Snımace teploty
VOS a SPS Kutna Hora
Zakladnı pojmy Definice teploty: č Fyzikalnıvelic ina vyjadrujı cımı ru tepelne ho stavu tů lesa Teplotnıstupnice č Termodynamicka (Kelvinova) č stupnice je urc ena dvema pevnymi body: absolutnı nula (ustava termickypohyb elementarnıch c astic)0K trojnybod vody (rovnovaz nystav mezi skupenstvımi) 273,16K
č zakladnı jednotkou je Kelvin [K] - 273,16-ta c ast termodynamickř teploty trojnř ho bodu vody
č Mezinarodnıteplotnıstupnice ITS-90 (International Temperatur Scale) č vznik v roce 1927 (Celsiova), postupne upravovana (naposledy 1990) č definovana 17 pevnymi body (trojnř body, body tanı, tuhnutı)
č Vzajemna souvislost teplotnı ch stupnic
T = ϑ + 273,15
[K], [°C]
Rozde lenı snımacu teploty Snı mac e pro dotykove mů renı č elektrickř č č č č
odporovř kovovř odporovř polovodic ovř termoelektrickř polovodic ovř s PN prechodem (diodovř , tranzistorovř )
č dilatac nı č tlakovř č specialnı
Snı mac e pro bezdotykove mů renı č monochromatickř pyrometry č pasmovř pyrometry č radiac nı pyrometry
Odporový kovový snımace Princip č
zmů na elektricke ho odporu kovu v zavislosti na teplotů
∆R = R 0 ⋅ α ⋅ ∆ϑ
č
[Ω], [Ω], [K −1 ], [K ]
∆R zmena elektrickř ho odporu α teplotnı koeficient odporu (αPt = 0,0039, αNi = 0,0062, αCu = 0,00426 ∆ϑ zmena teploty odpor pri teplotů ϑ
R ϑ = R 0 (1 + α ⋅ ∆ϑ)
vztah ma platnost jen v malř m rozsahu teplot pro presna merenı a vetsı rozsahy platı:
[
]
R ϑ = R 0 1 + α ⋅ ∆ϑ + β ⋅ ∆ϑ2 + γ ⋅ ∆ϑ3 ⋅ (ϑ − 100 )
Zakladnı vlastnosti Zakladnıparametry č R0 - zakladnı odpor - hodnota R c idla pri teplote 0 ° C, tj. v bodu tanı ledu č R100 - hodnota R c idla pri teplote 100° C, tj. v bodu varu vody č Rϑ - hodnota R c idla pri teplote ϑ° C č W100 - pomer odporu pri 100 a 0°C W100 = R100 / R0 č α - teplotnı souc initel odporu odporovř ho materialu c idla α = (R100 - R0 )/ 100 R0
Material c idla č platina č nikl č me…
Vlastnosti c idel Material Zakladnı Pomů r odpor odporu C idla R 0 [ Ω ] W 100
Mů ricırozsah
Pt
100
1,3850
-200 az 850
Ni
100
1,6180
-60 az 180 (250)
Cu
100
1,4260
-200 az 200
[ ° C]
Provedenı odporovy ch cidel C idla vinuta č č
spiralove stoc enyodporovydratek ∅ 0,01 az 0,05mm vinutı je č č č
uloz eno v kapilarach valcovych keramickych nosnych telısek navinuto na povrchu telısek a preskleno keramickym smaltem vyrabı se s odporem R0 = 100 a 500Ω
C idla vrstvova
č
č
č
vinutı nahrazeno odporovou vrstvou z Pt, Ni nanesenou na nosnř destic ce (substratu) z korundovř keramiky tlustovrstva technologie č č č č
nanasenı Pt vrstvy ve forme pasty na substrat sıtotiskem tepelna stabilizace vrstvy laserovř nastavenı poz adovanř hodnoty R0 rozrezanı na jednotliva c idla a pripevnenı vyvodu
tenkovrstva technologie č č č
Pt vrstva se nanası naprasovanım nebo naparovanım ve vakuu sirokysortiment hodnot R0 = 100/200/500/1000/2000,...Ω vyrabı se takř pro technologii SMT
Presnost kovovy ch snımacu teploty Trı dy tolerance kovovř odporovř snımac e se vyrabejı ve dvou trıdach: č trıda A (u Pt pro rozsah -200 az 650 °C) č trıda B (u Pt pro rozsah -200 az 800 °C) č toleranc nı pole se obvykle udava grafem
Teplotnızavislost odporu č č č
matematickyvyraz tabulka grafickř vyjadrenı
1
Polovodicový odporový snımace Princip Zmena odporu je zpusobena teplotnı zavislostı koncentrace nosic u naboje
Rozdů lenı č
č
termistory č negastory (termistor NTC - Negative Temperatur Coefficient) č posistory (termistor PTC - Positive Temperatur Coefficient) monokrystalickř Si snımac e
Porovnanıcharakteristik
Negastory č č č č
zapornyteplotnı koeficient vyroba praskovou technologiı ze smesi oxidu kovu (Fe2O3+TiO2, MnO+CoO „ ..), prıpadne karbidu (SiC) teplotnı rozsah : -50 az 200 °C, specialnı typy -250 az 1000 °C zavislost odporu na teplote je exponencialnı
R1 = R 0
1 1 B⋅ − T T ⋅e 1 0
R1 R0 B[K]
Teplotnı koeficient odporu α:
α=
∆R B =− 2 R 0 ⋅ ∆T T
odpor termistoru pri teplote T1 odpor termistoru pri referenc nı teplote T0 (obvykle 298,15 K, tj. 25 °C) rozsah 1Ω - 1MΩ teplotnı “konstantaú ; 1500K
Vlastnosti a pouzitı negastoru č teplotnıkoeficient zaporny a o rad vyssınez u kovu č α = -0,03 az -0,06 K-1
č vhodne pro mů renımalych zmů n teploty č male rozmů ry (perlic kovy termistor) č bodovř merenı č mala c asova konstanta
č č č č
nelinearnızavislost odporu na teplotů mensıc asova stalost poskozenıpri prehratı pouzitıpro me nů naroc ne aplikace č napr. dvoustavova regulace
Pozistory č kladny teplotnısouc initel odporu č odpor zpoc atku mırne klesa č od referenc nı (spınacı) teploty ϑJ prudce (o 3 rady) narusta [obr] č pro vysokř teploty opet klesa
č č
vyrabıse z polykrystalicke feroelektricke keramiky (BaTiO3) zavislost odporu na teplotů (v oblasti naru stu R)
R = R J ⋅ e A⋅ϑ
RJ A ϑ ϑJ
odpor pri referenc nı teplote ϑJ materialova konstanta (0,16K-1) teplota referenc nı teplota (dle chem. sloz enı 60 az 180°C)
č pouzitı č merenı v ° zkř m rozsahu teplot č dvoustavovř snımac e (signalizace prekroc enı prıpustnř teploty)
Polovodicový monokrystalický snımace Princip č kuzelovy rozptyl nosic u proudu č rozptyl nosic u je ° mernyjejich pohyblivosti č pohyblivost nosic u je ° merna teplote
Struktura snı mac e
Nahradnısche ma
R1
R2
č material - nevlastnı polovodic N (Si) č dva sř riove razenř kontakty kov-polovodic - nezavislost na smeru proudu č zpetnykontakt na spodnı strane spojuje vnitrnı odpory R1 a R2
Teplotnı zavislost odporu Zavislost odporu na rozmů rech snı mac e za predpokladu, z e: d<
ρ R= d
d prumer kontaktu ρ mernyodpor
Odpor nezavisına vnů jsı ch rozmů rech snı mac e
Zavislost odporu na teplotů pribliz ne platı:
R = R0 + k(ϑ - ϑ0)2 č č č č
teplotnırozsah: -50 az 150 ΔC jmenovite hodnoty R25 1; 2 kΩ α (radovů ) 10-2 K-1 prı klad KTY10
Me ricı obvody odporovy ch snımacu Pozadavky kladene na vyhodnocovacıobvody č minimalizace vlivu proudu snımac em č minimalizace vlivu odporu prıvodu k senzoru č analogova nebo c ıslicova linearizace
č Vliv mů ricı ho proudu č pruchodem proudu dochazı k oteplenı senzoru č chybu lze vyjadrit vztahem:
R ⋅ I2 ∆ϑ = D
D [W.K-1]
č maximalnı mericı proud
Idov =
∆ϑ ⋅ D R
∆ϑ R
zatez ovacı konstanta - prıkon potrebnyk ohratı senzoru o 1K
maximalnı dovolena chyba maximalnı odpor senzoru v danř m rozsahu
č u senzoru Pt100 s max. povolenou chybou 0,1ΔC - Idov < 1mA č u termistoru (R radove kΩ - Idov radove mikroampř ry
Mu stkový metody me renı č Dvouvodic ove pripojenıc idla Rϑ RCu RJ
č č č č
vliv odporu prıvodu je kompenzovan justac nım odporem justac nı odpor slouz ı k presnř mu doladenı rozsahu merenı odpory prıvodu Rcu zavisı zpravidla na teplote - chyba merenı kompenzace vlivu teploty na prıvodnı vodic e- 3 nebo 4 vodic ovř zapojenı
c idlo odpor prıvodu justac nı odpor
Aktivnı mu stky č Mu stek zapojeny v sı ti OZ č prıklad zapojenı
č zvolıme-li R1=R2=R, R3=R, R3=RϑZ č vyjadrıme-li Rϑ= RϑZ +∆Rϑ č pak platı:
ťR ϑ U V = A ⋅ U st ⋅ 2 ⋅ R ϑZ
C tyrvodicový zapojenı s proud. zdrojem č eliminace vlivu odporu prı vodnı ch vodic u č zesilovac s velkym Ri č eliminace napů tına poc atku rozsahu U = Ist.RϑZ UV=A.(Ist.Rϑ - U) = A. Ist. ∆Rϑ
Provedenı odporovy ch kovovy ch snımacu č
Provedenıjı mkove , prostorove
č
Mů ricıvlozky odporovych snı mac u teploty č snımac e jsou vybaveny vymennymi mericımi vloz kami č vloz ky obsahujı jedno, dve, vyjimec ne i tri c idla č prıruba a keramicka svorkovnice č dvouvodic ovyprevodnık do hlavice snımac e teploty
č
Mů ricıvlozky se obvykle vyrabů jıve variantach: č konstrukce s (neohebnym) stonkem č vnitrnı vedenı je zasunutř v keramickř c tyrkapilare č c idlo je volne uloz eno v kovovř stonkovř trubce
č mericı vloz ka se zvysenou mechanickou odolnostı č odolnejsı c idlo č volnyprostor uvnitr stonkovych trubek vyplnen keramickym praskem
č mericı vloz ka s vysokou mechanickou odolnostı č odolnř c idlo s ohebnym stonkem č stonek zhotoven ze zvlasα odolnř ho plasαovř ho kabelu
Monokrystalický PN snımace teploty č Princip č teplotnı zavislost napetı PN prechodu v propustnř m smeru č lze odvodit, z e zmena napetı ∆UD/ ∆T = -(2,0 az 2,5) mV/K č teplotnı zavislost PN diody:
č Material č kremık č galiumarsenid
Tranzistorový PN senzory č princip č teplotnı zavislost prechodu BE v propustnř m smeru
č vyhodnocovacıobvod č ze schř matu lze odvodit vztah: UV = −UBE − Ust
2R V R1
Termoelektrický snımace teploty č Princip č vznik termoelektrickř ho napetı (Seebeckuv jev) č material kovy (ruznř ), polovodic e č vypoc et napetı pro malyrozdıl teplot:
U=∝12 (ϑm - ϑs) [mV, mV/K, K]
∝12 termoelektrickykoeficient č Kovy č Polovodic e
radove 101 µV/K vıce nez 100 µV/K
č Material termoc lanku č č č č
pary materialu jsou ve svete normalizovany termoc lanky se znac ı dle IEC velkymi pısmeny statickř charakteristiky vybranych termoc lanku prıklad konstrukc nıho usporadanı
Kompenzace teploty srovnavacıho konce Druhy kompenzacı č kompenzac nıvedenı č kompenzac nıkrabice č kompenzace termostatem č izotermicka svorkovnice Kompenzac nıvedenı č prodlouz enı termoc lanku č umıstenı srovnavacıho konce do prostredı s malymi zmenami teploty č prodluz ovacı vedenı ze stejnř ho materialu jako termoc lanek č pouz itı na mensı vzdalenosti
Kompenzacnı krabice č do sř rie s termoc lankem umısten odporovymustek č v jednř vetvi mustku je teplotne zavislyodpor (Cu) č vystupnı napetı mustku se superponuje k napetı termoc lanku
Izotermicka svorkovnice č ve svorkovnici je umısten teplotne zavislyodpor č teplotnı kompenzace je resena softwarove č pouz ıva se u c ıslicovych mericıch a rıdicıch systř mu
Dilatacnı snımace teploty č Princip č zmena dř lky nebo objemu latky v reakci na merenou teplotu
č Rozdů lenı č kovovř č tyc ovř č bimetalovř
č kapalinovř
Kovový snımace teploty Tyc ovy teplomů r Princip Dř lkova roztaz nost kovovř tyc inky (trubic ky): l ϑ = l 0 ⋅ [1 + – (ϑ − ϑ0 )]
lϑ l0 α
dř lka pri merenř teplote dř lka pri vztaz nř teplote souc initel dř lkovř roztaz nosti
Provedenı : trubice - velkysouc initel ∝ (mosaz) tyc - malř ∝ (invar, kremen) Vlastnosti mala citlivost (prevody) merı prumernou teplotu (po celř dř lce) Pouzitı jednoduchř obvody dvoupoloh. regulace
Kovový snımace teploty Bimetalovy teplomů r Princip č nestejna teplotnı roztaz nost dvou ruznych kovu č je tvoren dvema pasky po celř dř lce spojenymi (naplatovanı, svarenı) č vychylka volnř ho konce zavisı na teplote:
l2 y = k ⋅ ⋅ň ϑ a
Vlastnosti č č č
k l a
citlivost c idla je dana jeho dř lkou a tlousαkou c asto se stac ı do spiraly nebo do sroubovice pouz itı cca do 400 °C
souc initel prohnutı bimetalu [K-1] dř lka [mm] tlousαka [mm]
Kapalinový snımace teploty č Princip č teplotnı zavislost objemovř roztaz nosti kapalin
Vϑ = V0 ⋅ [1 + β(ϑ − ϑ0 )]
Vϑ V0 β
objem pri merenř teplote objem pri vztaz nř teplote souc initel objemovř roztaz nosti
č Provedenı č jımka s mernou kapalinou č rtuα č etylalkohol č pentan
(-38 az 365 °C) (-100 az 60 °C) (-190 az 15 °C)
č cejchovana kapilara č kontakty pro automatickř vyhodnocenı teploty
elektrody
Tlakový snımace teploty č Princip č teplotnı zavislost zmeny tlaku mernř latky v uzavrenř m prostoru
č Slozenısnı mac e 1 stonek
č nadobka s mernou latkou
2 kapilara
č tenka trubic ka spojujıcı stonek s vyhodnocovacım zarızenım
3 tlakomernyc len
č membrana, vlnovec, Bourdonova trubice
Tlakový snımace teploty č Napln stonku č kapalinove snı mac e č glycerın (-20 az 290 °C), xylen (-40 az 400 °C), metylalkohol (-20 az 290 °C) č kompenzace teploty kapilary
bimetal do vyhodnocovacıho zarızenı kompenzac nı kapilara č plynove snı mac e č N2, H2, CO2 č nevyz adujı teplotnı kompenzaci
č parotlac ne snı mac e č č č č
c ast stonku je vyplnena tekavou latkou merı se tlak par metylchlorid (-18 az 75 °C), etylř ter (35 az 190 °C), toluen (120 az 300 °C) velka citlivost a presnost
Bezdotykový me renı teploty č Princip č vyhodnocenı tepelnř ho zarenı vysılanř ho merenym predmetem č zavislost intenzity zarenı H0 c ernř ho telesa na teplote č zavislost lze popsat matematicky
č Rozdů lenıpyrometru podle rozsahu vlnovych de lek č monochromatickř č pasmovř č radiac nı (celř spektrum) podle zpu sobu detekce č subjektivnı (lidskř oko) č objektivnı (detektory zarenı) č selektivni (Si fotoc lanek) č neselektivnı (termoc lanek)
Monochromatický pyrometry
č Jasove pyrometry č vyuz ıvajı monochromatickř zarenı ve viditelnř oblasti λ = 0,65µm č pyrometr je vybaven č č č č
srovnavacım zdrojem zarenı (pyrometricka z arovka) vnitrnı optikou c ervenym filtrem obvody pro modulaci jasu prijımanř ho nebo srovnavacıho zarenı
č jas merenř ho objektu se lidskym okem pres filtr porovnava s jasem srovnavacıho zdroje
Provedenı jasovy ch pyrometru č
Pyrometry s mizejı cı m vlaknem č menı se jas pyrometrickř z arovky č je-li jas telesa a jas z arovky stejny vlakno nenı videt č mA - metr je ocejchovan ve °C č rozsah omezen teplotou wolframovř ho vlakna (700 az 1500 °C) č zvetsenı rozsahu - sedyfiltr (3500 °C)
č
Pyrometry s sedym klı nem č č č č
srovnavacı zdroj ma konstantnı jas klınovysedyfiltr menı jas telesa mericı rozsah (700 az 3500 °C) podstatne delsı z ivotnost srovnavacıho zdroje
Korekce name rený teploty č Namů renym dajem je jasova teplota c erne ho tů lesa č ve skutec nosti nenı z adnyobjekt c ernym telesem!! č spektralnıemisivita: pomer mezi zarenım c ernř ho telesa a skutec nř ho telesa č spektralnı emisivita vybranych materialu
Hλ ελ = H 0λ č podle spektralnı emisivity je treba namerenou teplotu korigovat č z korekc nıho grafu odec teme hodnotu ∆t, kterou je treba k ° daji pyrometru pric ıst
Tolerancnı trıdy odporovy ch teplome ru
Struktura a teplotnı zavislost termistoru SiC
Vyroba č vysokofrekvenc nı naparovanı na substrat Al2O3
Konstanta B č dle teploty rozsah 1600 K az 3400 K
Zakladnıhodnota R (pri 25 ΔC) č 10 kΩ az 1 M Ω
Dvojvodicový prevodnıky pro Pt100
Jımkový odporový teplome ry
Prostorový odporový teplome ry
Statický charakteristiky termoclanku
Konstrukcnı usporadanı termoclanku
Korekcnı graf pro jasovy pyrometr
