Szenzorok. 5. előadás

Átírás

1 Szenzorok 5. előadás

2 Hőmérsékletmérés

3 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 ahol a és b állandók. bv

4 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.

5 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)

6 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.

7 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.

8 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 l 0 a test hossza T 0 hőmérsékleten. Ekkor hosszváltozás a hőmérsékletváltozás hatására a következő: l l 2 T T ' T T T T " 0 3 ahol:,,,... - koeficiensek.

9 Ezt a polinomot a hétköznapi gyakorlatban lineáris funkcióval közelítjük: l l T 0 T 0 ahol: -a lineáris hőtágulás tényezője. A fenti képlethez hasonlóan leírható a térfogatváltozás is V V 2 T T ' T T T T " 0 3 ahol:,,,... - a hőtágulás tényezői.. Folyadék esetén csak térfogat szerinti hőtágulásról beszélhetünk. A polinom magasabb (felsőbb) tagjainak elhanyagolása jelentős hibát okozhat.

10 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 C.

11 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.

12 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.

13

14

15 Ellenállás-hőmérők Fém, ellenállás-hőmérők. A fém ellenállás-hőmérőket tekercs alakúra gyártják, rendszerint bifilláris tekercseléssel. A huzal átmérője 0,05-0,1 mm.

16 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 RI 2 mely szintén melegíti az ellenállás-hőmérőt. Ez a hiányosság mint 0,2-0,5 C rendszeres hiba jelenik meg RI 2 = 10 mw terhelésnél. (Nikkel huzalból készült ellenállás-hőmérő.) (Réz huzalból készült ellenállás-hőmérő.)

17 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).

18 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: R T 1 1 B T T 0 R e 0 ahol: T -abszolút hőmérséklet K R 0 -a termisztor ellenállása 20 C-on (293 K) B -koeficiens K

19 R 0 és B pontos értékei meghatározhatók a termisztor kivizsgálásával két ismert hőmérsékleten megoldva a két megfelelő egyenletet.

20 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).

21

22 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.

23 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.

24 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.

25 Termoelemek Bevezetés. A termoelemek elsődleges feladata a magas 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.

26 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 T 1 és T 2, a kimenő feszültségére nincs kihatással a hőforrás, mely a kör végei között hat.

27 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.

28 E törvény alapján a képen látható három fémből álló körre érvényes: u AB 0 T u BC T Ebből leszögezhetjük, hogy megállapítható két fém termoelektromos feszültsége, ha ismerjük e két fém termofeszültségét egy harmadik fémmel. u CA T u AB T u T u T u T u T CA BC AC CB

29 A közbeeső hőmérséklet törvénye. A termelemen T 3 - T 1 hőmérséklet különbségen jelentkező feszültség egyenlő a T 2 - T 1 és T 3 - T 2 hőmérsékletkülönbségen jelentkező feszültségek összegével, illetve: U AB T, T U T T U T T,, 3 1 AB 2 1 AB 3 2

30 A termoelem hideg pontjának problémája Termoelem mint hőmérsékletkülönbség érzékelő. A termoelemen gerjesztett feszültség arányos a hőmérsékletkülönbséggel: U AB T T u T u T 2 1 AB 2 AB 1 ahol u AB (T 2 ) és u AB (T 1 ) az 1. és 2. pontok temoelektromos feszültsége. Gyakorlati okokból a hőmérsékleteket Celsius fokokban mérjük, így a termoelektromos állandó mértékegysége V/C.

31 Referens hőmérséklet Amennyiben a referens hőmérséklet T r = 0C, akkor a termoelem hőmérséklete arányos a meleg pont mért T 2 hőmérsékletével, illetve: U AB T u T 2 AB 2 A referens hőmérsékletet, a víz hármas pontjának létrehozására szolgáló edény segítségével tartjuk fenn.

32

33 A hidegpont szoftveres kompenzációja annak közvetlen mérésén alapul termisztor segítségével. A mikroprocesszor alapú mérőkör a termisztor ellenállása alapján kiszámítja a T r hőmérsékletet és a megfelelő kontaktfeszültséget u AB (T r ). A mérőműszer által lemért kimenő feszültség segítségével a mikroprocesszor kiszámítja a különbséget:

34

35 A hardveres konpenzáció a kompenzációs híd alkalmazásán alapul, amely segítségével automatikusan korrigálódik a termoelem feszültségingadozása a hideg pont labilitása miatt.

36 Termoelemek készítése

37 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.

38 A termoelemek szabványos tipusai

39 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.

40

41 A termoelemek statikus karakterisztikái

42 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 C -ig) nagy pontosság

43 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.

44 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,

45 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.

46 Hősugárzás érzékelők

47 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, 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

48 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.

49

50 Pirométerek

51 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.

52

53 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.

54

55 A termoviziós kép ábrazlása: