] ρ0 az anyag fajlagos ellenállás 200 C-on [Ω] α hőmérsékleti tényező, ⎡1⎤ amely α⎢ ⎥ ⎣K ⎦ egy-egy intervallumra érvényes
ellenállás hőmérők
0°C hőmérsékleten R0 ellenállású fémhuzal ∆R ellenállás változásán alapul linearizálási hiba jó reprodukálható képesség -> pontos többnyire az anyag nikkel vagy platina ellenállása 0°C –on 25, 50, 100, 200, 1000 Ohm
ellenállás hőmérők
védőszerelvény nélkül ritkán látható védőcső nikkel, acél, réz, kerámia, üveg jellemző a mérendő közeggel szembeni ellenálló képesség, nyomáshatár, hőmérséklet tartomány, benyúlási hossz
Ellenállás hőmérők statikus jelleggörbéi.
R0- alapellenállás [Ω] Rt- a hőmérséklettől függő pillanatnyi ellenállás [Ω]
Hőmérséklet érzékelő időállandójának meghatározása A közeg hőmérséklete:T1 Hőcsere alapján a hőmérő felvesz: A tárolt hőmennyiség:
dQ = α A(T1 − T )dt dQ = mcdT
T- a közeg pillanatnyi hőmérséklete α- a hőátadási tényező a közeg és a hőmérő között A- a hőmérő felülete m- a hőmérő tömege c - a hőmérő anyagának fajhője
t- a pillanatnyi idő
τ -időállandó Ha a leadott és a tárolt hőmennyiség azonos:
α A(T1 − T )dt = mcdT A differenciál-egyenletet rendezve és a konstrukciós és anyagjellemzőket összevonva, az időállandó fogalmát bevezetve:
mc τ= αA
A differenciál egyenlet változóit összevonva:
dT dt = T1 − T τ
Integrálás után a differenciál egyenlet megoldása:
T1 − Tτ = ke
−
t
τ
Ha feltételezzük, hogy a pillanatnyi idő egyenlő az időállandóval:
t =τ
Az időállandóhoz tartozó hőmérséklet:
t
1 e = e = = 0,369 e Tτ = T1 (1 − 0,369) −
τ
−1
Az időállandó ismeretében a közeg hőmérsékletének 63% - át lemérjük, ebből a 100% számítható:
Tτ = 0,631T1
Ha a közeg max. hőmérsékletét ismerjük, az időállandó meghatározható.
Tτ = T1 63%
Viselkedhet-e a hőmérséklet érzékelő az ábrán látható válaszfüggvények szerint? A közeg maximális hőmérséklete :T1. T[0C]
T[0C] T1
T1
Tkör 0
Tkör t=0
a. egységugrás szerint
t (s)
0
t=0 b. lineáris függvény szerint
t (s)
Hőmérséklet érzékelők (PT1) jelátviteli tag dinamikus jelleggörbéje. T[0C] T1 Tτ
Tkör τ
Ha a hőmérséklet érzékelőt a meleg közegből kivesszük,és állandó hőmérsékletű közegben lehűtjük, az exponenciális jelleggörbe x-tengelyre vetített tükörképét kapjuk.
Péda: Egy csőben áramló füstgáz hőmérsékletét kell megmérni, pl. digitális kijelzővel rendelkező műszerrel. Vásároltunk egy hőmérséklet érzékelőt, amelynek működési elve a példa szempontjából érdektelen.( ellenállás változás, hőelem,stb.) Az érzékelő időállandója 8 perc, és a közegbe helyezve, a kijelző 2600C-ot mutat. A környezeti hőmérséklet 200C, amely, az érzékelő kezdeti hőmérséklete is. A kijelzők 00C-ról indulnak, pozitív, illetve negatív irányban. Mivel az exponenciális görbe a környezeti hőmérsékletről indul, az időállandóhoz tartozó hőmérséklet:
Tτ = 260 − 20 = 240 C 0
Tτ = T1 *0, 63 Tτ 0 T1 = = 380,95 C 0, 63 Mit mutat kijelző?
Ellenállás hőmérők tekercseinek kivitele.
a. Nikkel tekercs prespán szigetelőtesten b. Tekercselés kerámiatestre c. Tekercs üvegburokban
Félvezető ellenállás hőmérők statikus jelleggörbéi B T
R(T ) = R0e [ Ω] R0 a félvezető ellenállása 200C-on B termisztor állandó (anyagfüggő,egy intervallumban állandó) a. Platina ellenállás hőmérő b. NTK félvezető ellenállás c. PTK ellenállás d. Terjedési ellenállás alapú szilícium érzékelő.
Hőelem
Legtöbbet használt hőmérséklet érzékelő aktív elemek Két különböző fém érintkező pontja pár mV-os feszültéget generál A feszültéség-hőmérséklet kapcsolat nem lineáris A hőelemek termoelektromos átalakítók, amelyek összeerősített pontját ( melegpont) a mérendő közegbe helyezve, a környezeti hőmérsékleten lévő hidegpontjukon termofeszültséget adnak le. A termofeszültség csak a huzalok anyagától és a mérendő közeg hőmérsékletétől függ.
Hőelemek elvi felépítése A mérendő közeg hőmérséklete Ko- konstantán, réz és nikkel 47%-os ötvözete Cu – réz huzal
kompenzált környezeti hőmérséklet
A hőelemek, jól megválasztott ,fémesen összekapcsolt (hegesztett, forrasztott, összetekert), huzalpárból (-párokból) állnak.
hőelemek
A hőelemek nagyon alacsony feszültséget állítanak elő (mili vagy mikroVolt) Ez miatt erősíteni szükséges a jelet Kompenzáció: hőelemek mérésénél szükség van egy referencia pontra, vagy az ú.n.. „ hidegpontra”, amely tradícionálisan 0°C.
hőelemek
szűrés: a hőelem „antennaként” is viselkedik, ezért érzékeny a külső zajokra, főleg az 50-60 Hz-es közeli forrásokra (pl. tápfeszültség) linearizálás: mivel a mért feszültség-hőmérséklet összefüggés nem lineáris, a mérési tartományban lineaizálni kell.
A hőelemek termoelektromos átalakítók, amelyek összeerősített pontját ( melegpont) a mérendő közegbe helyezve, a környezeti hőmérsékleten lévő hidegpontjukon termofeszültséget adnak le. A termofeszültség csak a huzalok anyagától és a mérendő közeg hőmérsékletétől függ.( Peltier,Seebeck, Thomson hatás)
PT a kötés által leadott teljesítmény [W] I
PT = π I [W
az áramkörben folyó termoáram [A]
π Peltier-tényező [V] (anyagfüggő) UT termofeszültség [V/K] T
T2
π
U T = ∫ dT T T1
a mérendő hőmérséklet [K]
]
Hőelemek elhelyezkedése védőtokban. Leggyakrabban használt hőelemek: Co-Ko (réz-konstantán) kb. 500 0C, Fe-Ko (vas-konst. ) kb. 700 0C, NiCr-Ni (nikkelkróm-nikkel) kb.10000C, PtRh-Pt (platina-rhódium-platina ) kb. 1300 0C
összetekert huzalpár a védőtokba behegesztve
forrasztott huzalpár a védőtoktól elszigetelve
Hőelemek típusai Hőelem típusa
Pozitív vezető
Negatív vezető
Hőm. tartomány (°C)
J
Iron
Constantan
–210 to 1200
K
Chromel
Alumel
–270 to 1372
N
Nicrosil
Nisil
–270 to 1300
R
Platinum-13% Rhodium
Platinum
–50 to 1768
S
Platinum-10% Rhodium
Platinum
–50 to 1768
T
Copper
Constantan
–270 to 400
B
Platinum
Rhodium
0 to 1820
E
Chromel
Constantan
–270 to 1000
Néhány hőelem statikus jelleggörbéje.
Fe-Ko (vas-konstantán)
U [mV] 50
NiCr-Ni (nikkelkróm-nikkel) 40 30
20
Cu-Ko (réz-konstantán) 10
PtRh-Pt (platinaródium-platina) 0
400
800
1200
1600
T [°C]
Hőelem mérőköre, Wheaston-hidas, elektronikus kompenzációval
Hőmérséklet függő,kompenzáló ellenállás
zh kérdések
Statikus jelleggörbe jelentése Dinamikus jelleggörbe jelentése milyen jel változását mérjük az ellenállás hőmérőnél? milyen jel változását mérjük a hőelemnél? milyen jel változását mérjük a félvezető hőmérőnél? milyen anyagból lehet hőelemet készíteni? (1 példa) milyen anyagból lehet ellenállás hőmérőt készíteni? (1 példa)
