snímače pro měření teploty

Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ
TEPLOTY
• 10.1. Kontaktní snímače teploty
• 10.2. Bezkontaktní snímače teploty
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1. KONTAKTNÍ SNÍMAČE TEPLOTY
snímač je připevněn na měřený objekt
•
•
•
•
10.1.1. termočlánky
10.1.2. odporové snímače
10.1.3. termistory
10.1.4. polovodičové snímače
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.1. TERMOČLÁNKY
Termoelektrický jev (Seebeckův jev)
1821
německý fyzik Thomas Johann Seebeck
• přeměna teplotního gradientu přímo na elektrické napětí
• řádově µV na °C
„studený konec“
kov 1 – termoelektrický koeficient α1
teplota t1
kov 2 – termoelektrický koeficient α2
teplota t2
elektrické napětí
zjednodušeně platí
U = α1(t1-t2)-α2(t1-t2)
pro větší rozsah teplot závislost není lineární
• každé spojení dvou vodičů z různých materiálů
vytvoří termočlánek
• výsledné napětí je úměrné nikoliv teplotě ale rozdílu
teplot na koncích vodičů
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.1. TERMOČLÁNKY
• v praxi se používá několik osvědčených kombinací materiálů
• jednotlivé kombinace - typy se označují se písmeny
• každý typ je vhodný pro jiný rozsah teplot – snaha o maximálně lineární průběh v daném rozsahu
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.1. TERMOČLÁNKY
• barevné značení
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.1. TERMOČLÁNKY
• nesprávná zapojení !!!!!!!!
parazitní termočlánek A-C
kov A
neznámá teplota okolí
Připojovací vedení =kov C
měření napětí
kov B
parazitní termočlánek B-C
místo měření teploty
termočlánek A-B
parazitní termočlánek A-C
neznámá teplota okolí
kov A
měření napětí
kov B
parazitní termočlánek B-C
místo měření teploty
termočlánek A-B
uvnitř přístroje
vodiče = kov C
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.1. TERMOČLÁNKY
kov A
kov C
historie
kov A
měření napětí
kov B
místo měření teploty
termočlánek A-B
kov A
kov B
místo měření teploty
termočlánek A-B
termočlánek A-B
na přesně
definované teplotě
voda + tající led 0°C
shodný parazitní termočlánek A-C
v každé větvi – parazitní term. napětí
se vzájemně odečte
současné řešení
kompenzace
studeného konce
měření napětí
• elektronický obvod měří teplotu v místě parazitních termočlánků
• upravuje napětí tak, aby eliminoval vliv parazitních trmočlánků
• kompenzátor
• buď pro konkrétní typ termočlánku
• univerzální – programovatelný
– je třeba nastavit typ připojeného termočlánku
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.1. TERMOČLÁNKY
• mnoho různých provedení – od „holé dráty“ až po zapouzdřené sondy
• výběr typu dle rozsahu teplot
• lze dosáhnout i velmi miniaturních rozměrů snímače
detaily např. na www.omegaeng.cz
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.1. TERMOČLÁNKY
• celé vedení i konektory musí být z materiálů termočlánku
• důležitý materiál izolace vodičů – může ovlivnit použitelnost – teplotní rozsah
detaily např. na www.omegaeng.cz
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.1. TERMOČLÁNKY
• vždy je nutno řešit zapojení „studeného konce“ – dnes nejčastěji elektronický kompenzátor
• zároveň může být integrován i zesilovač, linearizace charakteristiky
• typ kompenzátoru musí odpovídat typu termočlánku
detaily např. na www.omegaeng.cz
www.dewetron.cz
www.orbit.merret.cz
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.2. ODPOROVÉ SNÍMAČE
• využívají závislost odporu na teplotě
R = R0 (1 + α ∆t)
kde R0 je odpor při 0°C
α je teplotní součinitel
∆t je rozdíl skutečné teploty od 0°C
• pro větší rozsahy teplot platí složitější nelineární závislost
• lze využít různých materiálů (nikl, měď) ale prakticky výhradně se používá platina
• dlouhodobá stabilnost, odolonost proti vlivům prostředí ovlivňujících odpor
• záleží na čistotě použité platiny
• jedny z nejpřesnějších snímačů teploty
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.2. ODPOROVÉ SNÍMAČE
• praktické provedení
• platinový drátek navinutý na keramické nebo skleněné tělísko
• typická používaná hodnota odporu při 0°C je 100Ω
• tyto snímače se běžně označují jako PT100
• někdy i jiná hodnota odporu ( 50, 200, 500, 1000 a 2000Ω)
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.2. ODPOROVÉ SNÍMAČE
• mnoho různých typů provedení
detaily např. na www.omegaeng.cz
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.2. ODPOROVÉ SNÍMAČE
• zapojení
• dvouvodičové
• třívodičové
• čtyřvodičové
PT 100
detaily např. na www.omegaeng.cz
kompenzace odporu přívodního vedení
zesilovač
• různé provedení čidel PT100 (2,3,4 vodiče)
• různé provedení odpovídajícívh zesilovačů
• záleží na požadované přesnosti
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.2. ODPOROVÉ SNÍMAČE
• široká nabídka zesilovačů
• možná linearizace charakteristiky
detaily např. na www.omegaeng.cz
www.orbit.merret.cz
• eventuelně lze použít jakýkoliv obvod schopný vyhodnotit změnu odporu (můstek)
• potřeba minimalizovat proud snímačem – možná chyba ohřátím snímače
protékajícím proudem
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.3. TERMISTORY
• vyrobeny práškovou technologií ze směsi oxidů kovů
• změna odporu s teplotou
• může být kladná (pozistor) i záporná (negastor)
• velmi nelineární závislost
• omezený teplotní rozsah cca -50°C až 150°C
• velice příznivá cena
R
teplota
Experimentální metody – přednáška 9
Snímače pro měření teploty
10.1.3. TERMISTORY
• různá praktická provedení
detaily např. na www.omegaeng.cz
zapojení:
• obdobné jako u PT100
• vyhodnocení změny odporu (můstek)
• nutno počítat s nelinearitou
• speciální (jednoúčelové) přístroje - linearizace
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.4. POLOVODIČOVÉ SNÍMAČE
• využívají teplotní závislosti voltampérové charakteristiky P-N přechodu
• „lehce“ nelineární průběh
• z hlediska zapojení se jeví jako teplotně závislý odpor
• omezený teplotní rozsah cca -50°C až 150°C
• velmi příznivá cena
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.1.4. POLOVODIČOVÉ SNÍMAČE
• praktické provedení – „součástka“
• využívá spíše jako měřicí čidlo jednoúčelových přístrojů
• lze i zabudovat do sondy
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.2. BEZKONTAKTNÍ SNÍMAČE TEPLOTY
snímá se bezdotykově infračervené vyzařování měřeného objektu
10.2.1. princip měření
10.2.2. bodové snímače
10.1.3. plošné snímače -termokamery
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.2.1. PRINCIP BEZKONTAKTNÍHO SNÍMAČE TEPLOTY
• měří infračervené záření vyzářené sledovaným objektem
• důležitá kriteria
• zorný úhel (velikost sledovaného objektu a vzdálenost)
• emisivita povrchu sledovaného objektu
• vliv okolního prostředí (odražené záření jiných zdrojů, pohltivost atmosféry)
• emisivita = poměr vyzářené energie konkrétního povrchu při dané teplotě
k energii vyzářené ideálně černým tělesem při shodné teplotě
čím „lesklejší“ objekt, tím nižší emisivita – obtížné (nemožné) měření touto metodou
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.2.2. BODOVÉ BEZKONTAKTNÍ SNÍMAČE TEPLOTY
• měří povrchovou teplotu v jednom bodě
• běžný rozsah od cca 20°C až do 1600°C
• běžná odezva v řádech desítek milisekund (specielní provedení i jednotky ms)
• lze použít pro pevné i kapalné látky
• vzdálenost čidla od povrchu a průměr měřeného bodu:
• pevně dané
• nastavitelné pomocí optiky
• praktické provedení
• čidla – pro pevné zabudování
• většinou integrovaná elektronika, standardní výstup 0-10V nebo 4-20mA
• ruční přístroje
• často s laserovým zaměřovačem pro snadné určení měřeného místa
• display pro zobrazení hodnoty, možnost uložení dat, přenosu do PC, …
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.2.2. BODOVÉ BEZKONTAKTNÍ SNÍMAČE TEPLOTY
detaily např. na www.omegaeng.cz
www.microepsilon.cz
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.2.3. PLOŠNÉ SNÍMAČE TEPLOTY -TERMOKAMERY
• měří povrchovou teplotu v ploše
• běžný rozsah od cca -20°C až do 1000°C
• snímková frekvence stovky Hz
• široká škála rozlišení (320x240, 640x480 bodů,…)
• přenos dat do PC pomocí USB, software pro vizualizaci a zpracování
• vzdálenost čidla od povrchu a rozměr měřené plochy:
• většinou nastavitelné pomocí optiky
• praktické provedení
• kamera pro pevné zabudování + PC pro vizualizaci
• ruční přístroje
• integrovaný display pro zobrazení
• možnost uložení dat, přenosu do PC, …
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.2.3. PLOŠNÉ SNÍMAČE TEPLOTY -TERMOKAMERY
detaily např. na www.microepsilon.cz
kamera pro pevné zabudování + PC pro vizualizaci
Experimentální metody – přednáška 10
Snímače pro měření teploty
10.2.3. PLOŠNÉ SNÍMAČE TEPLOTY -TERMOKAMERY
• přenosný – ruční přístroj
• detekce provozních stavů
• měření úniků tepla