Železniční konstrukce II CN 04 Přednáška č. 7b
Jaroslav Smutný
1 z 27
Teplotní senzory - jednotky Jednotky : k měření teploty se používají různé jednotky °C – stupeň Celsia v Evropě zaveden mezinárodní smlouvou v r. 1948 °F – stupeň Fahrenheita – USA, GB °R – stupeň Réaumurova, používal se pře zavedením °C K – stupeň Kelvina °Rank – stupeň Rankina, USA, GB
Převodní tabulka
2 z 27
Teplotní senzory - rozdělení Dotykové – elektrické • odporové
kovové polovodičové
• s p-n přechodem
dioda (Si, Ge, GaAs, varikap, ZD) tranzistor (bipolarní, unipolarní)
• termoelektrické
kovové
polovodičové • krystalové • SAW
3 z 27
Teplotní senzory - rozdělení Dotykové – dilatační
Dotykové – speciální
• kapalinové
• akustické (ultrazvukové)
• plynové
• magnetické
• bimetalové
• s tekutými krystaly • teploměrné barvy • šumové
Bezdotykové • tepelné (bolometry, pyrometry) • kvantové
4 z 27
Ekvivalence tepelných a elektrických obvodů Množství tepla v tělese
Q mcT
m – hmotnost, c – měrná tepelná kapacita, T - teplota Rychlost průtoku tepla tělesem
dQ dT
Teplotní gradient (tepelná vodivost)
dT dx
Platí:
dQ dT kS dT dx
Tepelný odpor:
kde S je průřez
1 l RT kS 5 z 27
Ekvivalence tepelných a elektrických obvodů
Systém
Proměnná
Prvky
Dynamické
Statické
Elektrický
I,U
R,L,C
q=C/U
U=IR
Tepelný
Q,R
RT, c
Q=c/T
T=QRT
6 z 27
Odporové kovové teploměry - RTD • patří k nejčastějším typům pro měření teploty • materiál : především čisté kovy (Pt, Ni, Cu …) Wolfram (vysoce linární) Copper (menší teplotní rozsahy) Nickle (nižší teploty, nízká cena, nelineární), -60°C 120°C Platinum (vysoká cena, lineární, nejběžnější, -260°C 630°C slitiny Niklu (nižší teploty, nízká cena) slitiny Ag, Au do 120°C • závislost R=f() není linární i když většínou mluvíme o lineárních odporových senzorech
R R0 1 2 ( 100) 3
Pro určité rozsahy teplot se rovnice zjednodušuje
7 z 27
8 z 27
Materiál
Teplotní součinitel odporu [K-1]
Rozsah teplot do [oC]
platina
(3,85 3,91)10-3
600
nikl
(6,17 6,75)10-3
300
měď
(4,26 4,33)10-3
Součinitel teplotní roztažnosti vybraných materiálů
9 z 27
Realizace odporových senzorů • spirálové vinutí
• vinutí v keramickém pouzdře
• tenký film
10 z 27
Vyhodonocovací obvody pro RTD 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
Kompenzace odporu vedení R - tří (čtyř) vodičové zapojení, zejména při použití dlouhého vedení od senzoru
11 z 27
Odporové kovové teploměry - shrnutí
malý odpor
široký rozsah pracovních teplot (-200 °C to 850 °C) dobrá citlivost
100 (nejběžnější) to 1000
(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
12 z 27
Odporové polovodičové senzory teploty Typy termistorů
PTC (posiztory) NTC (negastory)
Teplotní závislost odporu
R Ae
B T
1 1 R1 exp B R2 T1 T2
B – materiálová teplotní konstanta A – zahrnuje geometrický tvar materiálu (udává býrobce ze dvou hodnot R1 pro 1, R2 pro 2)
Teplotní koeficient odporu
R R0
B T2 13 z 27
Odporové polovodičové senzory teploty
Velký odpor 1 k to 100 k
Nelineární závislost na teplotě.
Rychlé časové odezvy
Levnější než RTD Vysoká citlivost a rozlišení
zejména NTC nutnost linearizace
Malé rozměry
Eliminuje vliv odporu přívodních vodičů
Více než 1000 citlivější než RTD
Necitlivé na vibrace a rázy
14 z 27
Termistory – linearizace průběhu Základní principy • využití nelineárního zesilovače s charakteristikou inverzní k charakteristice termistoru • 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
15 z 27
Polovodičové senzory s odporem šíření Princip – odpor šíření se uplatňuje v místě styku kovového hrotu s polovodičem. Odpor pak závisí pouze na rezistivitě a poloměru konraktu r. R=f(r, )
Využívá se kladný teplotní součinitel (pro Si od 50 150°C). S rostoucí teplotou klesá pohyblivost volných nosičů náboje.
16 z 27
Tenkovrstvé teplotní senzory
Tenkovrstvý Pt senzor
Tenkovrstvý SiC senzor
Lineární charakteristika Citlivost 0,44K-1 Výroba – naprašováním na skleněnou podložku Stabilní, přesné, nelineární, nenavlhá -100 450°C kladný 5x10-3 K-1 R=10k až 1M
Tenkovrstvé polykrystalické senzory
Levné, malé rozměry, vysoká reprodukovatelnost -170 450°C Časová odezva =75°C t=60 100ms
17 z 27
Teplotní senzory s P-N přechodem
P-N přechod
Pro měření lze využít všech diod (Si, Ge, GaAs) charakteristika je mírně nelineární Varikapy – nejlepší, stálé parametry
Proud diodou
n U UT I UT I IS e 1 U ln n IS
n – parametr, rekombinační koeficient IS – saturační proud U, I – napětí a proud v propustném směru
Kde
kT UT q
U=konst*T pokud IS=konst., v reálu ale IS=f(T) Ukonst*T charakteristika je obecně nelineární
18 z 27
Teplotní senzory s P-N přechodem Citlivost – lze odvodit, že platí
dU k I U0 ln dT nq I S Tref
U0 – je napětí U pro T 0 K (pro Si se U0=1,1V Tref – zvolená referenční teplota
Příklad: pro běžné Si diody se IS=10-10 A a U0=1,1 V a pro I=10-4 A se 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
19 z 27
Teplotní senzory s P-N přechodem
Tranzistor jako teplotní senzor
Využívá se přechodu UBE protože má menší teplotní závislost saturačního proudu
Ik
UBE
2 tranzistory nejsou zaměnitelné – každý diskrétní senzor teploty se musí nahrhovat individuálně 20 z 27
Integrované teplotní senzory
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
21 z 27
Termoelektrické teploměry Termoelektrické teploměry pracují na principu termoelektrického jevu. Vlivem teploty vzniká na termočlánku elektrické napětí
U kt t kde U je termodynamické napětí [V], kt je konstanta termočlánku [VK-1] a t je teplota [K]. Častěji se používá zapojení termočlánků do tzv. kompenzačního zapojení, kdy jeden z termočlánků má konstantní teplotu a druhý je uložen v měřené teplotě. Obvyklý rozsah měření je od –60oC (-200oC) do 600oC. Pro nízké teploty od –250oC do 400oC užíváme termoelektrického článku měď-konstantan. 22 z 27
23 z 27
24 z 27
25 z 27
26 z 27
27 z 27
28 z 27
29 z 27
30 z 27
31 z 27
32 z 27
33 z 27
Teploměrné barvy Některé nátěry, tzv. teploměrné barvy, při dosažení jmenovité teploty mění barvu. Jedná se zejména o sloučeniny Ag, Cu, Pb, As, Sb. Obvykle mění barvu od 40oC do 1350oC v odstupňování po 5oC až 100oC. Přesnost je kolem 5oC při předepsané době působení teploty.
34 z 27
Bezdotykové teploměry Bezdotykové teploměry využívají toho, že teplé těleso vysílá do okolí tepelné záření v podobě velmi krátkých elektromagnetických vln (přibližně od 0,8 m do 30 m). Nejpoužívanější radiační teploměry jsou jasové pyrometry, u kterých se srovnává záře měřeného předmětu a záře elektronové žárovky, která je cejchována prostřednictvím záření absolutně černého zářiče. U radiačních pyrometrů závisí oteplení na úhrnné zářivosti dopadajícího tepelného záření.
Čočka je ze speciálního skla, které propouští tepelné infračervené záření již od 500oC. Pro nižší teploty se místo čočky používá konkávní zrcadlo. Hlavní jednotkou pro vyzařování je tepelný tok , což je výkon přenášený zářením. 35 z 27
V infratechnice se častěji používá záření
d Le d dS cos 2
Intenzita vyzařování
[Wm-2sr-1]
d [Wm-2] M dS
Rozlišení se pohybuje v desítkách stupňů, teplotní rozsah do 3500oC (u polarizačního až 7000oC).
36 z 27
Úhrnný pyrometr s termočlánkovou baterií (1 – zářič, 2 – snímač, 3 – srovnávací konce termočlánku, 4 – měřící konce termočlánku, 37 z 27 5 – vizuální pozorování)
38 z 27
Shrnutí Každé uskupení hmoty o teplotě nad absolutní nulu (0 K = -273,15 °C) vysílá infračervené záření, odpovídající jeho teplotě. To se nazývá charakteristické záření. Jeho příčinou je vnitřní mechanický pohyb molekul. Intenzita tohoto pohybu závisí na teplotě objektu. Protože pohyb molekul představuje přemísťování náboje, je vyzařováno elektromagnetické záření (fotonové částice). Tyto fotony se pohybují rychlostí světla a chovají se dle známých optických zákonů. Mohou být odkláněny, soustředěny čočkami nebo odráženy odraznými povrchy. Spektrum tohoto vyzařování pokrývá vlnové délky od 0,7 do 1000 µm. Z tohoto důvodu toto záření nemůže být normálně viditelné pouhým okem. Tato oblast vlnových délek leží za červenou částí viditelného světla a nazývá se proto "infra"-červená (z 39 z 27 latiny).
40 z 27
41 z 27
Diagram zachycuje vyzařování ideálního, tzv. "černého tělesa". Mnoho těles však emituje při stejné teplotě méně energie. Vztah mezi skutečnou vyzařovanou energií a energií vyzařovanou černým tělesem stejné teploty je znám jako emisivita ε (epsilon) a může mít maximální hodnotu 1 (těleso v tom případě odpovídá ideálnímu černému tělesu) a minimální hodnotu 0. Tělesa s emisivitou menší než 1 se nazývají šedá tělesa. Tělesa, jejichž emisivita závisí rovněž na teplotě a vlnové délce se nazývají ne-šedá tělesa (non-gray bodies). Kromě toho je celkové množství vyzařované energie složeno ze záření emitovaného (E), odraženého (R) a procházejícího (T) a je rovno 1, viz následující rovnici a obrázek:
E+R+T=1 42 z 27
43 z 27
U pevných těles není žádné procházející záření v infračerveném pásmu (T = 0). Výsledkem je, že pro emisi platí: E=1-R Ideální černé těleso má také nulovou odrazivost (R = 0), takže E = 1. Mnoho nekovových materiálů jako je dřevo, plasty, guma, organické materiály, kámen nebo beton mají povrch, který odráží velmi málo, a proto mají vysokou emisivitu mezi 0,8 a 0,95. Naopak kovy - zvláště ty s leštěným nebo lesklým povrchem - mají emisivitu kolem 0,1. Infračervené teploměry to kompenzují nabídkou proměnných hodnot nastavení faktoru emisivity.
44 z 27
45 z 27
Určování emisivity
Pro stanovení emisivity měřeného objektu jsou různé metody. Zaprvé můžete vyhledat emisivitu mnoha často používaných materiálů v tabulce. Je možné určit emisivitu konkrétního materiálu různými metodami. Pro to potřebujete pyrometr s možností nastavení emisivity.
Ohřejte vzorek materiálu na známou teplotu, kterou můžete určit velmi přesným dotykovým teploměrem (např. termočlánkem). Potom změřte teplotu tohoto tělesa infračerveným teploměrem. Měňte jeho emisivitu, dokud naměřená teplota neodpovídá teplotě změřené dotykovým teploměrem. Zapamatujte si tuto hodnotu emisivity pro budoucí měření teploty předmětů z tohoto materiálu. Při relativně nízké teplotě (do 260 °C) nalepte na měřený objekt speciální plastovou samolepku se známou emisivitou. Infračerveným teploměrem změřte teplotu samolepky s touto emisivitou. Potom změřte povrchovou teplotu měřeného objektu bez samolepky a přestavte na teploměru emisivitu tak, aby teploměr ukazoval správnou teplotu. Nyní používejte emisivitu určenou touto metodou pro všechna měření na objektech z tohoto materiálu.
46 z 27
Zhotovte si černé těleso s použitím vzorku z materiálu, který chcete měřit. Do vzorku materiálu vyvrtejte otvor. Hloubka vyvrtané díry by měla být přinejmenším pětinásobkem jeho průměru. Průměr musí odpovídat velikosti plochy měřené tímto teploměrem. Jestliže emisivita vnitřních stěn je větší než 0,5, emisivita dutého tělesa je nyní kolem 1 a teplota měřená v otvoru je správná teplota měřeného objektu. Když nyní namíříte infračervený teploměr na povrch měřeného objektu, měňte emisivitu přístroje dokud zobrazovaná teplota neodpovídá hodnotě změřené předtím z černého tělesa. Emisivitu určenou touto metodou můžete používat pro všechna měření na stejném materiálu.
Jestliže je možno měřený povrch natřít, natřete jej matnou černou barvou, která má emisivitu kolem 0,95. Změřte teplotu tohoto "černého tělesa" a nastavte emisivitu, jak popsáno výše.
47 z 27
Stručné shrnutí 1. Emisivita je mírou schopnosti daného předmětu vyzařovat infračervenou energii, která nese informaci o jeho teplotě. 2. Emisivita může nabývat hodnot od 0 (lesklé zrcadlo) do 1,0 (černé těleso). 3. Většina organických, nabarvených nebo zoxidovaných povrchů má emisivitu blízkou hodnotě 0,95. 4. Dokonalejší přístroje disponují možností uživatelského nastavení emisivity, aby ji bylo možno lépe přizpůsobit skutečným podmínkám měření. 5. Jestliže potřebujete měřit lesklý předmět (zejména s teploměrem s pevně nastavenou emisivitou 0,95), ošetřete dle možnosti jeho povrch matnou černou barvou nebo vhodnou samolepicí páskou a měřte teplotu na tomto upraveném místě. 48 z 27
Optika infračervených teploměrů Optický systém infračervených teploměrů zachycuje infračervenou energii vyzařovanou z kruhové měřené plochy a soustřeďuje ji na detektor. Měřený objekt musí úplně vyplňovat tuto měřenou plochu, jinak teploměr "vidí" jiné teplotní vyzařování z pozadí, což způsobuje nepřesnost naměřených hodnot
49 z 27
Měřený objekt musí úplně vyplňovat měřenou plochu, jinak jsou naměřené hodnoty nesprávné. Optické rozlišení D : S je definováno jako vztah mezi vzdáleností měřicího přístroje od měřeného objektu a průměrem měřené plochy. Čím větší je tato hodnota, tím lepší je optické rozlišení měřicího přístroje a tím menší může být měřená plocha při dané vzdálenosti
50 z 27
Laserový zaměřovač Infračervené teploměry jsou často vybaveny laserovým zaměřovačem, který uživateli umožní zacílit na měřené místo mnohem rychleji a přesněji. Existuje několik provedení laserových zaměřovačů: Jednoduchý laserový paprsek s posunem z optické osy Laserový paprsek vychází z místa mimo střed optické osy a s optickou osou tedy přesně nesouhlasí. Toto je nejjednodušší provedení, zvláště se používá pro přístroje s nízkým optickým rozlišením (pro velké měřené objekty). Laserový bod se zamíří přibližně na střed měřeného objektu, ale při malých vzdálenostech teploměru od měřeného objektu je patrná nepřesnost v zaměření.
51 z 27
Koaxiální laserový paprsek Laserový paprsek vychází ze středu optické osy a souhlasí s optickou osou přístroje. Střed měřené plochy je při jakékoliv vzdálenosti vždy přesně označen. Dvojitý laser Dvojitý paprsek se dvěma zaměřovacími body se používá pro vyznačení průměru měřené plochy, zejména při větších vzdálenostech. V tomto případě uživatel nemusí odhadovat nebo předem počítat průměr měřené plochy - ta je dána kružnicí, procházející oběma viditelnými body. To uživateli usnadňuje měření a zabraňuje chybám z důvodu špatného zaměření nebo nesprávného odhadu velikosti měřené plochy. Kruhový laser s posunem z optické osy Toto je nejjednodušší řešení, které vyznačí nejen umístění měřené plochy, ale také její velikost a vnější tvar. Měřená plocha je od určité minimální vzdálenosti teploměru od měřeného objektu uvnitř laserového kruhu. Výrobce vypočítá provedení laserového kruhu tak, aby byl větší než skutečné měřené místo, čímž redukuje chybu paralaxy. Proto se uživatel musí ujistit, že laserový kruh je celý vyplněn měřeným objektem, aby dosáhl správného měření. 52 z 27
53 z 27
Přesné označení měřené plochy 3-bodovým koaxiálním laserem Laserový paprsek je při projekci rozdělen na tři jasné laserové body v řadě, které uživateli umožňují jasně vyznačit rozměry měřené plochy při všech vzdálenostech a úhlech měření. Prostřední laserový bod vždy označuje střed měřené plochy, zatímco dva vnější laserové body vyznačují její průměr. Kromě toho je možno polohu vnějších bodů využít pro indikaci vzdálenosti, při které je dosaženo nejmenší možné měřené plochy. Když se vnější body seřadí např. vertikálně nebo horizontálně, je tím indikována vzdálenost, při které je dosaženo nejmenší měřené plochy
54 z 27
55 z 27
56 z 27
57 z 27
