Hőérzékelés

Átírás

1 Hőérzékelés

2 Hőérzékelés Hőmérséklet fizikai állapotjelző abszolút és relatív fogalom klasszikus elmélet: elemi mozgások, hőtermelés, hőmérséklet relatív fogalom relatív skálák Hőérzékelés/2

3 Hőérzékelés mérési skálák: Celsius skála (SI) Fahrenheit skála USA Kelvin skála SI Rankine skála átszámítás o F = (9 oc/5)+32 o C = 5( o F-32)/9 K = o C Hőérzékelés/3

4 Hőérzékelés IPTS-68 skála hőmérséklet etalonok 13 alappont, 31 kiegészítő pont H 2 hármaspont 13.81K H 2 forrpont 20.28K víz hármaspont K abszolút alappont Au olvadáspont K Mérési tartomány 0 K több 10 9 K 1-2 K K Hőérzékelés/4

5 Hőérzékelés hőérzékelő típusok klasszikus hőmérők üvegszáras fémházas bimetálok ellenállás hőmérők termisztorok termoelemek optikai pirométerek Hőérzékelés/5

6 Hőérzékelés választási szempontok mérendő hőmérséklet, mérési tartomány pontosság ár érzékelő mérete válasz idő, érzékenység, stabilitás, linearitás, csatolható kiegészítő eszközök Hőérzékelés/6

7 Hőérzékelés gyakorlati szempontok hőmérséklet homogenitása lángok hőmérsékletének mérése felület hőmérsékletének mérése vezetéses, átadásos és sugárzásos hőátadás önmelegítés termoelektromos potenciál válaszidő teljes hőmérséklet vibráció sugárzás Hőérzékelés/7

8 Hőérzékelés klasszikus hőmérők üvegszáras hőmérők mérési elv: folyadékok hőtágulása felépítés alkalmazott folyadékok: Hg, alkohol tartomány: -40 o C 400 o C alkalmazási területek ipar gyógyászat hétköznapi élet Hőérzékelés/8

9 Hőérzékelés klasszikus hőmérők előnyök alacsony ár egyszerűség hosszú élettartam hosszú benyúló, széthúzható skála hátrány leolvasás nehézkessége törékenység nehezen adaptálható irányító, regisztráló rendszerhez Hőérzékelés/9

10 Hőérzékelés klasszikus hőmérők Fémházas (manometrikus) hőmérők mérési elv: gázok, folyadékok hőtágulása felépítés tartomány: -100 o C 600 o C alkalmazási területek ipar Hőérzékelés/10

11 Hőérzékelés klasszikus hőmérők Hőérzékelés/11

12 Hőérzékelés klasszikus hőmérők Hőérzékelés/12

13 Hőérzékelés klasszikus hőmérők Hőérzékelés/13

14 Hőérzékelés klasszikus hőmérők előnyök alacsony ár egyszerűség robosztus könnyen szerelhető nem kell segédenergia automatizálható Hőérzékelés/14

15 Hőérzékelés klasszikus hőmérők hátrány helyigény lassú viszonylag nagy időállandó nem lehet széthúzni a tartományt gyárilag javítható Hőérzékelés/15

16 Hőérzékelés Bimetálok Bimetálok mérési elv: fémek eltérő hőtágulása felépítés hossz, hőmérséklet vastagság alkalmazott fémek: invar Ni-Fe-Cr ötvözet tartomány: -50 o C 450 o C alkalmazási területek ipar közlekedés Hőérzékelés/16

17 Hőérzékelés Bimetálok Hőérzékelés/17

18 Hőérzékelés Bimetálok előnyök üvegszárassal szemben: nem törékeny, könnyebb leolvasni, automatizálhatóság fémházas hőmérővel szemben: olcsóbb villamos hőérzékelőkkel szemben: egyszerűség hátrány kalibrálhatóság pontosság hiszterézis Hőérzékelés/18

19 Hőérzékelés Villamos hőérzékelés Villamos hőmérsékletmérés közös jellemzői elektromos áram automatizálhatóság főbb típusai ellenállás hőmérők termisztorok termoelemek Hőérzékelés/19

20 Hőérzékelés - Ellenálláshőmérők Ellenálláshőmérők mérési elv: fémek ellenállásának hőmérsékletfüggése (Davy, 1821; Siemens, 1871) felépítés hossz, hőmérséklet alkalmazott fémek: Cu, Ni, Pt tartomány: -200 o C 850 o C Hőérzékelés/20

21 Hőérzékelés - Ellenálláshőmérők Hőérzékelés/21

22 Hőérzékelés - Ellenálláshőmérők réz előnyei: gyakoriság, előállíthatóság linearitás hátrányai: alacsony fajlagos ellenállásváltozás csak o C-ig korrózió, oxidáció alkalmazás járművek olajtartályok Hőérzékelés/22

23 Hőérzékelés - Ellenálláshőmérők nikkel előnyei: nagy fajlagos ellenállásváltozás gyakoriság, előállíthatóság - közepes hátrányai: nemlineritás, csak o C-ig alkalmazás ritka Hőérzékelés/23

24 Hőérzékelés - Ellenálláshőmérők platina előnyei: stabilitás linearitás kémiai ellenálló képesség magas olvadáspont hátrányai: előfordulás, előállítás drága alacsony fajlagos ellenállásváltozás relatíve nagy méret nedvesség, törékenység, önmelegítés Hőérzékelés/24

25 Hőérzékelés - Ellenálláshőmérők Hőérzékelés/25

26 Hőérzékelés - Ellenálláshőmérők Hőérzékelés/26

27 Hőérzékelés - Ellenálláshőmérők alkalmazás Pt100-as hőérzékelő ikerszálas kivitel mérőhidas kompenzáció, beépítése a fejbe T mérés Hőérzékelés/27

28 Hőérzékelés - Termisztorok Termisztorok mérési elv: fémoxidok ellenállásának hőmérséklet-függése (Bell Laboratórium) thermally sensitive resistors felépítés alkalmazott oxidok: Cu, Ni, Mn, Co, Pb, Zn, Fe, Mg, Ti oxidjai nagy hőmérséklet koefficiens tartomány: (-240) -100 o C 320 o C Hőérzékelés/28

29 Hőérzékelés - Termisztorok a hőfok függés erősen nemlineáris: R T = R 0 e b T ahol b anyagi állandó R 0 ellenállás 0 o C-on T hőmérséklet K-ben Hőérzékelés/29

30 Hőérzékelés - Termisztorok Hőérzékelés/30

31 Hőérzékelés - Termisztorok következmények: kicsi mérési tartomány akár 1 o C nagy érzékenység alkalmazás hőérzékelés kapcsolóként hőtérképezés Hőérzékelés/31

32 Hőérzékelés - Termisztorok előnyök kis méret szűk mérési tartomány nagyon nagy érzékenység nem kell speciális vezetékezés sok féle forma olcsó stabilitásuk az élettartammal nő Hőérzékelés/32

33 Hőérzékelés - Termisztorok hátrányok nemlineárisak nem felcserélhetők törékenyek szűk mérési tartomány önmelegítés magasabb hőmérsékleten nem stabilak (max. 320 o C) alsó határ túl nagy ellenállás Hőérzékelés/33

34 Hőérzékelés - Termoelemek Termoelemek mérési elv: ha két különböző fémet egyik végén összekötünk, akkor potenciálkülönbség lép fel a nyitott végek között, ha az összekötött végek és a nyitott végek különböző hőmérsékleten vannak Seebeck, Peltier, Thomson, Joule, Fourier Hőérzékelés/34

35 Hőérzékelés - Termoelemek leíró törvények 1. Azonos fémek esetén nincs termoelektromos indukció. 2. A termoelektromos erő algebrai összege zérus, ha akárhány különböző fémet kötünk össze, de azok azonos hőmérsékleten vannak. Hőérzékelés/35

36 Hőérzékelés - Termoelemek 3. Ha két különböző fém esetén adott T 1 és T 2 hőmérsékleten E 1 elektromos erő indukálódik adott T 2 és T 3 hőmérsékleten E 2 elektromos erő indukálódik akkor T 1 és T 3 hőmérsékleten E 1 +E 2 nagyságú elektromos erő fog indukálódni Hőérzékelés/36

37 Hőérzékelés - Termoelemek felépítés alkalmazott párok pl.: Pt-Pt/Rh: 150 o C 1770 o C (IPTS: 630 o C és 1063 o C) Hőérzékelés/37

38 Hőérzékelés - Termoelemek Cu-konstantán: oxidáló/redukáló közegekben Fe-konstantán: nagyon lineáris, olcsó választási szempontok: olvadáspont kémiai inertség termoelektromos erő vezetőképesség homogén anyag előállíthatósága tartomány: -200 o C 3000 o C Hőérzékelés/38

39 Hőérzékelés/39

40 Hőérzékelés - Termoelemek Hőérzékelés/40

41 Hőérzékelés - Termoelemek előnyök kis méret széles mérési tartomány hajlékony, strapabíró alacsony ár (!) elegendően stabil, pontos, gyors Hőérzékelés/41

42 Hőérzékelés - Termoelemek hátrányok kimenő jel gyenge és érzékeny a zavarásokra nemlineárisak erősítő kell kalibráció változhat a felületi kontaminációval vezetőképes közegben tokozni kell vezetékek homogenitása nehezen detektálható hiba Hőérzékelés/42

43 Hőérzékelés ellenálláshőmérők: pontosság, stabilitás termisztorok: érzékenység termoelemek: gazdaságosság, magas hőmérséklet Hőérzékelés/43

44 Hőérzékelés Optikai pirometria Sugárzás alapú mérés optikai pirometria mérési elv (Kirchoff, Wien, Planck) minden test hősugarakat bocsájt ki magából, amelyek hullámhossza függ a test hőmérsékletétől látható fény tartományban a megfigyelő addig változtatja az ellenőrző lámpa beleolvad a háttérbe, és ennek alapján lehet a vizsgált közeg hőmérsékletét meghatározni létezik infravörös tartományban vagy színképelemzés elvén működő eszköz is Hőérzékelés/44

45 Hőérzékelés Optikai pirometria PYRO cég készüléke Optical Sensor Radiation Pyrometer Rugged Lightweight Portable Six Models Available Accuracy ± 0.5% of Reading Single Double & Triple Temperature Ranges 1420 F F (770 C C) Target Sizes to 0.055" (1.4mm), Small Target Target Distance 12" to Infinity Ni-Cad Rechargeable Battery helyes magas alacsony Hőérzékelés/45

46 Hőérzékelés Optikai pirometria Hőérzékelés/46

47 Hőérzékelés Optikai pirometria előnyök nem érintkezik közvetlenül a mérendő tárggyal gyors válaszidő (akár mozgó tárgy is mérhető) kis méretű tárgyakat is lehet mérni (pl. Ø1,5mm) felületnél átlaghőmérséklet meghatározás széles mérési tartomány hordozható/telepíthető Hőérzékelés/47

48 Hőérzékelés Optikai pirometria hátrányok törékeny drága sugárzást elnyelő anyagok (pl. füst, por, pára) torzítják a mérést nemlinearitás nagy mérési tartomány Hőérzékelés/48