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

Teplotní senzory - jednotky

Jednotky : k měření teploty se používají různé jednotky °C – stupeň Celsia v Evropě zaveden mezinárodní smlouvou v r. 1948

5. TEPLOTNÍ TEPLOTNÍ SENZORY

°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.

Převodní tabulka

Ing. Pavel Kulha [email protected] tel.: 2 2435 2267 http://micro.feld.cvut.cz

ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

1

Teplotní senzory - jednotky


2

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

Dotykové – dilatační

Dotykové – speciální

• kapalinové

• akustické (ultrazvukové)

• dotykové

• plynové

• magnetické

• bezdotykové

• bimetalové

• s tekutými krystaly

• podle styku s měřeným prostředím

• teploměrné barvy • šumové

• podle transformace signálu • aktivní

Bezdotykové • tepelné (bolometry, pyrometry)

• pasivní


• kvantové

5

Teplotní senzory – statické vlastnosti

Ekvivalence tepelných a elektrických obvodů

Q = mcT

Množství tepla v tělese

• statická charakteristika

m – hmotnost, c – měrná tepelná kapacita, T - teplota

- v ideálním případě přímka, reálná charakteristika popsaná polynomem • citlivost • práh citlivosti

Rychlost průtoku tepla tělesem

dQ dT

Teplotní gradient (tepelná vodivost)

dT dx

• dynamický rozsah - Interval přípustných hodnot snímané veličiny • reprodukovatelnost • rozlišitelnost

Platí:

dQ dT = −kS ⋅ dT dx

Tepelný odpor: ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

6


7

RT =

kde S je průřez

1 l kS


8

Ekvivalence tepelných a elektrických obvodů

Systém

Proměnná

Prvky

Dynamické

Statické

Elektrický

I,U

R,L,C

q=C/U

U=IR

Tepelný

Q,T

RT, c

Q=c/T

T=QRT


1. Odporové kovové senzory - RTD

9


10



• 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

(

R = R0 1 + αϑ + βϑ 2 + γ (ϑ − 100)ϑ 3

)

Pro určité rozsahy teplot se rovnice zjednodušuje


11


12


Realizace odporových senzorů

• spirálové vinutí

• vinutí v keramickém pouzdře

• tenký film


13


14

Vyhodnocovací obvody pro RTD s OZ

Vyhodnocovací obvody pro RTD

Korigování mírné nelinearity

Princip: Změnou teploty se mění odpor senzoru ⇒ převedení změny na jinou

zavedením zpětné vazby (nelinearity 2. řádu)

elektricky měřitelnou veličinu (R → U, I, f, střída, atd…) Nejčastěji se používají můstková zapojení

Třívodičové zapojení vyhodnocovacího obvodu

Kompenzace odporu vedení Rυ - tří (čtyř) vodičové zapojení, zejména při

použití dlouhého vedení od senzoru


15


16

2. Odporové polovodičové senzory teploty

Odporové kovové teploměry - shrnutí

Typy termistorů

malý odpor

PTC (pozistory) NTC (negistory)

100 Ω (nejběžnější) až 1000 Ω

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

malý drift (0,0025 °C/rok)

průmyslové modely - drift < 0,1 °C/rok


B T

⎛1 1 ⎞ R1 = exp B⎜⎜ + ⎟⎟ R2 ⎝ T1 T2 ⎠

B – materiálová teplotní konstanta A – zahrnuje geometrický tvar materiálu (udává výrobce ze dvou hodnot R1 pro υ 1, R2 pro υ 2)

ΔR = R 0 αΔ

Teplotní koeficient odporu

17

⇒

α=−


2. Odporové polovodičové senzory teploty

B T2

18

Odporové polovodičové senzory teploty

Velký odpor 1 kΩ to 100 kΩ

zejména NTC → nutnost linearizace

Malé rozměry

Levnější než RTD

Vysoká citlivost a rozlišení

19

Eliminuje vliv odporu přívodních vodičů

Nelineární závislost na teplotě.


R = Ae

Teplotní závislost odporu

−

Rychlé časové odezvy

Více než 1000 citlivější než

RTD

Necitlivé na vibrace a rázy


20

Termistory – linearizace průběhu

Vyhodnocovací obvody pro termistory

Základní principy využití nelineárního zesilovače s charakteristikou inverzní k charakteristice termistoru

Převodník R/U

připojení paralelního odporu RP 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 Můstkový zesilovač pro odporové senzory


21


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.

R=f(r, ρ) Využívá se kladný teplotní součinitel (pro Si od 50 ÷ 150°C). S rostoucí teplotou klesá pohyblivost volných nosičů náboje.


22

23

Tenkovrstvý Pt senzor

Lineární charakteristika

Citlivost 0,44ΩK-1

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


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

Citlivost – lze odvodit, že platí

Proud diodou ⎞ ⎛ ⎛⎜ ⎞ ⎜ ⎜ n U ⎟⎟ ⎟ kT ⎜ ⎜⎜ kT ⎟⎟ ⎟ I q ln I = IS ⎜ e⎝ q ⎠ − 1⎟ ⇒ U = ⎜ ⎟ n IS ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

charakteristika je obecně nelineární

Příklad pro běžné Si diody se IS=10-10 A a U0=1,1 V a pro I=10-4 A je β=-2.1 mV/K

Proud je vhodné volit jako kompromisní hodnotu s ohledem na a) Vznik nelinearit vlastním ohřevem b) Na velikost napětí na diodě

kT q


25

26




dU k I U = ln − 0 dT nq IS Tref

U0 – je napětí U pro T→ 0 K (pro Si se U0=1,1V Tref – zvolená referenční teplota

⇒ U=konst*T pokud IS=konst., v reálu ale IS=f(T) ⇒ U≠konst*T -

n – parametr, rekombinační koeficient IS – saturační proud U, I – napětí a proud v propustném směru

UT =

β=

Tranzistor jako teplotní senzor

Zenerova dioda jako teplotní senzor

Využívá se přechodu UBE protože má menší teplotní závislost saturačního proudu

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) Ik

Podle velikosti UZ je teplotní koeficient

kladný (UZ > 5V) záporný (UZ < 5V)

UBE

2 tranzistory nejsou zaměnitelné – každý diskrétní senzor teploty se musí navrhovat individuálně ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

27


28

Vyhodnocovací obvody

Základní zapojení jednoduchého převodníku T/U

Vyhodnocovací obvody Princip vyhodnocování teploty z tranzistorového senzoru

Vyhodnocovací obvod diodového senzoru

Tranzistor jako teplotní senzor


29

30


4. Integrované teplotní senzory

4. Jednoduchá integrovaná bipolární struktura - Převodník υ → I

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

Proudy tranzistorem T2, T1 jsou v poměru N:1 I T4

T3

I1

I2 T2 U

T1 ΔUBE

T1 : U BE1 =

kT ⎛ I ⎞ ln⎜ ⎟ nq ⎜⎝ I0 ⎟⎠

T2 : UBE 2 =

kT ⎛ NI ⎞ ln⎜ ⎟ nq ⎜⎝ I 0 ⎟⎠

⇒ ΔU BE =

kT ln N nq

Pokud I1=I2 rozdíl emitorových napětí je dán předcházející rovnicí ⇒ ΔUBE=f(ϑ) T2 je složen z N paralelních tranzistorů které mají dohromady plochu jako T1 Potom I2 protékající odporem R je určen velikostí UBE=f(ϑ) ⇒ I=f(ϑ)


31


32

5. Teplotní senzor CMOS – silná inverze

Jednoduchá integrovaná bipolární struktura

Převodník T/I s B511, A590

Silná závislost proudu ID (teplotní závislost prahového napětí a pohyblivých nosičů je nepřímo úměrná teplotě ⇒ při zvyšování υ se zmenšuje ID a strmost při konstantním UGS Tento způsob se příliš nevyužívá, je obtížné získat dobrou linearitu převodní charakteristiky

Zapojení s OZ

33


Teplotní senzor CMOS – slabá inverze

Tepelná ochrana audiotechniky

- mají velmi dobrou linearitu ⎛ qU GS ⎞ ⎜ ⎟ nkt ⎠

L

34

Vyhodnocovací obvody - Aplikace

- mají podobné chování jako bipoláry → podobné vyhodnocování ID – při slabé inverzi I = W I e ⎝ D D0


qU S − D ⎤ ⎡ − qU KT KT e e − ⎢ ⎥ ⎣ ⎦

W, L – šířka, délka kanálu ID0 – charakteristický proud U vyst = (U GS 2 − U GS 4 ) =

kT ⎡ (W / L )1 ⋅ (W / L )4 ⎤ ln ⎢ ⎥ ⇒ konst ∗ T q ⎣ (W / L ) 2 ⋅ (W / L )3 ⎦

Linearita – lepší než 0,1% Teplotní koeficient – 0,162mV/K Čip – 0,1mm2


35


36



Regulace otáček ventilátoru

Tepelné ochrany procesoru


37


38

Kovové termočlánky Termoelektrické teplotní senzory

- jednoduché, odolné proti mechanickému a tepelnému namáhání

Princip:

- široké rozmezí teplot

Dva různé kovy (eventuelně polovodiče) spojené svařením, pájením nebo výjimečně mechanicky

- malá hmotnost - malá tepelná setrvačnost

Základní typy

– kovové termočlánky – integrované termočlánky

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

Materiály termočlánků

Kovové termočlánky

Výběr materiálu záleží na:

Teplotním rozsahu požadované přesnosti Požadované chemické odolnosti Odolnosti vůči mechanickému opotřebení a vibracím Požadavky na instalaci (velikost drátu)

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. ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

41

Integrované termočlánky

Označení termočlánku

Původní označení

Měřicí rozsah [ °C]

T

Cu-CuNi, Cu-ko

- 200 až 350

J

Fe-CuNi

- 200 až 750

E

NiCr-CuNi, ch-ko

- 100 až 900

K

Ni-Cr-Ni, ch-a

- 200 až 1200

N

NiCrSi-NiSi

- 200 až 1200

S

PtRh10-Pt

0 až 1600

R

PtRh13-Pt

0 až 1600

B

PtRh30-PtRh6

300 až 1700


42

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

Princip: Termoelektrický článek se zahřívá absorpcí infračerveného záření

Senzory tepelného 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.

Tepelné detektory infračerveného záření

Výhody: pracují při pokojových teplotách

Termoelektrické Bolometrické Pyroelektrické

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 ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

45

Termoelektrické senzory záření


46

Bolometry 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 ...

Vybrané parametry:

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:

Princip: využívá se kombinace různých fyzikálních jevů (termistorového, pyroelektrického)

Využívá se odporového materiálu s velkým teplotním koeficientem a malou časovou konstantou ⇒ rychlé

Materiály: pyroelektrický materiál u kterého je vodivost funkcí teploty

Dopadající záření ohřívá materiál → změna R

NaNO2, Sn2P2S6, LiNH4SO4

Kompenzace teploty okolí: můstkové zapojení dvou stejných senzorů

Materiály:

Konstrukce

Dříve se používaly Pt odporové články, v současnosti – polovodičové materiály

Termistorové bolometry – kysličníky MgO, MnO, NiO, TiO2 (kosmická zařízení) Vrstvové bolometry – chalkogenidové sklo Tl2SeAs2Te3 Germaniové, křemíkové bolometry – chladí se na teplotu kapalného hélia, používají se pří kosmických měřeních Supravodičové bolometry Pyroelektrické bolometry 49


Bolometry - konstrukce

Struktura jednoduchého bolometru je na obrázku 3. Infračervené záření dopa dá 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 hliníkov ém substrátu (desce) odizolované oxidem hliník u 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 jednoduc hých bolometrů jsou obvykle použity čtyři (R1 až R4) vzájemně propojené do klasického Wheatstonov a můstku, z nichž se některé používají jako kompenzační nebo referenční (zastíněném proti záření).


50

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 ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

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 10. 04. ČVUT FEL2006 Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

53


Bolometry - vlastnosti

Bolometry – příklady komerčních bolometrů Silicon Infrared Detector - UL 03 04 1 (francouzská firma ULIS)

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 Automatizace 10. 04. ČVUT FEL2006 Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

54

55

•

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 10. 04. ČVUT FEL2006 Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

56

IR teploměry


IR teploměry - lékařské

57

Speciální dotykové senzory


58

Teplotní krystalový senzor

Princip: využívá se teplotní závislosti kmitočtu krystalu (vhodného řezu)

Akustické Krystalové Šumové Magnetické SAW Optické Teploměrné barvy

Vyhodnocování: - oscilátorový obvod, dělič… - oscilátor je obvykle umístěn blízko krystalu - signál lze přenášet na větší vzdálenosti - signál lze snadno upravit (dělit, převádět na časový interval)

Vlastnosti

- malá cena - dobrá linearita - digitální signál + přenos - 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.

Curieova teplota: při vzůstu teploty nad tuto teplotu se feromagnetické materiály stávají paramagnetickými

Heterodynní zpracování signálu z krystalového senzoru

Materiály: pokud možno s co největší změnou Δ B/Δ ϑ kovy: thermalloy, calmalloy, thermoperm ferity: ve tvaru toroidu

Výhody: robustní, velký výstupní signál Nevýhody: malá časová stálost, velké rozměry, malá přesnost ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

61

Princip: rychlost šíření zvuku v látce závisí na teplotě, měří se čas šíření ultrazvukových impulsů

v=

62

Ultrazvukový teplotní senzor

Ultrazvukový teplotní senzor

v=f(ϑ)


Konstrukce:

E

ρ

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 (LiNbO3)

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

Senzory pro měření kryogenních teplot

Teploměrné barvy

-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



A) Termoelektrické články

Uhlíkové: speciální provedení hmotových odporů s negativní teplotní charakteristikou,

výhody: jednoduché, laciné

Rozsah 1÷20K, popřípadě 0,01 ÷1K

nevýhoda: termoelektrické napětí není stabilní a je malé

Termistory: až od 20K

B) Odporové senzory Kovové – pro 10K÷90K se používá funkce

C) Kapacitní teplotní senzory

R − RT 2 Z = T1 RT 0 − RT 2

Konstrukce vhodná pro měření teplot v silném magnetickém poli. Dielektrikem je krystalické sklo

RT1 - je odpor Pt pro T1; RT0, RT2 – jsou odpory Pt pro známé teploty Pro 2K ÷ 20K lze R=f(T) vyjádřit jako

R (T ) = RT 1 + AT + BT 2

Citlivost – v lineárním úseku (do 5K) 250pF/K γ

RT1, A, B, γ – jsou konstanty určené měřením


69



70


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 ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

73

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 Optické vláknové teplotní senzory 1. Princip činnosti Senzory pro měření kryogenních teplot 1. Princip činnosti. vlastnosti, materiály a charakteristiky - Termoelektrické, odporové, kapacitní, indukční, šumový, pn přechod 75 ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.


74

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

Recommend Documents