9. Měření teploty. P. Ripka A3B38SME přednáška 9

9. Měření teploty přednášky A3B38SME Senzory a měření zdroje převzatých obrázků: pokud není uvedeno jinak, zdrojem je monografie Haasz, Sedláček: Elektrická měření a skripta Ripka, Ďaďo, Kreidl, Novák: Senzory P. Ripka 2014

A3B38SME přednáška 9

1

Senzory teploty -teplota = termodynamická stavová veličina -teplotní stupnice: Kelvinova (trojný bod vody 273,16 K), Celsiova, ... ITS-90 (4 rozsahy) elektrické: • odporové kovové (RTD) • odporové polovodičové: - termistory NTC - termistory PTC - monokrystalické Si • polovod. s PN přechodem • krystalové • termolelektrické dilatační a tlakové (kapalinové, plynové,...) speciální(šumové, akustické,…)

kontaktní

senzory teploty:

bezkontaktní 2014


2

2014


3

Měřicí obvody

- vlastní oteplení = vliv měřícího proudu chyba:

RI 2   D

D – zatěžovací konstanta (teplotní vodivost)

Pt 100: pro  = 0.1oC  Idov=1mA Termistory: Idov < 10 A voltampérová charakteristika: perličkový negastor

2014


pozistor

4

• linearizace termistorů

Číslicová

podmínka: stabilita charakteristiky

Aktivní analogová Pasivní analogová

seriové zapojení:

paralelní zapojení:

Rs = 0

2014


RS  RT

B  2Ti B  2Ti

5

2.3 Monokrystalické PN senzory teploty

Schockleyova rce: UD  mU  T I D  IS  e  1    



 ID  UD  mUT ln   1  IS 

IS – saturační proud PN v závěrném směru ID - proud PN v propustném směru m – rekombinační koeficient UD – napětí na PN v propustném směru UT – teplotní napětí kT UT  e – elementární náboj e k – Boltzmanova konstanta

teplotní závislost napětí

2014


6

tranzistorová dioda

m=1

 ID  U D  mU T ln  1  IS  pro Io>> IS

2014

0,1mA…2,3 V

 Ud       2 až 2, 3  mV/K  T ID A3B38SME přednáška 9

1mA…2,0 V

7

integrovaný PN senzor

U BE 2 UT

I 2 Se 2e  U BE 1 I1 S e 1e U T

e

U BE 2 U BE 1 UT

r – počet paralelně spojených tranzistorů tvořících T1 Se – plocha emitor. přechodu

r

U BE  U T ln r 

předp. I1= I2

k I ln( r )T  I E 1 R  R e 2

typ. r = 8 R = 358  předp.  =  AD 590: 1 A/K LM 35Z: 10 mV/K nelinearita cca 0,1% 2014


AD590 8

AD 630 2014


9

Teploměr s tranzistorovou diodou:

Odvoďte výstupní napětí v závislosti na teplotě tak, aby Uv [mV] ≈ t [C]

2014


10

Kompenzační krabice (opakování)

napětí na diagonále: 2014

dRCu dU ab R1  U Z d S ( R1  RCu ) 2 d A3B38SME přednáška 9

11

Diodový kompenzační obvod pro termočlánky:

dU V dU D R2  d d R1  R2  2 mV / K

2014


12

porovnání

tepl. rozsah citlivost linearita záměnnost stárnutí pasivní rychlost odolnost

2014

termočl.

RTD

NTC

PN polovod.

-200..2300

-200..850 + ++

-80..150 + -drahé samoohřev + +

-40..100 ++ + +

-+ -+ ++ ++

+ --


-

13

Další teploměry • • • • • •

Skleněné teploměry Tlakové teploměry Plynové a parní teploměry Dvojkovové senzory teploty Krystalové teploměry c p RT 2 Akustický teploměr w  cv M

kde cp, cv jsou měrné tepelné kapacity plynu, R je plynová konstanta a M je molekulová hmotnost plynu

2014


14

2.6 Kontaktní neelektrické teploměry

tempearture indicating lacquers

Reversible Temperature Indicating Labels (liquid 2014 crystal)


© Omega

15

Časová konstanta dotykových senzorů

S m  t  dt  mc dt teplo přivedené do senzoru S

teplo akumulované v senzoru

je plocha povrchu senzoru,  součinitel přestupu tepla, teplota měřeného prostředí, teplota senzoru, t čas, m hmotnost senzoru, c měrná tepelná kapacita senzoru.

t   t  m  m  0 1  e  

   

mc  S

U reálného senzoru není tepelná vodivost senzoru  =  a přechodová charakteristika nebude prvního řádu. 2014


16

Základy pyrometrie

- pyrometrie = bezkontaktní měření teploty 0.4 μm ... 25 μm

- 40 0C ... 10 000 0C

 výhody: • zanedbatelný vliv měřící techniky na objekt • možnost měření rotujících nebo pohybujících se těles • možnost měření rychlých teplotních změn • lze snímat a zobrazovat celé povrchy těles – termovize  nevýhody: • chyba způsobená nejistotou stanovení emisivity měřeného tělesa • chyba způsobená prostupností prostředí • chyba způsobená odraženým zářením z okolního prostředí 2014


17

Planckův zákon:

M 0 

c1   cT2    e  1    5

Mo - spektrální hustota intenzity záření [W/m2] C1 = 3,74.10-16 Wm-2 C2 = 1,44. 10-2 mK

Stefan-Boltzmanův zákon: 

M

0





M

0

d  T

0

d W  M0  2 M0 dS m 

 = 5,6710-8 Wm-2K-4 2014

4

M0 [W.cm-2.m-1]

104 102

3000K 1000K

10-2

500K 300K 200K

10-4

77K

100

10-6 -1 10

100

viditelné spektrum: 0.4 .. 0.78 μm A3B38SME přednáška 9

1

10

10

2

103  [m] 18

Wienův zákon:

 T  0 , 1 c 2 , T  3000 K zjednodušený Planckův zák.:

M

0



c1

5e

C2 T

Wienův posunovací zákon:

b m  T

s rostoucí T  klesá a naopak

b = konst. = 2898 mK 2014


19

Iφ

zářivost:

zář:

Lφ

d  d

Φ (W) ... zářívý výkon (tok)

d Iφ

d 2   dS cosφ d  dS  cosφ

Lambertův zákon:

I φ  I n cos φ  Lφ  S cos φ  Lφ  S n Iφ In Lφ    konst. S S n Kirchhoffův zákon:

M  f (T ,  )  2014


20

• pohltivost

 

 p  d

• prostupnost

 t    d • odrazivost

 r    d

  - pohltivost pro danou vln. délku

 p -pohlcený tok  d -dopadající tok

!! vztahy jsou pro monochromatické záření  - prostupnost pro danou vln. délku pro danou vlnovou délka  !!  t -prostupující tok

 d -dopadající tok

 - odrazivost pro danou vln. délku

 r -odražený tok  d -dopadající tok

• emisivita

M ε M0 2014

M – intenzita vyzařování zářiče M k intenzitě vyzařování černého tělesa M0 A3B38SME přednáška 9

M  M 0 ; M     M 0  21

- atmosférická prostupnost 25 oC :

2014


22

propustnost optiky

100  80 (%) 60

KBr

safír ZnSe

40 křemen

2014

2

Ge

MgF2 Si

20 0

300K 77K

BaF2 4

6

8

10

12


14

16

18

20  (m)

23

Pyrometrie = bezkontaktní měření teloty • termočlánkové baterie senzory infračerveného záření

• Bolometry • pyroelektrické detektory • polovodičové (kvantové) detektory

hlavní problémy: • emisivita: neznámá závislá na vlnové délce závislá na teplotě • závislost na úhlu k měřenému povrchu • pohltivost prostředí 2014


24

Okolní vlivy na přesnost IR teploměru

2014


25

1. termočlánková baterie

- konstruována jako tenké kovové pásky nebo Si technologií - často umístěna ve vakuové baňce parametr pro výběr materiálu:

2 Z  typ –18 až 500 oC a víc typ 7 - 18 m

2014


26

2. Bolometry

- užívají principu odporových senzorů teploty - tenké vrstvy oxidů (např. MnO, MgO, NiO,…) nanesené na nevodivé tenké podložce Mikrobolometrická matice v uspořádání FPA Uspořádání matice FPA detail elementu

IR záření mikromůstek

CMOS

matice FPA

2014


27

Mikrobolometrický element matice SCD 2001.PPT

odporové čidlo Si membrána kontakt upevnění

mezera ,

substrát obvodové vymezení selekce elementu

odporový senzor teploty spojen se substrátem jen tenkými přívody

2014


28

3. Pyroelektrické detektory

pyroelektrický jev = změna spontánní polarizace PS při změně teploty T materiály: TGS, PZT, LiTaO3, PVDF pyroelektrický koeficient:

 PS  p   T  T pyroelektrický čip se zesilovačem 

 P  dQ  S S  dT  S p(T ) dT  T  T

C

S

dU  2014

a



 o r (T ) S a

a p(T )dT  o  r (T )

U

Q C

transparentní elektroda

nutná rotující clona elektroda


pyroelektrikum

S  29

kompenzovaný integrovaný pyroelektrický senzor:

optický filtr

2014


30

4. Kvantové (fotoelektrické) detektory

Relativní citlivost (detektivita) infračervených detektorů 2014


31

Pyrometry • úhrnné pyrometry

• jednopásmové • dvoupásmové

1. Úhrnné radiační pyrometry

- vyhodnocení teploty podle Stefan-Boltzmanova zákona: 

TS – skutečná teplota T0 – „černá“ teplota = teplota černého zářiče M – intenzita záření

M 0   M 0  d  T 4 0

 = 5,6710-8 Wm-2K-4

-pyrometry jsou výrobcem cejchovány podle černého tělesa -tepelné záření se na senzor zaostřuje soustavou čoček nebo zrcadlem 2014


32

 (T0  TA ) 4   p (TS  TA ) 4



TS  (T0  TA ) 4

1

 p

 TA

dTS d  0 ,25  TS

 - emisivita p – prostupnost atmosféry OP – prostupnost optiky Z – tok ze zářiče  PO – tok z pouzdra detektoru

2014


33

OS521

2014

26 000 Kč Přesnost: ±1% ze čtení, rozsah: -18 až 540°C, optika 20:1


OS530L 11 000 Kč přesnost: ±1% ze čtení, rozsah: -18 až 538°C , optika 10:1, bodové laserové zaměřování

34

2. Jednopásmové pyrometry

-typ polovodič. senzor + interferenční filtr -monochromatické pyrometry – existují jen teoreticky (ef, ef)

1 o

TS 

c1 5 e

c2 To

   o

c1 5 e

c2 TS

To c 2 c 2  To ln(    )

dTS T d  S TS c2 

 = 1 m T = 1000 K c2 = 1,44.10-2 mK 2014


35

Jasový pyrometr (typ jednopásmového pyrometru)

1 1    ln(   ) TS T0 c2

  1  TS - skutečná teplota měřeného předmětu [K] T0 - teplota naměřená pyrometrem [K]

 - je vlnová délka [m] c 2 - konstanta, c 2  1 ,44.10- 2 [m.K]

  - emisivita   - spektrální propustnost   - spektrální pohltivost 2014


36

Určení emisivity :

1. z tabulek 2. kalibrací

 nekovové materiály neoxidované kovy Al, Au, Ag u kovů, Si, keramiky

2014

0,85 - 0,9 0,5 - 0,2 0,02 - 0,04


T

37

3. Dvoupásmové pyrometry

z Planck. zákona platí pro poměr záření:

L 1  L 2

1 o

c1 c2 TP



c2  1TS

  1 c 1 15 e 51 e  c c1 1  2 5  1TS c2  c  e  2 1 2  o  5 T 2e P

 1 1 1 1  1 2   ln TS TP c 2  1   2   2

2014


38

termovize

Technické parametry: Teplotní rozlišení: 0,1° při 30°C Rozsah zaostřování: 0,4 m až nekonečno Detektor PbSe: chlazený termometrický Frekvence snímání: 15 Hz Výstup video: RS 170 Rozměry: 98 × 220 × 8,3 mm Hmotnost: 1,5 kg Pracovní teplota: -10°C až + 50°C Rázy / Vibrace: 25×g / 2×g Rozlišení hledáčku: 400 řádků Hmotnost 0,85 kg Příkon 7 W

AGEMA 210

2014


39

Long Range Thermal Imager

2014


40

Vláknooptická sonda - IR

 • snadné umístění na těžko dostupná místa • možnost zaostření • do nevýbušných prostředí •do teplot 300 °C (bez chlazení) 2014


 • cena (2000 $) • fixní ostření 41

9. Měření teploty. P. Ripka A3B38SME přednáška 9

Recommend Documents