T = ϑ + 273,15
[K], [°C]
• Vzájemná souvislost teplotních stupnic
• vznik v roce 1927 (Celsiova), postupně upravována (naposledy 1990) • definována 17 pevnými body (trojné body, body tání, tuhnutí)
• Mezinárodní teplotní stupnice ITS-90 (International Temperatur Scale)
• základní jednotkou je Kelvin [K] - 273,16-tá část termodynamické teploty trojného bodu vody
absolutní nula (ustává termický pohyb elementárních částic)0K trojný bod vody (rovnovážný stav mezi skupenstvími) 273,16K
• stupnice je určena dvěma pevnými body:
Definice teploty: • Fyzikální veličina vyjadřující míru tepelného stavu tělesa Teplotní stupnice • Termodynamická (Kelvinova)
Základní pojmy
odporové kovové odporové polovodičové termoelektrické polovodičové s PN přechodem (diodové, tranzistorové)
• monochromatické pyrometry • pásmové pyrometry • radiační pyrometry
Snímače pro bezdotykové měření
• dilatační • tlakové • speciální
• • • •
• elektrické
Snímače pro dotykové měření
Rozdělení snímačů teploty
[Ω], [Ω], [K −1 ], [K ]
]
R ϑ = R 0 1 + α ⋅ ∆ϑ + β ⋅ ∆ϑ2 + γ ⋅ ∆ϑ3 ⋅ (ϑ − 100 )
[
vztah má platnost jen v malém rozsahu teplot pro přesná měření a větší rozsahy platí:
R ϑ = R 0 (1 + α ⋅ ∆ϑ)
∆R změna elektrického odporu α teplotní koeficient odporu (αPt = 0,0039, αNi = 0,0062, αCu = 0,00426 ∆ϑ změna teploty • odpor při teplotě ϑ
∆R = R 0 ⋅ α ⋅ ∆ϑ
• změna elektrického odporu kovů v závislosti na teplotě
Princip
Odporové kovové snímače
• platina • nikl • měď
Materiál čidla
• W100 - poměr odporů při 100 a 0°C W100 = R100 / R0 • α - teplotní součinitel odporu odporového materiálu čidla α = (R100 - R0 )/ 100 R0
• R0 - základní odpor - hodnota R čidla při teplotě 0 ° C, tj. v bodu tání ledu • R100 - hodnota R čidla při teplotě 100° C, tj. v bodu varu vody • Rϑ - hodnota R čidla při teplotě ϑ° C
Základní parametry
100 100
Ni Cu
1,4260
1,6180
-200 až 200
-60 až 180 (250)
-200 až 850
100
Pt
1,3850
[ ° C]
Měřicí rozsah
Materiál Základní Poměr odpor odporů Čidla R 0 [ Ω ] W 100
Vlastnosti čidel
Základní vlastnosti
• • •
uloženo v kapilárách válcových keramických nosných tělísek navinuto na povrchu tělísek a přeskleno keramickým smaltem vyrábí se s odporem R0 = 100 a 500Ω
spirálově stočený odporový drátek ∅ 0,01 až 0,05mm vinutí je
•
•
•
nanášení Pt vrstvy ve formě pasty na substrát sítotiskem tepelná stabilizace vrstvy laserové nastavení požadované hodnoty R0 rozřezání na jednotlivá čidla a připevnění vývodů
• • •
Pt vrstva se nanáší naprašováním nebo napařováním ve vakuu široký sortiment hodnot R0 = 100/200/500/1000/2000,...Ω vyrábí se také pro technologii SMT
tenkovrstvá technologie
• • • •
vinutí nahrazeno odporovou vrstvou z Pt, Ni nanesenou na nosné destičce (substrátu) z korundové keramiky tlustovrstvá technologie
Čidla vrstvová
• •
Čidla vinutá
Provedení odporových čidel
• • •
matematický výraz tabulka grafické vyjádření
Teplotní závislost odporu
1
kovové odporové snímače se vyrábějí ve dvou třídách: • třída A (u Pt pro rozsah -200 až 650 °C) • třída B (u Pt pro rozsah -200 až 800 °C) • toleranční pole se obvykle udává grafem
Třídy tolerance
Přesnost kovových snímačů teploty
Porovnání charakteristik
• termistory • negastory (termistor NTC - Negative Temperatur Coefficient) • posistory (termistor PTC - Positive Temperatur Coefficient) • monokrystalické Si snímače
Rozdělení
Změna odporu je způsobena teplotní závislostí koncentrace nosičů náboje
Princip
Polovodičové odporové snímače
B ∆R α= =− 2 R 0 ⋅ ∆T T
Teplotní koeficient odporu α:
R1 = R 0
1 1 B⋅ − T T ⋅e 1 0 B[K]
R1 R0
odpor termistoru při teplotě T1 odpor termistoru při referenční teplotě T0 (obvykle 298,15 K, tj. 25 °C) rozsah 1Ω - 1MΩ teplotní „konstanta“ ; 1500K
• záporný teplotní koeficient • výroba práškovou technologií ze směsi oxidů kovů (Fe2O3+TiO2, MnO+CoO …..), případně karbidů (SiC) • teplotní rozsah : -50 až 200 °C, speciální typy -250 až 1000 °C • závislost odporu na teplotě je exponenciální
Negastory
• • • •
• např. dvoustavová regulace
nelineární závislost odporu na teplotě menší časová stálost poškození při přehřátí použití pro méně náročné aplikace
• bodové měření • malá časová konstanta
• vhodné pro měření malých změn teploty • malé rozměry (perličkový termistor)
• α = -0,03 až -0,06 K-1
• teplotní koeficient záporný a o řád vyšší než u kovů
Vlastnosti a použití negastorů
RJ A ϑ ϑJ
odpor při referenční teplotě ϑJ materiálová konstanta (0,16K-1) teplota referenční teplota (dle chem. složení 60 až 180°C)
• měření v úzkém rozsahu teplot • dvoustavové snímače (signalizace překročení přípustné teploty)
• použití
R = R J ⋅ e A⋅ϑ
• vyrábí se z polykrystalické feroelektrické keramiky (BaTiO3) • závislost odporu na teplotě (v oblasti nárůstu R)
• odpor zpočátku mírně klesá • od referenční (spínací) teploty ϑJ prudce (o 3 řády) narůstá [obr] • pro vysoké teploty opět klesá
• kladný teplotní součinitel odporu
Pozistory
R1
R2
Náhradní schéma
• materiál - nevlastní polovodič N (Si) • dva sériově řazené kontakty kov-polovodič - nezávislost na směru proudu • zpětný kontakt na spodní straně spojuje vnitřní odpory R1 a R2
Struktura snímače
• rozptyl nosičů je úměrný jejich pohyblivosti • pohyblivost nosičů je úměrná teplotě
Princip • kuželový rozptyl nosičů proudu
Polovodičové monokrystalické snímače
ρ d
d průměr kontaktu ρ měrný odpor
přibližně platí:
Odpor nezávisí na vnějších rozměrech snímače
• teplotní rozsah: -50 až 150 °C • jmenovité hodnoty R25 1; 2 kΩ • α (řádově) 10-2 K-1 • příklad KTY10
R = R0 + k(ϑ - ϑ0)2
Závislost odporu na teplotě
R=
za předpokladu, že: d<
Závislost odporu na rozměrech snímače
Teplotní závislost odporu
∆ϑ R
• u senzoru Pt100 s max. povolenou chybou 0,1°C - Idov < 1mA • u termistorů (R řádově kΩ - Idov řádově mikroampéry
Idov =
∆ϑ ⋅ D R
zatěžovací konstanta - příkon potřebný k ohřátí senzoru o 1K
maximální dovolená chyba maximální odpor senzoru v daném rozsahu
D [W.K-1]
• maximální měřicí proud
R ⋅ I2 ∆ϑ = D
• průchodem proudu dochází k oteplení senzoru • chybu lze vyjádřit vztahem:
• Vliv měřicího proudu
• minimalizace vlivu proudu snímačem • minimalizace vlivu odporu přívodů k senzoru • analogová nebo číslicová linearizace
Požadavky kladené na vyhodnocovací obvody
Měřicí obvody odporových snímačů
• • • •
Rϑ RCu RJ
vliv odporu přívodů je kompenzován justačním odporem justační odpor slouží k přesnému doladění rozsahu měření odpory přívodů Rcu závisí zpravidla na teplotě - chyba měření kompenzace vlivu teploty na přívodní vodiče- 3 nebo 4 vodičové zapojení
• Dvouvodičové připojení čidla
Můstkové metody měření
čidlo odpor přívodů justační odpor
• zvolíme-li R1=R2=R, R3=R, R3=RϑZ • vyjádříme-li Rϑ= RϑZ +∆Rϑ • pak platí:
• příklad zapojení
• Můstek zapojený v síti OZ
∆R ϑ U V = A ⋅ U st ⋅ 2 ⋅ R ϑZ
Aktivní můstky
UV=A.(Ist.Rϑ - U) = A. Ist. ∆Rϑ
• eliminace vlivu odporu přívodních vodičů • zesilovač s velkým Ri • eliminace napětí na počátku rozsahu U = Ist.RϑZ
Čtyřvodičové zapojení s proud. zdrojem
• odolné čidlo s ohebným stonkem • stonek zhotoven ze zvlášť odolného plášťového kabelu
• měřicí vložka s vysokou mechanickou odolností
• odolnější čidlo • volný prostor uvnitř stonkových trubek vyplněn keramickým práškem
• měřicí vložka se zvýšenou mechanickou odolností
• vnitřní vedení je zasunuté v keramické čtyřkapiláře • čidlo je volně uloženo v kovové stonkové trubce
• Měřicí vložky se obvykle vyrábějí ve variantách: • konstrukce s (neohebným) stonkem
• Měřicí vložky odporových snímačů teploty • snímače jsou vybaveny výměnnými měřicími vložkami • vložky obsahují jedno, dvě, výjimečně i tři čidla • příruba a keramická svorkovnice • dvouvodičový převodník do hlavice snímače teploty
• Provedení jímkové, prostorové
Provedení odporových kovových snímačů
• křemík • galiumarsenid
• Materiál
• teplotní závislost napětí PN přechodu v propustném směru • lze odvodit, že změna napětí ∆UD/ ∆T = -(2,0 až 2,5) mV/K • teplotní závislost PN diody:
• Princip
Monokrystalické PN snímače teploty
UV = −UBE − Ust
2R V R1
• ze schématu lze odvodit vztah:
• vyhodnocovací obvod
• teplotní závislost přechodu BE v propustném směru
• princip
Tranzistorové PN senzory
řádově 101 µV/K více než 100 µV/K
• • • •
páry materiálů jsou ve světě normalizovány termočlánky se značí dle IEC velkými písmeny statické charakteristiky vybraných termočlánků příklad konstrukčního uspořádání
• Materiál termočlánků
• Kovy • Polovodiče
∝12 termoelektrický koeficient
U=∝12 (ϑm - ϑs) [mV, mV/K, K]
• vznik termoelektrického napětí (Seebeckův jev) • materiál kovy (různé), polovodiče • výpočet napětí pro malý rozdíl teplot:
• Princip
Termoelektrické snímače teploty
• prodloužení termočlánku • umístění srovnávacího konce do prostředí s malými změnami teploty • prodlužovací vedení ze stejného materiálu jako termočlánek • použití na menší vzdálenosti
• kompenzační vedení • kompenzační krabice • kompenzace termostatem • izotermická svorkovnice Kompenzační vedení
Druhy kompenzací
Kompenzace teploty srovnávacího konce
• do série s termočlánkem umístěn odporový můstek • v jedné větvi můstku je teplotně závislý odpor (Cu) • výstupní napětí můstku se superponuje k napětí termočlánku
Kompenzační krabice
• ve svorkovnici je umístěn teplotně závislý odpor • teplotní kompenzace je řešena softwarově • používá se u číslicových měřicích a řídicích systémů
Izotermická svorkovnice
• kapalinové
• tyčové • bimetalové
• kovové
• Rozdělení
• změna délky nebo objemu látky v reakci na měřenou teplotu
• Princip
Dilatační snímače teploty
lϑ l0 α
délka při měřené teplotě délka při vztažné teplotě součinitel délkové roztažnosti
Provedení: trubice - velký součinitel ∝ (mosaz) tyč - malé ∝ (invar, křemen) Vlastnosti malá citlivost (převody) měří průměrnou teplotu (po celé délce) Použití jednoduché obvody dvoupoloh. regulace
l ϑ = l 0 ⋅ [1 + α(ϑ − ϑ0 )]
Princip Délková roztažnost kovové tyčinky (trubičky):
Tyčový teploměr
Kovové snímače teploty
• • •
citlivost čidla je dána jeho délkou a tloušťkou často se stáčí do spirály nebo do šroubovice použití cca do 400 °C
Vlastnosti
k l a
součinitel prohnutí bimetalu [K-1] délka [mm] tloušťka [mm]
l2 y = k ⋅ ⋅ ∆ϑ a
• nestejná teplotní roztažnost dvou různých kovů • je tvořen dvěma pásky po celé délce spojenými (naplátování, svaření) • výchylka volného konce závisí na teplotě:
Princip
Bimetalový teploměr
Kovové snímače teploty
(-38 až 365 °C) (-100 až 60 °C) (-190 až 15 °C)
Vϑ V0 β
elektrody
objem při měřené teplotě objem při vztažné teplotě součinitel objemové roztažnosti
• cejchovaná kapilára • kontakty pro automatické vyhodnocení teploty
• rtuť • etylalkohol • pentan
• jímka s měrnou kapalinou
• Provedení
Vϑ = V0 ⋅ [1 + β(ϑ − ϑ0 )]
• teplotní závislost objemové roztažnosti kapalin
• Princip
Kapalinové snímače teploty
• membrána, vlnovec, Bourdonova trubice
3 tlakoměrný člen
• tenká trubička spojující stonek s vyhodnocovacím zařízením
2 kapilára
• nádobka s měrnou látkou
1 stonek
• Složení snímače
• teplotní závislost změny tlaku měrné látky v uzavřeném prostoru
• Princip
Tlakové snímače teploty
• • • •
část stonku je vyplněna těkavou látkou měří se tlak par metylchlorid (-18 až 75 °C), etyléter (35 až 190 °C), toluen (120 až 300 °C) velká citlivost a přesnost
• parotlačné snímače
• N2, H2, CO2 • nevyžadují teplotní kompenzaci
– bimetal do vyhodnocovacího zařízení – kompenzační kapilára • plynové snímače
• glycerín (-20 až 290 °C), xylen (-40 až 400 °C), metylalkohol (-20 až 290 °C) • kompenzace teploty kapiláry
• kapalinové snímače
• Náplň stonku
Tlakové snímače teploty
• selektivni (Si fotočlánek) • neselektivní (termočlánek)
podle rozsahu vlnových délek • monochromatické • pásmové • radiační (celé spektrum) podle způsobu detekce • subjektivní (lidské oko) • objektivní (detektory záření)
• Rozdělení pyrometrů
• vyhodnocení tepelného záření vysílaného měřeným předmětem • závislost intenzity záření H0 černého tělesa na teplotě • závislost lze popsat matematicky
• Princip
Bezdotykové měření teploty
srovnávacím zdrojem záření (pyrometrická žárovka) vnitřní optikou červeným filtrem obvody pro modulaci jasu přijímaného nebo srovnávacího záření
• jas měřeného objektu se lidským okem přes filtr porovnává s jasem srovnávacího zdroje
• • • •
• využívají monochromatické záření ve viditelné oblasti λ = 0,65µm • pyrometr je vybaven
• Jasové pyrometry
Monochromatické pyrometry
• Pyrometry s šedým klínem
• Pyrometry s mizejícím vláknem
• • • •
srovnávací zdroj má konstantní jas klínový šedý filtr mění jas tělesa měřicí rozsah (700 až 3500 °C) podstatně delší životnost srovnávacího zdroje
• mění se jas pyrometrické žárovky • je-li jas tělesa a jas žárovky stejný vlákno není vidět • mA - metr je ocejchován ve °C • rozsah omezen teplotou wolframového vlákna (700 až 1500 °C) • zvětšení rozsahu - šedý filtr (3500 °C)
Provedení jasových pyrometrů
Hλ H 0λ
• podle spektrální emisivity je třeba naměřenou teplotu korigovat • z korekčního grafu odečteme hodnotu ∆t, kterou je třeba k údaji pyrometru přičíst
ελ =
• ve skutečnosti není žádný objekt černým tělesem!! • spektrální emisivita: poměr mezi zářením černého tělesa a skutečného tělesa • spektrální emisivita vybraných materiálů
• Naměřeným údajem je jasová teplota černého tělesa
Korekce naměřené teploty
Toleranční třídy odporových teploměrů
• 10 kΩ až 1 M Ω
Základní hodnota R (při 25 °C)
• dle teploty rozsah 1600 K až 3400 K
Konstanta B
• vysokofrekvenční napařování na substrát Al2O3
Výroba
Struktura a teplotní závislost termistoru SiC
Dvojvodičové převodníky pro Pt100
Jímkové odporové teploměry
Prostorové odporové teploměry
Statické charakteristiky termočlánků
Konstrukční uspořádání termočlánků
Korekční graf pro jasový pyrometr
