2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek. a. Termikus elvek

Átírás

1 2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek a. Termikus elvek

2 Az érzékelés célja Open loop: A felhasználó informálására (mérés) Más felhasználó rendszer informálása Felügyelet Closed loop Visszacsatolás (folyamatszabályzás) Érzékelés Jelfeldolgozás Beavatkozás analóg digitális analóg

3 Az érzékelés elemei Érzékelő Transducer, azaz Jelátalakító Fizikai mennyiség Transducer Jelformálás Mért adatok Felhasználás Feszültség Áram, Mágneses fluxus Hőmérséklet Nyomás Erő Nyomaték Fordulatszám Stb.. Erősítés, Szűrés, Mintavétel Multiméter, Oszcilloszkóp, Frekvenciaanalizátor Komputer, Szabályzókör Felügyelet, ipatri folyamatok, egyéb vezérlési feladatok Állítólag 96 egyedi fizikai mennyiség érzékelésére van mód!

4 Közvetlen mérés: Céleszköz, ill. műszer, amely egy megfelelő fizikai jelenség felhasználásával a mérendő mennyiséget közvetlenül egy mért elektromos jellé alakítja át Közvetett mérés: A mérendő mennyiséget két, vagy több lépésben alakítja át a mérendő elektromos jellé. Jellemző nem-fizikai érzékelés esetében (pl. katalitikus gázérzékelés). Becslés: A keresett mérendő mennyiséget közvetve más ismert (de nem feltétlenül mért) fizikai mennyiség felhasználásával származtatja Pl: ha mérjük a motor sebességét és feszültségét, a fluxust a kettő ismeretében becsülhetjük

5 A hőmérséklet érzékelés eszközei A hőmérséklet: Az anyag belső kinetikai energiájának mértéke Az anyag forróságának vagy hidegségének a foka, ahogy a hőmérő mutatja Detektálásának célja:

6 A hőmérséklet érzékelésének módszerei Fizikai méretváltozás mérése, érzékelése: Bimetál hőmérők Töltött tartály és kapilláris hőmérők Elektromos tulajdonságok változásának mérése: Ellenálláshőmérők (Resistance Temperature Detector- RTD) Diódák, tranzisztorok és Integrált áramkörök (IC) Termisztorok Termopár (Seebeck effektus) Az emittált hősugárzás mérése: Pirométer Bolometria Kémiai fázisváltozások hőfüggése: Kvarc kristály hőmérés

7 Hőmérők hőmérsékleti tartományuk szerint

8 Üvegkapilláris folyadékhőmérők

9 Folyadék hőmérők üvegkapillárisban

10 Folyadékexpanziós hőmérő nyomásmérés közvetítésével

11 Fémek a méréstechnikában Alkalmazási elvek Fémek a méréstechnikában Hőmérséklet T F erő, M nyúlás T 0 viszonyítási hőmérséklettel anyag A U H segédfeszültséggel Ellenálláshőmérő B anyag Termoelem Nyúlásmérő bélyeg

12 Hőmérsékletmérés Ellenállás hőmérsékletfüggése t R R R R R t R t R R t t R R t t r r r t

13 Ellenálláshőmérő Fémes vezető, melynek fajlagos ellenállása pozitív hőmérsékleti együtthatóval rendelkezik, azaz ellenállása a hőmérséklettel nő Fémek elektromos tulajdonságai fémek fajlagos ellenállása hőmérséklet függvényében Hőmérséklet / C A fajlagos ellenállás hőmérsékletfüggése = (1 + T) T hőmérséklet C-ban Hőmérséklet / K

14 Szabványos hőmérő ellenállások Cu -50 o 150 o (180 o ) α 0 = / o C R 0 =233/2330Ω Ni -60 o 250 o (360 o ) α 0 = / o C R 0 =100Ω Pt -200 o 850 o (1000 o ) α 0 = / o C R 0 =100Ω

15 Ellenálláshőmérő (RTD) Whetstone-hidas mérőkapcsolásban

16 Ellenállás R / Ellenállásmérésen alapuló hőmérés Termisztor A termisztort félvezető anyagokból készítik, nagy negatív hőmérsékleti együtthatójuk (NTC) miatt az R ellenállása a hőmérséklettel csökken. Hasonlóan viselkedik a grafén! Nemlineáris ellenállások / NTC Ellenállás - hőmérséklet jelleggörbe hőmérséklet NTC termisztor Példa: nagyhőmérsékletű NTC bevethető 1000 C-ig Anyaga: fémoxidok Az elektromos vezetőképesség hőmérsékletfüggését a töltéshordozók mozgékonysága határozza meg: n K T 1 e WA kt K 1 : konstans W A : gerjesztési energia

17 Termisztor A termisztort félvezető anyagokból készítik, nagy negatív hőmérsékleti együtthatójuk miatt az R ellenállása a hőmérséklettel csökken. Hasonlóan viselkedik a grafén Periodic waves in graphene Low et al. PRB. 83, (2011) 19

18 Bimetál hőmérő

19 A termopár hőmérés elve

20 Temperature with thermocouple T x T 0 U A thermocouple is the connection point, preferably welded or soldered, of two different metals, e.g. constantan and copper. Two thermocouples, connected as above, measure the temperature difference (T x T 0 ) To measure absolute temperature, one of the temeratures T x or T 0 must be known, either measured or being kept at a known reference temperature in an owen or in a vessel with ice and water

21 A termopár hőmérés elve

22 Termopár hőmérők Cu-Constantan T <400 o Fe-Constantan J <700 o (1200 o ) NiCr-Constantan E <900 o (1000 o ) NiCr-NiAl K <1370 o Pt-PtRh S <1000 o (1760 o ) PtRh-PtRh(?) R <1800 o

23 Infravörös hőmérők termopár detektorral

24 Termopár huzalok jellemzői Kivitelezési módok

25 Az elektromágneses spektrum

26 A Föld légkörének hatása a Nap sugárzási spektrumából érzékelhető intenzitásokra A látható hullámhossztartomány az elektromágneses spektrumból

27 Infravörös hőmérők érintésmentes hőmérsékletérzékelők

28 Az infravörös hőmérés alapjai Az anyagok emisszivitása!

29 Az infravörös hőmérők előnyei

30 Egypontos IR hőmérséklet érzékelők

31

32 Folyadékkristályok

33 Responsitivity to thermal IR radiation metal box sensor chip Unit: Thermal voltage [mv] black-body T [C o ] Si window view factor : optical axis T radiated power density (first estimation: 80 C o ~ 70µW/mm 2 black-body emitter ThermoPile TATEYAMA TPT v3 wafer no. : 54 35