MS – měření teploty 1. METODY MĚŘENÍ TEPLOTY: Nepřímá Přímá - Termoelektrické snímače - Odporové kovové snímače - Odporové polovodičové
1.1. Nepřímá metoda měření teploty Pro nepřímé měření oteplení z přírůstků elektrických obvodů vinutí, lze oteplení určit dle vztahu (1):
∆ϑ =
R2 − R1 ⋅ (235 + ϑ1 ) R1
(1)
kde R2 - odpor vinutí v daném čase
R1 - odpor vinutí na začátku měření
ϑ1
-teplota vinutí na začátku měření
Nevýhoda nepřímé metody je v tom, že vyžaduje při měření odpojení elektrického stroje od napájecí sítě, čímž dochází zejména u strojů s menší časovou konstantou ke zkreslení výsledků měření. 1.2. Přímá metoda měření teploty Přímá metoda měření teploty umožňuje průběžné sledování a vyhodnocování teploty v průběhu pracovního režimu elektrického stroje např. pomocí zapisovacího přístroje. Pro přímé měření teploty se používá celá řada čidel, která jsou vhodná pro nejdůležitější oblasti použití. Některé teploměry (jako lékařské) jsou určeny pro přesné měření v úzkém rozsahu teplot. Pro měření oteplení vinutí elektrického stroje je však třeba použít teploměr s širším měřícím rozsahem. Dalším způsobem přímé metody je převod teploty na napětí. Zde se používají podle druhu čidel aktivní senzory – termočlánky, nebo pasivní senzory – součástky jejichž odpor je závislý na teplotě. Převodníky teplota-napětí musí být v potřebném rozsahu lineární a připojujeme je nejčastěji k číslicovým voltmetrům. Mohou být provedeny jako přídavek k digitálnímu multimetru, nebo spolu s panelovým měřidlem vytvořit jednoúčelové měřidlo teploty. Ručkové přístroje používáme pro menší požadovanou přesnost měření. V dnešní době klesají ceny panelových číslicových voltmetrů tak, že se je vyplatí používat místo ručkových měřidel. Ručkové přístroje se však používají tam, kde teplota často kolísá, protože pak je analogový údaj vhodnější. V takovém případě lze použít i analogovou stupnici z diod LED. 1.2.1 Termoelektrické snímače Termoelektrické teploměry využívají k měření teploty termoelektrických článků.Tento článek je tvořen dvěma vodiči z různých kovových materiálů A a B, které jsou na obou koncích spolu vodivě spojeny (obr.1)
1
MS – měření teploty
obr.1 Jestliže teplota ϑm jednoho spoje bude různá od teploty ϑo druhého spoje, vzniká termoelektrické napětí a obvodem prochází termoelektrický proud. V zjednodušené formě můžeme závislost termoelektrického napětí na teplotě vyjádřit lineárním vztahem:
E = α AB ⋅ ϑm + α BA ⋅ ϑo = α AB ⋅ (ϑm − ϑo )
(2)
kde α AB je koeficient závislý na materiálech použitých kovů, přičemž platí, že α AB = −α BA . Materiál na výrobu termoelektrických článků má vykazovat pokud možno velký a lineární přírůstek E v závislosti na teplotě, stabilitu údaje při dlouhodobém provozu a odolnost proti chemickým a mechanickým vlivům. Označení jednotlivých termočlánků se provádí velkými písmeny. Pro průmyslové použití je nejrozšířenější termočlánek typu J (železo-měďnikl) pro rozsah teplot od 200 do +600 °C. Pro vyšší teploty se používá termoelektrický článek typu K (niklchrom-niklhliník) v rozsahu od -50 do 1000 °C. Termoelektrický článek typu S (platinarhodium-platina) se používá v rozsahu od 0 do +1300 °C. Přehled vlastností vybraných termočlánků je uveden v tabulce 3: Označení termočlánků Název termočlánku
J Železo-měďnikl
Použitelnost: trvale Použitelnost: krátkodobě Termoelektrické napětí [
mV ] 100°C
K niklchrom-niklhliník
-200°C až +600°C -50°C až +1000°C Až až +1300°C +900°C 5,35 4,8
Odolnost v oxidačním prostředí
Malá
velká
tab.3 Hodnoty termoelektrických napětí jsou zřejmé z charakteristik na obr.2:
obr.2
2
S Platinarhodiumplatina 0°C až +1300°C až +1800°C 0,68 Velká
MS – měření teploty 1.2.2. Odporové kovové snímače Odporové kovové snímače teploty patří do skupiny pasivních senzorů. Základním požadavkem na materiál používaný při měření teploty je, aby měl co největší a stálý teplotní součinitel odporu a zároveň co největší měrný odpor. Na rozdíl od aktivních senzorů se musí do pasivních čidel přivádět pomocná energie. Tyto snímače využívají závislosti elektrického odporu na teplotě. Změny odporu jsou dány použitým materiálem. Použitý materiál nemá vykazovat změnu teplotního součinitele odporu s časem (stárnutí) a hysterezi. Platinové teplotní čidlo PT100 Nejčastěji používaným odporovým materiálem je platina. Je výhodná pro svoji velkou chemickou stálost, vysokou teplotu tavení (1773,5°C) a možnosti dosažení vysoké čistoty. Pro snímače se používá fyzikálně čistá platina, která má vyšší čistotu, než 99,99% Pt. Je znečištěna pouze stopami iridia a železa po případě zlata a stříbra.
(
Rϑ = R0 ⋅ 1 + A ⋅ ϑ + B ⋅ ϑ 2
)
(4)
kde R0 je odpor při 0 °C
ϑ
A
je teplota ve °C je konstanta 3,9075 ⋅10 −3 1 / °C
B
je konstanta − 0,575 ⋅10 −6 1 / °C
V rozmezí od 0°C do −190°C se vyjadřuje závislost odporu na teplotě rovnicí:
(
Rϑ = R0 ⋅ 1 + A ⋅ ϑ + B ⋅ ϑ 2 + C ⋅ (ϑ − 100 ) ⋅ ϑ 3 kde C
)
(5)
je konstanta − 4 ⋅10 −12 1 / °C
Konstanty A, B, C jsou závislé na čistotě a strukturním stavu platiny, jsou určeny příslušnými normami v jednotlivých státech. Jejich hodnota se však liší, a liší se tedy i poměr odporů R100 / R0 . Uvedené konstanty odpovídají poměru R100 / R0 = 1,385 . U provozních platinových odporových teploměrů je důležitá záměnnost, umožňující sestavovat měřicí obvody ze snímačů a převodníků tak, aby bylo možné měřit s chybami v určitých dohodnutých mezích bez ověřování přesnosti. Čidlem odporového snímače teploty je tzv. měřicí odpor, který je nejčastěji tvořen spirálovitě stočeným tenkým platinovým drátkem (∅ 0,05 mm), zataveným do keramického nebo skleněného tělíska (obr.3).
3
MS – měření teploty
obr.3 V poslední době se vyrábějí měřicí odpory tenkovrstvou technologií, při níž se platinový odpor vytvoří na ploché korundové destičce technikou napařování a iontového leptání. Struktura takového plošného odporového teploměru je patrná z obr. 4.
obr.4 Plošné měřicí odpory s vrstvičkou platiny ve formě jednoduchého meandru mají rychlejší odezvu než odpory drátové, mají obvykle vyšší odpor a jsou levnější. Drátové odpory jsou však časově stálejší. Provedení čidla: Na keramický substrát je napařena tenká vrstva platiny. Pomocí laseru je odpor snímače přesně nastaven na jmenovitou hodnotu . Aktivní vrstva je pasivována izolační vrstvou, která chrání senzor proti vnějšímu chemickému a mechanickému poškození. Kapka fixující dva vývody dlouhé 10 mm je také z keramiky. Vývody jsou z pozlaceného niklu a jsou obdélníkového průřezu. Rozměr keramické destičky je 2,0 x 5,0 x1,0 mm. Standardně jsou k dispozici čidla ve třídách přesnosti A a B. Základní technické parametry: - měřící rozsah -50 až 400 °C - odpor při 0°C je 100 Ω - teplota okolí -30 až 100 °C - proudové zatížení 2 mA - přesnost třída B - relativní vlhkost < 80 % - teplotní koeficient 3850 ppm/°C - krytí IP 54 - odpor přívodních vodičů 0,084 Ω /m - doporučený průměr přívodního kabelu 5 až 7 mm
4
MS – měření teploty
V příloze I. je uvedena tabulka závislosti odporu na teplotě v rozsahu –215 až 850°C. závislost není přesně lineární, ale lze ji poměrně dobře linearizovat. Na obr 5. a 7 je tato závislost vynesena graficky spolu s dalšími čidly Další materiál vhodný pro realizaci odporových teploměrů je nikl. Používá se v rozsahu od 60 °C do150 °C, krátkodobě do180 °C. Jeho výhodou je, že má velký teplotní součinitel odporu a je tedy citlivější. Dále je levnější než platina, což může být v mnoha případech rozhodující pro jeho použití. Pro výpočet základní charakteristiky vyhovuje kvadratický vztah s následujícími konstantami:
A = 5,44 ⋅10 −3 1 / °C B = 6,00 ⋅10 −6 1 / °C Výhodou odporového kovového snímače je:
Nevýhoda je:
vysoká stabilita vysoká přesnost lepší linearita než u termočlánků
poměrně vysoká cena zahřívání proudem potřeba stabilizovaného zdroje
1.2.3. Odporové polovodičové snímače Polovodičové odporové snímače teploty vytvářejí rozsáhlou oblast, která je stále ještě ve vývoji. Přes velké množství snímačů, které se běžně sériově vyrábějí, jsou stále hledány nové materiály a konstrukce. Polovodičové snímače teploty můžeme podle použitého materiálu rozdělit na: NTC termistor Nejznámějším polovodičovým prvkem je termistor, což je polovodičová součástka bez přechodu. V podstatě to je nelineární rezistor, jehož odpor s teplotou klesá, tzn. že má záporný teplotní koeficient (NTC). Teplotní součinitel odporu je nejméně pětkrát, v některých případech až padesátkrát větší než u kovů. Jeho odpor logaritmicky klesá v rozsahu teplot 0 až ϑmax (100 ÷ 200°C ) přibližně o 3 řády. Odpor termistoru RT v závislosti na teplotě T lze vyjádřit vztahem:
RT = A ⋅ e kde
B T
(6)
A je odpor termistoru při teplotě blížící se nekonečnu B je materiálová konstanta
Materiálová konstanta B je závislá na teplotě termistoru. Při přibližných úvahách nemusíme však tuto skutečnost uvažovat. Mění-li se teplota termistoru jen v malém rozsahu (několika °C), lze považovat závislost odporu termistoru na teplotě za lineární. Potom můžeme pro odpor termistoru napsat rovnici:
RT = R0 ⋅ (1 + α ⋅ (ϑ − ϑ0 ))
(7)
kde α je teplotní součinitel odporu termistoru R0 je odpor termistoru při teplotě ϑ0 Termistory jsou běžné vyráběny v širokém rozsahu odporových hodnot
R0 od 0,1Ω do jednotek
megaohmů i více. Důležitý je odpor při teplotě 25°C, který se označuje R25 . V praxi se termistory
5
MS – měření teploty používají při menších nárocích na přesnost, výhodné je perličkové nebo diskové provedení. Lze je vyrobit s velni malými rozměry, proto jsou vhodné jako bodové snímače teploty. Citlivost termistorů je až 10 −4 °C . Horní teplotní hranice je asi 200 °C, pro některé speciální aplikace až do 1000 °C. Termistor je nesrovnatelně levnější než platinový měřící odpor. Jeho nevýhodou je však exponenciální závislost vodivosti na teplotě. Časová stálost termistoru na teplotě je horší než u článků kovových. Zlepšení vlastností v tomto směru je možno dosáhnout výběrem s umělým stárnutím (teplotním, proudovým). PTC termistor Dalším teplotně závislým prvkem je pozistor, označovaný též jako PTC termistor. Pozistor je polykrystalická polovodičová součástka s kladným teplotním součinitelem odporu. Se stoupající teplotou dochází především k mírnému poklesu odporu, načež v určitém (poměrně úzkém) pracovním intervalu teplot elektrický odpor prudce stoupá. Dále pak odpor pozistoru mírně klesá. Nejčastěji bývá odpor pozistoru do 100 °C mírně pod 100 Ω , dalším zvyšováním teploty nad 100 °C vzrůstá odpor na 100 kΩ . U pozistoru definujeme tzv. spínací teplotu. Je to teplota, při níž odpor pozistoru dosahuje dvojnásobné hodnoty jmenovitého odporu. Jmenovitý odpor bývá definován při 25 °C. Dále je zajímává teplota při dosažení maximální hodnoty odporu pozistoru. Pozistory jsou vhodné pro měření ve velmi úzkém teplotním rozsahu a jako čidlo překročení určité teploty. Pro srovnání je na obr.9 závislost odporu na teplotě pro termistor, pozistor a platinové odporové čidlo.
Obr. 5. Křemíkové teplotní čidlo KTY84 Toto čidlo je ve skleněném pouzdře (obr. 6). Technologickými úpravami jeho struktury bylo dosaženo, že rozsah měřených teplot je od -40 do 300 °C, což je vzhledem k vlastnostem křemíku obdivuhodné. Typ KTY84 má při 100 °C odpor 1000 Ω s podmínkou, že proud procházející snímačem je 2 mA.
obr. 6
6
MS – měření teploty
Základní technické parametry: - odpor 970 až 1030 Ω - přesnost ± 4,8 °C - při teplotě 25 °C maximální proud 10 mA - při teplotě 100 °C maximální proud 2 mA Podle tolerance, setrvačnosti a rozsahu teplot se snímač teploty KTY84 dělí ještě na čtyři typy: KTY84 - 130 KTY84 - 150 KTY84 - 151 KTY84 - 152
obr. 7
V příloze II. je uvedena tabulka závislosti odporu na teplotě.
1.2.4. Vyhodnocování signálu odporových snímačů teploty Měřící obvody: K měření oteplení elektrických motorů se v současnosti nejvíce používají teplotní čidla PT100 a KTY84. Tyto čidla bývají již součástí motoru a jejich vývody jsou vyvedeny na svorkovnici. Potom již k měření teploty stačí připojit vyhodnocovací obvod, který převede odpor čidla na teplotu. Nejčastějším provozním způsobem vyhodnocení změn odporu u odporových teploměrů je nevyvážený Wheatstoneův můstek. Vyhodnocovací přístroje mají měřicí ústrojí magnetoelektrické, zapojené v úhlopříčce odporového můstku. Můstek je napájen stejnosměrným stabilizovaným napětím z vestavěného zdroje. Schéma připojení odporového snímače teploty k vyhodnocovacímu přístroji je na obr. 8. Metoda je určena zejména pro měření teploty s teplotním čidlem PT100, u kterého je dobrá linearita odporu na teplotě.
7
MS – měření teploty
a) dvouvodičové zapojení
b) třívodičové zapojení obr.8
Při dvouvodičovém zapojení (obr.8a) jsou připojeny odporový teploměr RJ i oba připojovací vodiče do jedné větve odporového můstku. Změna odporu teploměru vlivem teploty způsobí rozvážení můstku, které se indikuje měřicím ústrojím zapojeným v diagonále. Hodnoty odporů můstku jsou voleny tak, aby při minimální hodnotě měřené teploty byl můstek vyvážen a při maximální teplotě, aby ukazovatel měřícího ústrojí vykazoval plnou výchylku. Aby mohla být stupnice měřícího přístroje dělena přímo ve ºC, tak odpor vedení mezi snímačem a vyhodnocovacím přístrojem musí být upraven vždy na stejnou hodnotu bez ohledu na vzdálenost. K tomu slouží justační odpor Rj, kterým se upravuje celkový odpor vedení na 20 Ω . V provozních podmínkách může být můstek značně vzdálen od měřícího odporu RJ. Odpor vedení mezi přístrojem a snímačem se vlivem změn teploty okolí mění. Jelikož spojovací vedení i snímač jsou zapojeny do jedné větve můstku, působí tato skutečnost chybu měření. Proto se dvouvodičového zapojení používá pouze na kratší vzdálenosti mezi snímačem a vyhodnocovacím přístrojem a pro větší rozsahy teplot, kde je chyba v poměru k rozsahu relativně menší. Při malých teplotních rozsazích a dlouhém spojovacím vedení o proměnné teplotě volíme zapojení třívodičové (obr.10b). U tohoto zapojení je snímač teploty a jeden vodič s vyrovnávacím odporem Rj zapojen do jedné větve můstku a druhý vodič s vyrovnávacím odporem Rj do druhé větve. Třetí vodič je v napájecí větvi a napájecí bod je posunut až ke snímači teploty. Vliv změn teploty na spojovací vedení nepůsobí rušivě, protože změny odporu působí ve dvou sousedních větvích, a tím se navzájem kompenzují. Velikost napájecího napětí měřícího můstku musí být volena tak, aby nedocházelo k nežádoucímu oteplení měřícího odporu Jouleovým teplem. Současné moderní převodníky signálu pro teploměrné snímače využívají pokroku číslicové elektroniky a jsou značně přizpůsobivé. Tyto přístroje jsou obvykle vybavené linearizací, přizpůsobitelné pro různé typy snímačů (odporové teploměry, různé typy termočlánků či pro obecný napěťový signál). Důležitou předností těchto převodníků je možnost konfigurace pro použitý typ senzoru, aniž by bylo třeba měnit elektronické vybavení a provádět rekalibraci. Přístroje bývají vybaveny i automatickou diagnostikou pomocných i měřicích obvodů. Ukázka konkrétních továrně vyráběných převodníků (relé) pro vyhodnocování teploty u elektrických pohonů: Převodníky pro čidla PT 100, PT 1000, KTY 83/84, NTC Někdy je výrobci nazývají jako tzv. monitorovací relé teploty. Obvykle je možno tyto relé navolit na daný typ čidla (PT 100, PT 1000, KTY 83, KTY84, či NTC) – univerzální monitorovací relé teploty.
8
MS – měření teploty Příkladem jsou monitorovací relé typu C510-513 od firmy ABB (viz soubory Rele_CT_CM_CZ.pdf a C510.pdf) či relé řady SIRIUS typu 3RS1040 od firmy Siemens (viz soubor 3RS104_BA-3ZX10120RS10-0AA0_cz.pdf) Ukázka některých dalších monitorovacích relé od jiných výrobců: W 074 - 6
Parametry: - převodník s proudovým výstupem 4 až 20 mA - rozsah měření 0 až 200 °C - napájecí napětí 11 až 36 V DC - chyba měření < 0,6 % - přerušení čidla typicky 35 mA - zkrat čidla typicky 3,5 mA - teplota okolí -40 až 85 °C - relativní vlhkost < 80 % - krytí IP 54 - doporučený průměr přívodního kabelu 5 až 7 mm OC35 - RTD
Parametry: - převodník s napěťovým výstupem 0 až 5 V - rozsah měření 0 až 120 °C - napájecí napětí 230 V AC - přesnost 0,1% - rozměr 75 x 79 x 40 mm Převodníky pro PTC termistory Z charakteristiky čidla na obr. 5 plyne, že toto čidlo je vhodné pouze ke hlídání překročení určité maximální teploty motoru. Relé určená k tomuto účelu jsou poměrně jednoduchá a běžná u řady výrobců. Příkladem jsou tzv. termistorová relé typu CM-MSE, CM-MSS, CM-MSN, od firmy ABB (viz soubory Rele_CT_CM_CZ.pdf a Termistorova_rele.pdf)
9
MS – měření teploty 9. SEZNAM PŘÍLOH Příloha I. Příloha II.
Tabulka závislosti odporu čidla PT100 na teplotě Tabulka závislosti odporu čidla KTY84 na teplotě Příloha I Tabulka závislosti odporu čidla PT100 na teplotě
10
MS – měření teploty Příloha II
11
