Senzory tepelných veličin -teplota = termodynamická stavová veličina -teplotní stupnice: Kelvinova (trojný bod vody 273,16 K), Celsiova, ... ITS-90 (4 rozsahy) elektrické:
kontaktní
senzory teploty:
• odporové kovové (RTD) • odporové polovodičové: -termistory NTC - termistory PTC -monokrystalické Si • polovod. s PN přechodem • krystalové • termolelektrické dilatační (kapalinové, plynové,...) speciální(šumové, akustické,…)
tepelné
bezkontaktní
kvantové
porovnání senzorů:
tepl. rozsah citlivost linearita záměnnost stárnutí pasivní rychlost odolnost
termočl.
RTD
NTC
PN polovod.
-200..2300
-200..850 + ++
-80..150 + -drahé samoohřev + +
-40..100 ++ + +
-+ -+ ++ ++
+ --
-
1. bezkontaktní senzory • tepelné: - plynové:
pV = RmT
V = konst ⇒
termodynamická rce
po p =T To
2. kontaktní senzory 2.1 kovové odporové teploměry - princip fce: závislost odporu kovu na teplotě
R = R0 (1 + αT )
drátkový odporový teploměr
α[%/K] rozsah [oC] Pt 0.39 -200/850 Ni 0.69 -80/320 Cu 0.43 -200/260 a)
tenkovrstvý odporový teploměr kovová vrstva pasivační vrstva izolační podložka
kontaktní vrstva b)
© Omega
Platinový odporový teploměr - čistota platiny se určuje podle redukovaného odporu
-standard hodnota Pt: 0oC R= 100 Ω -další 200, 500, 1000, 2000 Ω
B
4 tří da
-2 toleranční třídy: A rozsah –200/650 oC B rozsah –200/850 oC
tolerance Pt standard měřících odporů dle IEC
3
Pt
R 100 ≥ 1,385 Ro
tolerance [°C]
W 100 =
2 Pt
aA d í tř
1
-200
0
200 400 600
ϑ[°C]
teplotní závislost:
R ϑ = R 0 [1 + Aϑ + Bϑ 2 + Cϑ 3 ( ϑ − 100 )] podle IEC (mezinár. doporučení): 1,385
1,45.10
α.100°C
-3
~ 0.145 K
0
50
100
ϑ[°C]
W100 = 1,385 R0 = 100 Ω A = 3,90802.10-3 K-1 B = -5,802. 10-7 K-2 pro ϑ < 0 oC C = -4,27350.10-12 K-4 ϑ > 0 oC C = 0
Niklový odporový teploměr ☺ vysoká citlivost, rychlá časová odezva, malé rozměry omezený teplotní rozsah, větší
∆ϑ[°C]
pro –60..180 oC platí: R ϑ = R 0 [1 + Aϑ + Bϑ 2 + Cϑ 2 ( ϑ − 100 )]
+1 ϑ[°C]
A = 5,49.10-3 K-1 B = 6,80. 10-6 K-2 pro ϑ > 0 oC C = 9,24.10-9 K-3 ϑ < 0 oC C = 0 Ni 100, 1000, 10000
Měděný měřící odpor -měď se u žívá pro teploty od –200 do +200 oC
malá rezistivita, snadná oxidace Cu -pro –50 do +200 oC platí vztah:
R = R0 (1 + αT )
- užití např. přímé měření teploty vinutí elektromotoru
α = 4 ,26.10 −3 K −1
2.2 Polovodičové odporové senzory teploty NTC α<0
termistory dělení
PTC (posistory) α>0 monokrystalické odp. senzory
2.2.1 termistory:
teplotní závislost
NTC (−80°C až +200°C)
R=AeB/T
PTC
3 Ni (−60°C až +200°C)
2
Pt(-200°C až +1000°C) 1 Rmin
-100
-50
0
50 ϑj
100
ϑ [°C]
NTC termistory α<0 -výroba práškovou technologií ze směsi oxidů kovů -extrémní rozsahy - vhodné od 4,2K do 1000 oC
R=AeB/T R1 = Rr e
⎛ 1 1 B ⎜⎜ − ⎝ T1 Tr
1 dR B α= =− 2 R dT T
⎞ ⎟⎟ ⎠
R1 - odpor termistoru při T1 Rr - odpor termistoru při Tr= 289,15K tj. 25oC B[K] - teplotní „konst.“ (ve skuteč. závislá na T R1, R2) A[Ω] – konstanta tvaru a materiálu
α ≈ −2%
pro vysoké ϑ
α ≈ −8%
pro nízké ϑ
Stein + Hart
chyba 0,1K (0-100)oC
1 = a + b ln R + c(ln R ) 3 T
PTC termistory (pozistory) α>0 - vyrábějí se z polykrystalické feroelektrické keramiky např. (BaTiO3) - odpor se stoupající T mírně klesá – pak nad Curiovou teplotou je prudký nárůst rezistivity materiálu v závislosti na T -užití: jako dvoustavové senzory – signalizace překročení max. přípustné T
Polovodičové monokrystalické senzory teploty Si3N4 kontakt Al
∅d
N+
N+
β - geometrický faktor D – průměr kontaktku ρ - rezistivita
H
SiO2
ρ R= βd
Siemens KTY 81-87
zpětný kontakt
-55…+150 oC +300 oC
∅D
charakteristika Si senzoru
R[kΩ]
R = Rr + k (ϑ − ϑr ) 2
4 3,5
ϑr = −241 C 0
3
α = 1%/K
R(25 0 C) = typ. 2 kΩ
2,5 2 1,5 1
-50
0
25 50
100
dva prvky v sérii - R nezávisí na polaritě ϑ[°C]
Měřící obvody - vlastní oteplení = vliv měřícího proudu chyba:
RI 2 ∆ϑ = D
D – zatěžovací konstanta (tepelný odpor)
Pt 100: pro ∆ϑ = 0.1oC → Idov=1mA termistory [I] = µA voltampérová charakteristika: pozistor
∅ 0,1
∅12
perličkový negastor 4
I[mA] IK
U[V] 10
10
0
IR
10
-1
10
-2
-1
10
10
0
I[mA]
UK
UB
Umax
U[V]
• vliv odporů přívodů dvouvodičové můstkové připojení odp. senzoru
Ust R1
RCu Rϑ
RCu
R2 A
Rj R3
RV = 2 RCu + R j
RCu = RCuo (1 + α Cu ϑ p ) δ = 2 ∆RCu ∆R ϑ
Uv
čtyřvodičový měřící obvod se zdrojem proudu IST a pomocným zdrojem napětí U (RV=Rcu) Rv + Ist
Rv
+ Rϑ −
Rv Rv
−
−
U
iv
+ uv Rvst→∞
0 - 20mA (4mA-20mA)
třívodičové zapojení odporového senzoru teploty v aktivním můstku
RV1 Rϑ
+ UZ
RV2 R1
UA
UR2
−
Ust
R3 R2
RV3
I=
U ST R3
U A = U ST + IRV U Z = U ST + 2 IRV + IRϑ ⇒
A Ri→∞
UV
IR U UZ − U A = ϑ − ST 2 2 2
• linearizace odporových teplotních snímačů linearizační převodník s Pt senzorem teploty RS
− i
+ Ust
U
1
+
2
Uv
Rϑ
Ust
a)
charakteristika senzoru
RS
Rϑ b)
R
0
linearizace skutečný průběh
ϑ
ϑ
Uv
• linearizace termistorů
číslicová analogová
podmínka: stabilita charakteristiky
paralelní linearizační zapojení chyba linearity DJ [°C]
1,5 inflexní bod Ist
Si-senzor
1,0 negastor
RP
0,5
Rϑ
0
a)
Ji 0
b)
50
100 J[°C]
seriové zapojení: Rϑ I RS
NTC termistor
a)
5 4 3 2 +1 0 -1 -2 -3 -4 -5 0
negastor
Si-senzor
c)
50
100 J[°C]
sérioparalelní zapojení NTC termistorů:
Rϑ
Rϑ
R2
Rϑ Rϑ
RP R2
RS
a)
R1
b)
R2
R3
Rϑ
Rϑ c)
Rϑ
2.3 Monokrystalické PN senzory teploty Schockleyova rce:
I D = I S (e
UD mUT
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
− 1)
⇓ ⎞ ⎛ ID ⎜ U D = mU T ln⎜ + 1 ⎟⎟ ⎠ ⎝ IS
teplotní závislost napětí 1,5
T2>T1
ID[mA] 1
∆U
0,5
0 0,4
0,5
0,6
0,7
UD[V]
tranzistorová dioda
IC
UBE
IC
UBE
m=1
⎛ ID ⎞ U D = mU T ln⎜⎜ + 1⎟⎟ ⎝ IS ⎠ pro Io>> IS
⎛ ∂U d ⎞ ⎜ ⎟ = −2... − 2.3mV / K ⎝ ∂T ⎠ I D
0.1mA…-2.3 1mA…-2.0
integrovaný PN senzor
U BE 2 UT
I 2 Se 2e = U BE 1 I1 S e 1e U T
I T4
T3
I2 I1 T1
T2 UBE2
∆UBE
UBE1 R IE2
IE1 I
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 Ω předp. β = ∞ AD 590: 1 µA/K LM 35Z: 10 mV/K nelinearita cca ± 0.1%
AD 630
aktivní můstek s tranzistorovou diodou: RV
R1 UBE
RV
R1 Ust
− +
R2
A
UV
A.UV
měřící řetězec s integrovaným PN senzorem teploty: I
+Ust
senzor I
ϑ 1µA/K I
Uref 1K
1mV/K
+ -
A=10 UV
teplotní senzor s pulsním výstupem (PWM):
+Ust
ϑ
Rj
2.4 Termoelektrické senzory teploty TA
σ1
U B , A = ∫ σ (T ) dT
B
TB
A TA σ2
C TB
TA
U B ,C = ∫ σ 1 (T ) dT + ∫ σ 2 (T ) dT = TA
U = α12 (ϑ M − ϑS ) σ- Seebeckův koeficient σ1- σ2= α12
TC
TB
TA
U B ,C = U B , A + U A,C = ∫ σ 1 (T ) dT + ∫ σ 2 (T ) dT
TB
TB
TA
TA
TA
∫ [σ (T ) − σ (T )]dT = ∫ σ (T )dT 1
TB
2
12
TB
2.4 Termoelektrické senzory teploty U[mV]
statické charakt. některých typů termoel. senzorů:
60
E
K
50 40
Fe-ko
N J °C 0 2 23 C
30
R S B
20 10 0
T
500
1000
1500
U = α1 (ϑm − ϑS ) − α 2 (ϑm − ϑS ) = (α1 − α 2 )(ϑm − ϑS ) α- Seebeckův koeficient α1-α2= α12
2000 ϑ[°C]
konstrukční uspořádání termočlánků ∅ 0,1− 6 izolační keramická hmota
termočlánkové dráty
vnitřní trubka
a)
termoelektrický článek
b)
- pro kovy α12 = 10 – 50 µV/K - pro polovodiče α12 > 100 µV/K
plášť
měřící řetězec s termočlánkem: srovnávací spoje
+ měřicí spoj ϑM
Cu
ϑS větve −
ϑS
U Cu
termoel.
prodlužovací
spojovací
článek
vedení
vedení
vliv kolísání srovnávací teploty: U[mV]
U ϑ M − ϑ M ´'
ϑM
αS ' (ϑS − ϑS ) =ϑ + αM
∆U
∆U
UM
αM =
ϑS
ϑM ϑ[°C]
' S
' UM = UM + α S (ϑ'S − ϑ S )
zapojení kompenzační krabice:
R1
−
ϑM Ut
a
b
Uz
+
U
R2
RCu
R4
ϑS napětí na diagonále:
dU ab dRCu R1 = −U Z dϑ S ( R1 + RCu ) 2 dϑ
Uz
1mA
- diodový kompenzační obvod: UD
dU V dU D R2 = dϑ dϑ R1 + R2
R1 R2
Uv
− 2 mV / K
- blokové uspořádání integrovaného obvodu XTR101: Iref Iref R1 UD R2 ϑM
−
Uln
U
+ ln
−
XTR101
Ust
+ I0
Ut R3 +
UR3
R CM
teplota ϑs
RL
+ −
izotermická svorkovnice: ϑS ϑM
Měřicí blok ST
s multiplexerem
A D
µP
2.5 Krystalový senzor teploty
ϑ 1
2
5 4
3
1 – křemenný senzor (krystal křemene) 2 – oscilátor řízený krystalem 3 - oscilátor řízený krystalem v termostatu 4 – směšovač 5 – nízkofrekvenční filtr 6 – čítač s displayem
6
2.6 Kontaktní neelektrické teploměry
tempearture indicating lacquers
Reversible Temperature Indicating Labels (liquid crystal)
© Omega
