Szenzorok 5. előadás
Hőmérsékletmérés
A hőmérséklet fizikai nagyság, mely a test felmelegedésének fokát képviseli. A hőmérséklet az atomok és molekulák hőmozgásával illetve a test termodinamikus állapotával és belső energiájával kapcsolatos. Hőmérsékleti skálák. Az első hőmérsékleti skálák (Fahrenheit, Roammer, Celsius) a T hőmérséklet és a folyadék V térfogata mint termometrikus tulajdonságok alapján lettek definiálva, mely általános esetben a következő közelítő összefüggéssel adott:
T a bV
ahol a és b állandók.
Termodinamikus hőmérsékleti skála
A hőmérséklet skála mivel lineáris definiálható két definíciós hőmérséklettel. Régebben ezek a víz olvadás és forráspontja voltak, melyekhez a 0 C és a 100 C hőmérsékletek lettek társítva, illetve a 273,15 K és a 373,15 K. A termodinamikus hőmérséklet egysége a kelvin amit K-val jelölünk a víz hármas pontjának 273,16-od része. Elméletileg a legalacsonyabb hőmérséklet 0 K, az úgynevezett abszolút nulla.
A Celsius fok definicó szerint megegyezik a kelvinnel. A Celsius és a termodinamikus hőmérséklet között a következő kapcsolat áll fenn:
t T 273,15C A hőmérsékletkülönbségek kifejezhetők mind kelvinben mind Celsius fokban.
Egy test hőmérsékletének megismerése lehet kvalitatív - minőségi (megfigyelés) vagy kvantitativ - mennyiségi (mérés)
A hőmérő berendezések az anyag fizikai tulajdonságai és a hőmérséklet közötti kapcsolat alapján a következőképp csoportosíthatók: Expanziós hőmérők, Ellenállásos hőmérők, Termoelektromos érzékelők (termoelemek, dióda és tranzisztor mint hőmérsékletérzékelők) Hősugárzásérzékelők.
A felsoroltak mellett léteznek más eljárások is, és a jövőben még újabbak fognak megjelenni.
Hőmérséklet mérés testek érintkezésével Hőmérővel történő hőmérsékletmérés a két különböző hőmérsékletű test kölcsönhatásával jön létre, miáltal hőmérsékleteik kiegyenlítődnek. A hőmérőn történő változások alapján, melyeket összehasonlítunk a kalibrációs nagyságokkal, megkapjuk a mérés eredményét.
Érintkezés nélküli hőmérséklet mérés Minden test az abszolút nullánál nagyobb hőmérsékleten energiát sugároz ki. Ennek a sugárzásnak a mérése lehetővé teszi a hőmérséklet érintkezés nélküli mérését. Ez a sugárzás függ a kisugárzó anyag tulajdonságaitól, és a környezeti hatásoktól. A környezeti hatásokat nehéz kiküszöbölni, de a gyakorlatban így is elfogadható eredményeket kapunk.
Expanziós hőmérsékletérzékelők Az expanziós hőmérsékletérzékelők olyan hőmérők melynek munkaközege melegedésre tágul, hűtésre viszont összehúzódik, hőmérsékletváltozásra lineárisan változtatja méreteit. Amennyiben a munkamédium állandó űrtartalmú edényben van, a méretváltozás helyett nyomásváltozás jön létre.
Hosszváltozás hőmérsékletváltozás hatására. Legyen l0 a test hossza T0 hőmérsékleten. Ekkor hosszváltozás a hőmérsékletváltozás hatására a következő:
l l 0 T T0 ' T T0 " T T0
ahol:
2
, , , ... - koeficiensek.
3
Ezt a polinomot a hétköznapi gyakorlatban lineáris funkcióval közelítjük: ahol:
l l0 T T0
-a lineáris hőtágulás tényezője.
A fenti képlethez hasonlóan leírható a térfogatváltozás is
V V0 T T0 ' T T0 " T T0 ahol:
2
3
, , , ... - a hőtágulás tényezői..
Folyadék esetén csak térfogat szerinti hőtágulásról beszélhetünk. A polinom magasabb (felsőbb) tagjainak elhanyagolása jelentős hibát okozhat.
Folyadékos expanziós érzkelők. A folyadék hőtágulásának elvén működnek. Tipikus expanziós érzékelő a higanyos hőmérő. A méréstartomány alsó határát a higany fagyáspontja (-38.8 C), a felső határát pedig a higany forráspontja (357 C) határozza meg. A higany mellett használható még toluol, etilalkohol, pentán, ... A méréstartomány így kisebb, de az alsó határ lényegesen alacsonyabb, például pentán esetén 200 C.
Folyadékos expanziós érzkelőknél rendszeres hibák jelentkeznek: a nulla driftje, ami az üveg termikus tulajdonságai és öregedése miatt jelentkezik, az érzékelő nem tesljes merülése miatt a mért közegben, mivel a nemelmerült rész környezeti hatásoknak van kitéve, az üvegkapilláris keresztmetszetének egyenlőtlensége miatt.
A dilatációs hőmérő a szilárd test hőmérséklet hatására történő dimenzió növekedése elvén működik. Egy adott intervallumban a hosszúság közelítőleg lineárisan változik a hőmérséklet függvényében. A dilatációs hőérzékelőket a termosztát, (kétállású, relé tipusú) hőmérsékletszabályzók építésénél alkalmazzuk.
Bimetálos (ikerfémes) hőmérők. Két különböző, összeillesztett fémből, szallag, spirál vagy helikoid alakúra gyártják. A különböző hőtágulási tényezők miatt a bimetál melegítéskor a kisebb hőtágulási tényezőjű fém felé görbül. A bimetál szalagok alkalmazása igen elterjedt a termosztátok gyártásánál.
Ellenállás-hőmérők Fém, ellenállás-hőmérők. A fém ellenállás-hőmérőket tekercs alakúra gyártják, rendszerint bifilláris tekercseléssel. A huzal átmérője 0,05 -0,1 mm.
Platina huzalból készült ellenállás-hőmérő. A platina a legmegfelelőbb anyag ellenállásos hőmérő készítésére, mert 99,999% tisztaságú fém állítható elő, kémiailag semleges és elég nagy az ellenállás, lineáris a hőmérsékletállandója. A platinaellenállás hőmérsékletmérésre -200 C-tól 630 C-ig (maximum 1060 C-ig) alkalmazható. Az ellenállás-hőmérő passzív érzékelő, ahhoz hogy feszültségesés legyen mérhető, áram kell hogy folyjon rajta. Az átfolyó áram miatt Jaule féle hő keletkezik RI2 mely szintén melegíti az ellenállás-hőmérőt. Ez a hiányosság mint 0,2 - 0,5 C rendszeres hiba jelenik meg RI2 = 10 mW terhelésnél. (Nikkel huzalból készült ellenállás-hőmérő.) (Réz huzalból készült ellenállás-hőmérő.)
Az ellenállás T = 0 C-on szabványosított, és 10 -tól 25 k értékű lehet. Leginkább 100 , innen az elnevezések platina 100 (Pt 100), nikkel 100, (Ni 100) réz 100 (Cu 100).
Félvezető ellenállás-hőmérők A termisztorok hőmérsékletre érzékeny félvezető ellenállások, anyagukat tekintve nehézfém oxidokból készült kerámiák. Ellenállásuk hőmérsékleti tényezője általában nagyobb mint a fémeké, és kimondottan nemlineáris. A -50 C-tól 100 C-ig terjedő tartományban a következő egyenlettel írható le:
RT R0e ahol: T R0 B
1 1 B T T0
-abszolút hőmérséklet K -a termisztor ellenállása 20 C-on (293 K) -koeficiens 2000-4000 K
R0 és B pontos értékei meghatározhatók a termisztor kivizsgálásával két ismert hőmérsékleten megoldva a két megfelelő egyenletet.
A termisztorok fajtái.
A fém ellennállásokkal ellentétben a termisztorok többségénél a hőmérséklet emelkedésével csökken az ellenállás. Ezeket a termisztorokat NTC, azaz negatív hőmérsékleti együtthatójú ellenállásoknak hívjuk (Negative Temperature Coefficient). A termisztor hőmérsékleti együtthatója azonban lehet pozitiv is. Azokat a termisztorokat PTC, azaz pozitív hőmérsékleti együtthatójú ellenállásoknak hívjuk (Positive Temperature Coefficient).
A termisztorok jó tulajdonságai:
magas érzékenység a hőmérsékletváltozásokra, kis méretek, gyors reakció (válasz), nagy névleges ellenállás 20 C-on, érzéktelenség a csatlakozóvezetők ellenállására, az öregedés folyamán nő a stabilitásuk és alacsony ár.
A termisztorok rossz tulajdonságai: kifejezetten nemlineáris karakterisztika, a paraméterek nagy szórása, problematikus a termisztort kicserélni másikra, kis hőintervallum, nem stabilak magassabb hőmérsékleten, melegedés a nagy ellenállás és kis méretek miatt, ezért a termisztorok kisebb árammal dolgoznak mint a fém ellenálláshőmérők.
Lineáris termisztorok. Különleges konstrukciójú termisztorok, melyek kitűnnek azzal hogy ellenállásuk lineárisan változik a hőmérséklet függvényében. A linearizálás elvét felhasználva készülnek más adalék elemekkel.
Dióda és tranzisztor mint hőmérő A dióda és tranzisztor direkt polarizált p-n átmenetének feszültségesése lineárisan változik széles hőmérséklet intervallumban kb. -2,2 mV/C érzékenységgel.
Termoelemek Bevezetés. A termoelemek elsődleges feladata a magas 500 - 1000 C hőmérsékletek mérése volt. Ma is ezen a területenn a legnagyobb a jelentőségük, de alkalmazásuk sikeresen kiterjedt a rendkívül alacsony hőmérsékletek-, 1K-ig, valamin magas egészen hőmérsékletek 4000 C-ig mérésére is.
Termoelem (termopár) a szokványos elnevezése azoknak a mérőeszközöknek amelyek két különböző anyagú, egyik végükön összeforrasztott (összehegesztett esetleg csak erősen összecsavart) huzalból állnak.
A termoelektromos körök alkalmazásához és működésük megértéséhez a következő törvényeket kell áttanulmányozni: A homogén kör törvénye (a belső hőmérséklet törvénye). A termoelem, mely végeinek hőmérséklete T1 és T2, a kimenő feszültségére nincs kihatással a hőforrás, mely a kör végei között hat.
A közbeeső fém törvénye. Egy zárt kör, mely tetszőleges számú különböző fémből áll, termoelektromos feszültségeinek összege nullával egyenlő ha az egész kör azonos hőmérsékleten van.
E törvény alapján a képen látható három fémből álló körre érvényes:
u AB T u BC T uCA T 0 Ebből leszögezhetjük, hogy megállapítható két fém termoelektromos feszültsége, ha ismerjük e két fém termofeszültségét egy harmadik fémmel.
u AB T u CA T u BC T u AC T u CB T
A közbeeső hőmérséklet törvénye. A termelemen T3 - T1 hőmérséklet különbségen jelentkező feszültség egyenlő a T2 - T1 és T3 - T2 hőmérsékletkülönbségen jelentkező feszültségek összegével, illetve:
U AB T3 , T1 U AB T2 , T1 U AB T3 , T2
A termoelem hideg pontjának problémája Termoelem mint hőmérsékletkülönbség érzékelő. A termoelemen gerjesztett feszültség arányos a hőmérsékletkülönbséggel:
U AB T2 T1 u AB T2 u AB T1 ahol uAB(T2) és uAB (T1) az 1. és 2. pontok temoelektromos feszültsége. Gyakorlati okokból a hőmérsékleteket Celsius fokokban mérjük, így a termoelektromos állandó mértékegysége V/C.
Referens hőmérséklet Amennyiben a referens hőmérséklet Tr = 0C, akkor a termoelem hőmérséklete arányos a meleg pont mért T2 hőmérsékletével, illetve:
U AB T2 u AB T2 A referens hőmérsékletet, a víz hármas pontjának létrehozására szolgáló edény segítségével tartjuk fenn.
A hidegpont szoftveres kompenzációja annak közvetlen mérésén alapul termisztor segítségével. A mikroprocesszor alapú mérőkör a termisztor ellenállása alapján kiszámítja a Tr hőmérsékletet és a megfelelő kontaktfeszültséget uAB(Tr). A mérőműszer által lemért kimenő feszültség segítségével a mikroprocesszor kiszámítja a különbséget:
A hardveres konpenzáció a kompenzációs híd alkalmazásán alapul, amely segítségével automatikusan korrigálódik a termoelem feszültségingadozása a hideg pont labilitása miatt.
Termoelemek készítése
Termoelemek készítésére alkalmas anyagok. Elvileg bármelyik kettő tiszta fémből vagy ötvözetből készíthetünk termoelemet. Gyakorlatban a mérésre alkalmas kombinációk száma korlátozott, mert ezektől az anyagoktól elvárjuk hogy: stabil és ismételhető termoelektromos tulajdonságai legyenek, egyértelmű és lehetőleg lineáris összefüggés legyen a feszültség és a hőmérséklet között, magas érzékenység, a vezető anyagányk hosszanti homogenitása, hegesztés és mechanikus megmunkálás lehetősége, mechanikus szilárdság és elérhető ár.
A termoelemek szabványos tipusai
A termoelemek szerkezete. Az összes termoelem hasonló módon készül: két termoelektromos anyagból készült huzalt összekapcsolnak a meleg ponton és kerámia szigetelővel védik valamint fém tokozással. Az összekötésnek több technikája létezik: a huzalokat olvasztással hegesztik össze úgy hogy a hegyén egy gömb alakul ki, A huzalokat alacsonyabb olvadáspontú fémmel összeforrasszák, Higanyba vagy olvasztott fémbe merítik a huzalokat, a huzalokat egy szilárd fémhez forrasszák és a huzalokat egymáshoz szorítják.
A termoelemek statikus karakterisztikái
A termoelemek alkalmazásának gyakorlati aspektusai A termoelemek mint hőérzékelők előnyei: külső energiaforrás nélkül dolgoznak mivel aktiv szenzorokról van szó egyszerű és kompakt szerkezet a beépítési lehetőségek széles skálája széles hőmérséklet mérési tartomány (-270 C tól 4 000 C -ig) nagy pontosság
A termoelemek hiányosságai a következők: kis kimenőjel kicsi érzékenység (10 - 70 V/C), ami miatt nagyon nehéz kis hőmérsékletkülönbségek mérése, szükség van referens hőmérsékletű pontra, nemlineáris statikus karakterisztika, érzékenység a környezet kémiai hatásaira parazita termoelektromos feszültségek jelenléte, amelyek a termoelem anyagának nem homogén voltából erednek.
Gyakorlati tanácsok.
Ahhoz hogy csökkentsük a termoelemek mint hőmérők hiányosságait, hogy csökkentsük a hibákat, a következő szabályokat kell betartani:
a termoelemet nem szabad kitenni láng közvetlen hatásának vagy beépíteni láng közvetlen közelébe a keletkező gázok és részecskék agresszív hatása miatt, nem egyenletes hőmérsékletű testek esetén a hőelemet a középhőmérséklet zónájába kell beépíteni mivel egy adott pont hőmérsékletét méri,
ajánlatos a termoelemet látható és könnyen elérhető helyre szerelni a könnyebb karbantartás és esetleges csere miatt, a termoelem teste teljes egészében a mért médiumban kell hogy legyen, az érintkező felületek tiszták kell hogy legyenek hogy a kontaktellenállások minél kisebbek legyenek, a csatlakozó vezetékek nem lehetnek magasfeszültségű vagy energetikai kábelek mellett az elektromágneses indukció miatt.
Hősugárzás érzékelők
A hősugárzásérzékelők több néven ismertek: Infravörös érzékelők, pirométerek vagy optikus pirométerek. Érintkezésmentes hőmérsékletmérésre szolgálnak, felületi hőmérsékletet mérnek, annélkül, hogy kihatással lennének a test hőmérsékletére. A szilárd testek sugárzásának hullámhossza 0 től -ig terjed, de hőmérsékletmérésre leglényegesebb a látható spektrum ( = 0,40 – 0,75m) és az infravörös tartomány ( = 0,75 – 400 m). Kirchoff törvénye egy valós test sugárzásáról bemutatja egy testre eső sugárzás eloszlását, a következő komponensekre: amit a test elnyel a, amit visszaver r, és amit átenged p.
a r p
Pirométeres hőmérési eljárások. Azt a testet, mely apszorpciós állandója: egy, abszolút fekete testnek nevezzük, és adott hőmérsékleten maximális mennyiségű energiát sugároz. Ez egy ideális radiátor: minden ráeső sugárzást elnyel, és adott hőmérsékleten a maximális lehető energiát sugározza ki. A pirométeres hőmérési módszerek azon a törvényen alapulnak amely kapcsolatba hozza a test hőmérsékletét a kisugárzott energiával. Stefan-Boltzmann törvénye kapcsolatot teremt a hőmérséklet és a fekete test által az összes frekvenciákon sugárzott elektromágneses hullámok sűrűsége között.
Pirométerek
Optikai (vizuális) pirométerek a sugárzás spektrális sűrűségének mérésére szolgálnak egy szűk hullámhossz tartományban = (0,656 0,008m). Ezért ezt a pirométert mohohromatikus pirométernek nevezzük. Összehasonlítjuk a test, melynek hőmérsékletét mérjük, sugárzásának spektrális sűrűségét, egy hiteles referens forrással. Az összehasonlító detektor leginkább az emberi szem. Az optikai pirométer legismertebb konstrukciója az eltűnő izzószálas.
Speciális hőérzékelők A termovíziós módszerek az optoelektronikus infravörös sugárzásérzékelők alkalmazásán alapulnak. Az első termoviziós rendszerek a hőmérsékleti mező letapogatásának elvén készültek. Optikai rendszer segítségével az objektum sugárzása az érzékelőre összponosul. A kapott villamos jel szinkronizálva van a letapogató készülékkel, úgy hogy a képernyőn az objektum hőmérsékleti mezejének fekete-fehér illetve színes képe jelenik meg.
A termoviziós kép ábrazlása:
