HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS I. Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás. 2010/2011.BSc.II.évf.

Átírás

1 HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS I. Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás 2010/2011.BSc.II.évf.

2 Nem villamos jelek mérésének folyamatai.

3 Érzékelők, jelátalakítók felosztása. Passzív jelátalakítók 1.Ellenállás változáson alapuló jelátalakítók - nyúlásmérő ellenállások (bélyegek) nyomás, erő, rezgés, mechanikai feszültség,.. -hőellenállások - fém anyagból - félvezetőből 2.Kapacitív jelátalakítók elmozdulás, szögelfordulás, szintérzékelők, páratartalom, dinamikus nyomás, rezgés,

4 Érzékelők, jelátalakítók felosztása. 3.Mágneses ( induktív ) érzékelők : elmozdulás, elfordulás, Aktív jelátalakítók 1.Mágneses ( indukciós) jelátalakítók: elmozdulás (elektronikus mérleg),fordulatszám térfogatáram,. 2.Piezoelektromos érzékelők: erő, nyomás, rezgés, gyorsulás,..

5 Érzékelők, jelátalakítók felosztása. 3. Ultrahangos jelátalakítók: térfogatáram, szintmérés,.. 4. Optoelektronikai jelátalakítók: jelenlét, sebesség, alakfelismerés, nyomás, erő, gázok koncentrációja,

6 Hőmérsékletérzékelők jelleggörbéi Statikus jelleggörbék Dinamikus jelleggörbék A statikus jelleggörbe a bemenő jel és a kimenő jel kapcsolatát adja meg, függetlenül az időtől és más zavarjelektől. A dinamikus karakterisztika a hőmérséklet érzékelő viselkedését az idő függvényében mutatja meg.

7 Hőmérők az iparban hőelemek: széles tartomány, gyors reagálás, OLCSÓ hidegpont, nem lineáris ellenálláshőmérők: pontosak, masszívak lassú, gerjesztés szükséges, nem lineáris termisztor: gyors, érzékeny szűk tartomány, gerjesztés szükséges, nem lineáris

8 Ellenállás változáson alapuló hőmérséklet érzékelők (RTS) Fém hőmérők A fémek fajlagos ellenállása hőközlés hatására nemlineárisan megváltozik: ρ T a fajlagos ellenállás változás [Ω] ρ 0 az anyag fajlagos ellenállás 20 0 C-on [Ω] α hőmérsékleti tényező, amely egy-egy intervallumra érvényes α 1 K ( ) ρ =ρ 1+α T T T 0 0

9 ellenállás hőmérők 0 C hőmérsékleten R 0 ellenállású fémhuzal R ellenállás változásán alapul linearizálási hiba jó reprodukálható képesség -> pontos többnyire az anyag nikkel vagy platina ellenállása 0 C on 25, 50, 100, 200, 1000 Ohm

10 ellenállás hőmérők védőszerelvény nélkül ritkán látható védőcső nikkel, acél, réz, kerámia, üveg jellemző a mérendő közeggel szembeni ellenálló képesség, nyomáshatár, hőmérséklet tartomány, benyúlási hossz

11 Ellenállás hőmérők statikus jelleggörbéi. R 0 - alapellenállás [Ω] R t -a hőmérséklettől függő pillanatnyi ellenállás [Ω]

12 Hőmérséklet érzékelő időállandójának meghatározása A közeg hőmérséklete:t 1 Hőcsere alapján a hőmérő felvesz: dq = α A( T T ) dt 1 A tárolt hőmennyiség: dq = mcdt T- a közeg pillanatnyi hőmérséklete α- a hőátadási tényező a közeg és a hőmérő között A- a hőmérő felülete m- a hőmérő tömege c - a hőmérő anyagának fajhője

13 t- a pillanatnyi idő τ -időállandó Ha a leadott és a tárolt hőmennyiség azonos: α A( T T ) dt = mcdt 1 A differenciál-egyenletet rendezve és a konstrukciós és anyagjellemzőket összevonva, az időállandó fogalmát bevezetve: τ = mc α A

14 A differenciál egyenlet változóit összevonva: dt dt = T T τ 1 Integrálás után a differenciál egyenlet megoldása: T T = ke τ 1 τ t

15 Ha feltételezzük, hogy a pillanatnyi idő egyenlő az időállandóval: t = τ Az időállandóhoz tartozó hőmérséklet: e t τ 1 = e 1 = = e 0,369 T τ = T(1 0,369) 1

16 Az időállandó ismeretében a közeg hőmérsékletének 63% - át lemérjük, ebből a 100% számítható: T τ = 0,631T 1 Ha a közeg max. hőmérsékletét ismerjük, az időállandó meghatározható. T τ = T 1 63%

17 Viselkedhet-e a hőmérséklet érzékelő az ábrán látható válaszfüggvények szerint? A közeg maximális hőmérséklete :T 1. T[ 0 C] T[ 0 C] T 1 T 1 T kör T kör 0 0 t (s) t=0 t=0 t (s) a. egységugrás szerint b. lineáris függvény szerint

18 Hőmérséklet érzékelők (PT1) jelátviteli tag dinamikus jelleggörbéje. T[ 0 C] T 1 T τ T kör τ Ha a hőmérséklet érzékelőt a meleg közegből kivesszük,és állandó hőmérsékletű közegben lehűtjük, az exponenciális jelleggörbe x-tengelyre vetített tükörképét kapjuk.

19 Péda: Egy csőben áramló füstgáz hőmérsékletét kell megmérni, pl. digitális kijelzővel rendelkező műszerrel. Vásároltunk egy hőmérséklet érzékelőt, amelynek működési elve a példa szempontjából érdektelen.( ellenállás változás, hőelem,stb.) Az érzékelő időállandója 8 perc, és a közegbe helyezve, a kijelző C-ot mutat. A környezeti hőmérséklet 20 0 C, amely, az érzékelő kezdeti hőmérséklete is. A kijelzők 0 0 C-ról indulnak, pozitív, illetve negatív irányban. Mivel az exponenciális görbe a környezeti hőmérsékletről indul, az időállandóhoz tartozó hőmérséklet: 0 T = 260 τ 20 = 240 C T T 1 *0,63 T = τ Tτ 0 1 = = 0,63 Mit mutat kijelző? 380,95 C

20 Ellenállás hőmérők tekercseinek kivitele. a. Nikkel tekercs prespán szigetelőtesten b. Tekercselés kerámiatestre c. Tekercs üvegburokban

21 Félvezető ellenállás hőmérők statikus jelleggörbéi [ ] RT ( ) = Re T Ω a. Platina ellenállás hőmérő b. NTK félvezető ellenállás c. PTK ellenállás d. Terjedési ellenállás alapú szilícium érzékelő. 0 B R 0 a félvezető ellenállása 20 0 C-on B termisztor állandó (anyagfüggő,egy intervallumban állandó)

22 Hőelem Legtöbbet használt hőmérséklet érzékelő aktív elemek Két különböző fém érintkező pontja pár mv-os feszültéget generál A feszültéség-hőmérséklet kapcsolat nem lineáris A hőelemek termoelektromos átalakítók, amelyek összeerősített pontját ( melegpont) a mérendő közegbe helyezve, a környezeti hőmérsékleten lévő hidegpontjukon termofeszültséget adnak le. A termofeszültség csak a huzalok anyagától és a mérendő közeg hőmérsékletétől függ.

23 Hőelemek elvi felépítése A mérendő közeg hőmérséklete Ko- konstantán, réz és nikkel 47%-os ötvözete Cu réz huzal kompenzált környezeti hőmérséklet A hőelemek, jól megválasztott,fémesen összekapcsolt (hegesztett, forrasztott, összetekert), huzalpárból (-párokból) állnak.

24 hőelemek A hőelemek nagyon alacsony feszültséget állítanak elő (mili vagy mikrovolt) Ez miatt erősíteni szükséges a jelet Kompenzáció: hőelemek mérésénél szükség van egy referencia pontra, vagy az ú.n.. hidegpontra, amely tradícionálisan 0 C.

25 hőelemek szűrés: a hőelem antennaként is viselkedik, ezért érzékeny a külső zajokra, főleg az Hz-es közeli forrásokra (pl. tápfeszültség) linearizálás: mivel a mért feszültség-hőmérséklet összefüggés nem lineáris, a mérési tartományban lineaizálni kell.

26 A hőelemek termoelektromos átalakítók, amelyek összeerősített pontját ( melegpont) a mérendő közegbe helyezve, a környezeti hőmérsékleten lévő hidegpontjukon termofeszültséget adnak le. A termofeszültség csak a huzalok anyagától és a mérendő közeg hőmérsékletétől függ.( Peltier,Seebeck, Thomson hatás) P T a kötés által leadott teljesítmény [W] I az áramkörben folyó termoáram [A] π U T Peltier-tényező [V] (anyagfüggő) termofeszültség [V/K] PT U T a mérendő hőmérséklet [K] T = [ ] π I W T T 2 = 1 π T dt

27 Hőelemek elhelyezkedése védőtokban. Leggyakrabban használt hőelemek: Co-Ko (réz-konstantán) kb C, Fe-Ko (vas-konst. ) kb C, NiCr-Ni (nikkelkróm-nikkel) kb C, PtRh-Pt (platina-rhódium-platina ) kb C összetekert huzalpár a védőtokba behegesztve forrasztott huzalpár a védőtoktól elszigetelve

28 Hőelemek típusai Hőelem típusa Pozitív vezető Negatív vezető Hőm. tartomány ( C) J Iron Constantan 210 to 1200 K Chromel Alumel 270 to 1372 N Nicrosil Nisil 270 to 1300 R Platinum-13% Rhodium Platinum 50 to 1768 S Platinum-10% Rhodium Platinum 50 to 1768 T Copper Constantan 270 to 400 B Platinum Rhodium 0 to 1820 E Chromel Constantan 270 to 1000

29 Néhány hőelem statikus jelleggörbéje. U [mv] Fe-Ko (vas-konstantán) NiCr-Ni (nikkelkróm-nikkel) Cu-Ko (réz-konstantán) PtRh-Pt (platinaródium-platina) T [ C]

30 Hőelem mérőköre, Wheaston-hidas, elektronikus kompenzációval Hőmérséklet függő,kompenzáló ellenállás

31 zh kérdések Statikus jelleggörbe jelentése Dinamikus jelleggörbe jelentése milyen jel változását mérjük az ellenállás hőmérőnél? milyen jel változását mérjük a hőelemnél? milyen jel változását mérjük a félvezető hőmérőnél? milyen anyagból lehet hőelemet készíteni? (1 példa) milyen anyagból lehet ellenállás hőmérőt készíteni? (1 példa)