Szenzortechnika (BMEGEFOAMS1 )

Szenzortechnika (BMEGEFOAMS1 ) 2. Hőmérsékletmérő szenzorok BOJTOS AT TILA BME - MOGI TANSZÉK

A HŐMÉRSÉKLET Hőmérséklet: A testet alkotó részecskék átlagos mozgási energiájával arányos fizikai állapothatározó. E kin =kt; (k = 1,3806488 10 23 J/K, a Boltzmann-állandó) Alapmennyiség Jelölés Alapegység Hosszúság l méter (m) Tömeg m kilogramm (kg) Idő t másodperc (s) Áram I amper (A) Termodinamikai hőmérséklet T kelvin (K) Anyagmennyiség n mol (mol) Fényerősség I V kandela (cd) [Forrás: https://hu.wikipedia.org/wiki/hőmérséklet]

HŐMÉRSÉKLETI SKÁLÁK Kelvin-skála: [K], tiszteletére nevezték el. a nulla kelvin az abszolút nulla fok (amikor a molekulák már nem végeznek hőmozgást), másik sarokpont: a víz hármasponti hőmérséklete: 273,16K Celsius-skála: [ C ], Bevezetője Anders Celsius. T C = T K 273,15 az olvadó jég: 0 C, (273,15K; 32 F), a forrásban levő víz: 100 C, (légköri nyomás mellett) T C = 5 9 (T F 32) Fahrenheit-skála: [ F]; Bevezetője Daniel Gabriel Fahrenheit. nullpontja az általa kísérleti úton előállított legjobban lehűlő sós oldat fagyáspontja a másik alappontja az emberi test hőmérséklete volt, amely hőtartományt az oszthatóság kedvéért 96 egységre bontotta. Rankine-skála: [ R], Bevezetője William John Macquorn Rankine. ugyanakkora egységeket használ, mint a Fahrenheit, nullpontja az abszolút nullánál van. Réaumur-skála, Bevezetője René Antoine Ferchault de Réaumur. a víz fagyáspontját adta meg nulla foknak, a forráspontját 80 foknak. [Forrás: https://hu.wikipedia.org/wiki/hőmérséklet]

HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK KALIBRÁLÁSA R T összefüggés felvétele, Nemzetközi Hőmérsékleti Skála (International Temperature Scale of 1990 - ITS-90) Kiadta: International Committee for Weights and Measures (CIPM) / Consultative Committee for Thermometry (CCT) Célja a nemzetközileg összehasonlítható termodinamikai abszolút hőmérsékleti skála megvalósítása. 14 fix pont: 0.65 K 1 357.77K (-272.50 C 1 084.62 C) A teljes tartományt átfedéssel lefedő sztandard hőmérők: hélium gőznyomás hőmérők (0,65 5,0 K), hélium gáz hőmérők (3,0 24.5561 K), Standard platina ellenállás-hőmérő (SPRTs, PRTs, Platinum RTDs) (13.8033 1234.93 K), monokromatikus sugárzás hőmérők (pirométer) (1234.93 K), Szokásos eljárások: Fix pont (abszolút) kalibráció (Fixed point calibration), Összehasonlító (Comparison calibrations). [Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/international_temperature_scale_of_1990]

HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK KALIBRÁLÁSA (FIX PONT (ABSZOLÚT) KALIBRÁCIÓ (FIXED POINT CALIBRATION)) Legnagyobb pontosságú eljárás: ±0,001 C Standard Platinum Resistance Thermometer (SPRT) (elsődleges szabvány), Anyagok jellemző állapotváltozási pontjainál történik: Olvadáspont, Forráspont, 3-as pont (nyomásmérés hibáját kiküszöböli), Víz 3-as pontja (TPW) Alkalmzott anyagok: H 2 O, FPs, Ar, Ga, Hg, Sn, Zn, Al, Ag, Leggyakoribb: jégfürdő (olcsó), ±0.005 C, [Forrás: www.vilaglex.hu, www.nplindia.org, hirmagazin.sulinet.hu/, ] Abszolút kalibráció: ±0.001 C (2 Sigma) WTP: 0,0099 C; Ga olv.: 29.7646 C; Hg TP: -38.8344 C. [Forrás: www.isotech.co.uk]

HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK KALIBRÁLÁSA (ÖSSZEHASONLÍTÓ KALIBRÁCIÓ (COMPARISON CALIBRATIONS).) Kalibrált hőmérséklet szenzorral való összehasonlítás stabil és egyenletes hőmérsékletű fürdőben: szilikon olaj, só-olvadék. Alkalmazás: Másodlagos SPRTs, és ipari RTDs esetén, Bármilyen hőmérsékleten 100 C 500 C tartományon, Olcsó eljárás, párhuzamosan több szenzoron végezhető, automatizálható. [Forrás: en-us.fluke.com] [Forrás: www.vilaglex.hu, www.nplindia.org, hirmagazin.sulinet.hu/, ]

HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK KALIBRÁLÁSA (A HŐMÉRSÉKLETMÉRÉSEK NEMZETI ETALONJA) ITS-90 nemzetközi hőmérséklet skála szerint A higany hármaspont és az alumínium dermedéspont között (-39... 660 C). Nemzeti etalon: Fixpont cellák: higany hármaspont: -38,83 C víz hármaspont: 0,01 C gallium olvadáspont: 29,76 C ón dermedéspont: 231,93 C cink dermedéspont: 419,53 C alumínium dermedéspont: 660,32 C arany dermedéspont: 1064,18 C Nemzeti etalon: etalon ellenálláshőmérők, fixpontok közötti tartományokban nagypontosságú összehasonlítás. [Forrás: EUROMET]

HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS MÓDJAI Fizikai érintkezés útján Mechanikus elven működő Térfogatváltozás Kapilláris (folyadék, gáz térfogatváltozása) Fémrudas (lineáris tágulás) Kettősfém (Bimetál eltérő térfogatváltozás) Curie-elvű hőmérsékletkapcsoló Villamos elven működő Ellenállásváltozás (resistance temperature detectors (RTDs): PTC, NTC) Fém (platina, Pt100) Félvezető (termisztor, pn átmenet típusú, dióda, ) Polimer (vezető részecskékkel szennyezett polimer) Seedbeck effektus Termoelem Sugárzás mérés útján Pirométerek [Forrás: http://www.slideshare.net/sameerhere/designing-ux-sameer, Intel]

MECHANIKAI HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK (KAPILLÁRIS HŐMÉRŐK) [Forrás: http://www.slideshare.net/sameerhere/designing-ux-sameer, Intel]

MECHANIKAI HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK (TERMOSZTÁTOK / HŐKAPCSOLÓK) [Forrás: http://www.slideshare.net/sameerhere/designing-ux-sameer, Intel]

HŐELLENÁLÁSOK (RESISTANCE TEMPERATURE DETECTORS, RTDS) Karakterisztika szerint: PTC pozitív hőmérsékleti együttható, NTC pozitív hőmérsékleti együttható, Anyaga szerint: Fém PTC Platina (Pt100, Pt500, Pt1000), Nikkel, Réz, Félvezető Termisztor NTC, pn átmenetes, (dióda, tranzisztor, ) Polimer (vezető részecskékkel szennyezett polimer) PTC [Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/resistance_thermometer]

FÉM HŐELLENÁLÁSOK (ANYAGAI) Anyag Platina, Pt Nikkel, Ni Hőmérséklet tartomány: 200 C +860 C ( 260 C +1000 C) 100 C +150 C ( 260 C) Érzékenys ég Ω/(Ω C) 0.00385 0.006445 Cu -100 C +260 C 0.003500 Legjobb linearitás. Megjegyzés nemesfém, nem korrodál. Legszélesebb hőfoktartomány. Legjobb stabilitás. Jó linearitás. Magasabb hőmérsékleten korrodál. Nem állítható elő nagy tisztaságban ezért egyedi kalibrálás szükséges. Olcsó, nagy érzékenység. Fe-Ni 100 C +204 C 0.00522 Olcsó, nagy érzékenység. Au 0 C +700 C 0.002840 Pd-Au 0 C +700 C 0.000027 [Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/resistance_thermometer]

PLATINA HŐELLENÁLÁSOK - PTC (Pt100, 500, 1000) Használatát javasolta: Sir William Siemens: Bakerian lecture, 1871 Karakterisztikája: Pozitív meredekségű PTK (PTC - Pozitive Temperature Coefficient). Ellenállása a hőmérséklet emelkedésével nő. Közel lineáris, Kis meredekségű (érzékenységű) Anyaga (adalékossal eltérő együtthatójú anyagok): Tiszta platina: α = 0.003925 Ω/(Ω C), 0-100 C tartományban (labor). RTDs IEC 60751 and ASTM E-1137 specify α = 0.00385 Ω/(Ω C). Korábbi: α = 0.003916 Ω/(Ω C) and 0.003902 Ω/(Ω C). [Forrás: Huba A., Lipovszki, Gy.: Méréselmélet; Lambert M.: Szenzorok.; www.tme.hu]

R [Ω] T-Hiba [ C] PLATINA HŐELLENÁLÁSOK - PTC (Pt1000) VISHAY: PTS-1206-B-PU-1K A = 3.9083 x 10-3 C -1 B = - 5.775 x 10-7 C -2 C = - 4.183 x 10-12 C -4 Callendar Van Dusen egyenletek: ϑ alsó 0 C tartományon: R = R 0 (1 + A θ + B θ 2 +C θ 3 (θ 100 C)) 0 C - ϑ felső tartományon: R = R 0 (1 + A θ + B θ 2 ) 0-100 C tartományon linearizált: R = R 0 (1 + α θ) α = R 100 R 0 100 C R 0 R 100 -R 0 1500 1000 500 R 0 100 C R 100 R lin R Hiba VISHAY: PTS-1206-B-PU-1K 0 0-100 -50 0 50 100 150 200 ϑ [ C] 1,5 1 0,5 [Forrás: Huba A., Lipovszki, Gy.: Méréselmélet; Lambert M.: Szenzorok.]

PLATINA HŐELLENÁLÁSOK - PTC (Pt100, 500, 1000) Előnyei: Jó linearitás, Jó reprodukálhatóság, jó stabilitás (kis drift): ±0,04% / 1000h (155 C) Nagy méréstartomány: 259,35 C +961.78 C Alsó tratományban: -270 C környékén kevés töltéshordozó miatt nagy bizonytalanság Ipari ritkán haladja meg a + 660 C-ot => Kémiai ellenálló képesség romlik. Hátrányai: Kis meredekségű karakterisztika: (α = 0.00385 Ω/(Ω C) Pt100: 0,385 Ω/ C Alkalmazása: Etalon hőmérők, Nemzetközi hőmérséklet szabvány (ITS-90), Laborhőmérők, Egyéb nagy pontosságú hőmérséklet szenzorok. [Forrás: Huba A., Lipovszki, Gy.: Méréselmélet; Lambert M.: Szenzorok.]

FÉM HŐELLENÁLÁSOK (KIALAKÍTÁSA) Tekercselt (Wire-wound) Szigetelő magra csévélt huzal Nagy pontosság, (Etalon, labor hőmérők) Széles mérési tartomány, PRT: 660 C. Mechanikai stabilitás vs. alakváltozás mentes kialakítás Alakváltozás mentes (Strain-free) (mechanikai feszültség mentes) Inert gázzal töltött tartályba lazán csévélt huzal a hőtágulást szabadon engedi. Érzékeny az ütésre és rázkódásra. Standard platina ellenállás-hőmérő (SPRT): 961.78 C-ig. Vékonyréteg (Thin-film) Kerámia hordozóra felvitt 1 to 10 nm vastagságú fém (Pt) réteg. A hőtágulás ellen nem védett Kevésbé megbízható mint a csévélt verzió. Limitált méréshatár: 300 C (működőképes: 600 C, 900 C) Wire-wound PRT Thin-film PRT [Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/resistance_thermometer]

HŐELLENÁLÁSOK (Áramköri bekötése) Wheatston-hidas (¼) elrendezés Hídegyensúly a méréstartomány közepére. R 2 = R 3 ; R 1 = R T (T közép ) 2-vezetékes elrendezés (Two-wire configuration) A legegyszerűbb elrendezés, Limitált pontosság, 200m-ig. 3-vezetékes elrendezés (Three-wire configuration) A vezeték ellenállás kompenzálására, Hosszabb vezetékek esetén, 600m-ig. 4-vezetékes elrendezés (Four-wire configuration) Áramgenerátoros táplálás, Nincs feszültségesés a mérővezetéken, Nagyobb pontosság érhető el, Váltakozó áramú táplálás kiküszöböli a termoelektromos eredetű hibákat. [Forrás: Huba A., Lipovszki, Gy.: Méréselmélet; Lambert M.: Szenzorok; en.wikipedia.org/wiki/resistance_thermometer]

FÉLVEZETŐ HŐELLENÁLÁSOK (Termisztorok) 1833-ban fedezte fel Michael Faraday, amikor ezüst-szulfid ellenállását vizsgálta a hőmérséklet függvényében. 1930-ban szabadalmaztatta Samuel Ruben, mivel a termisztorok gyártása akkoriban számos nehézségbe ütközött. Anyaguk: Félvezető [Forrás: https://hu.wikipedia.org/wiki/termisztor]

FÉLVEZETŐ HŐELLENÁLÁSOK (Termisztorok) 1.) Negatív Termikus Karakterisztikájú NTK (NTC - Negative Temperature Coefficient) Ellenállása a hőmérséklet emelkedésével csökken. Érzékenységük milliószorosa mint a fémeknél. Anyaguk: Szintereléssel előállított fém oxid (kerámia). Polikristályos szerkezet öregszenek. Mesterséges öregedéssel kondicionálják. Hőmérséklet ellenállás karakterisztikája: R = R e B T B hőmérséklet érzékenységi index: B = T 2T 1 T 2 T 1 ln R 1 R 2 Gyakorlatban: R 1 =R 20, és R 2 =R 100, R 20 = R 100 e 0,04B [Forrás: Halas János: Szenzorok, jegyzet] R = R 1 e B T 1

FÉLVEZETŐ HŐELLENÁLÁSOK (Termisztorok) 2.) Pozitív Termikus Karakterisztikájú PTK (PTC - Pisitive Temperature Coefficient) Ellenállása a hőmérséklet emelkedésével meredeken nő. Karakterisztikája erősen nemlineáris. Anyaga: Polikristályos BaTi, kis mennyiségű fém oxiddal. Működése ferroelektromos hatáson alapul. Alkalmazás: Túlterhelés védelem A hőmérsékleti együttható közelítő számítása: α = lgr 2 lgr 1 T 2 T 1 100% [Forrás: Halas János: Szenzorok, jegyzet]

FÉLVEZETŐ HŐELLENÁLÁSOK (Termisztorok) Kivitele: Tárcsa, gyöngy, felületszerelt (SMD), rúd termisztorok. Előnyei: Kis méret és nagy érzékenység kis testek, kis helyek hőmérséklet mérése. Kis hőkapacitás kis időállandó. Hátrányai: Nagy szórással gyártható, Instabilitás, öregedés, Korlátozott mérési tartomány: -50 C +110 C. Alkalmazása: kompenzációs kapcsolásokban, hőmérséklet-érzékelő, [Forrás: https://hu.wikipedia.org/wiki/termisztor]

R [kω] R (lg) [kω] HŐELLENÁLÁSOK (RESISTANCE TEMPERATURE DETECTORS, RTDS) 50 40 30 20 ITS-90 Pt100 Pt100 PTC NTC 101 NTC 102 NTC 103 NTC 104 NTC 105 Pt1000 100 10 1 10 0-50 0 50 100 150 200 ϑ [ C] 0,1 ITS-90 Pt100 Pt100 PTC NTC 101 NTC 102 NTC 103 NTC 104 NTC 105 Pt1000 0,01-50 0 50 100 150 200 ϑ [ C] [Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/resistance_thermometer]

FÉLVEZETŐ HŐELLENÁLÁSOK (TERJEDÉSI ELLENÁLLÁS ALAPÚ SZILÍCIUM ÉRZÉKELŐ) Anyaga: adalékolt szilícium. Olcsó, planáris technológiával készül. Működési tartomány: -70 130 C Érzékenysége nagy. A hőmérsékleti karakterisztikája: Ha D << d, D árambevezető kontaktus, d a kristály vastagsága, ρ az adalékolt Si fajlagos ellenállása Tapasztalati képlet: α = 7,8 10-3 [1/K] β =18,4 10-6 [1/K] R = ρ(θ) 2D R = R 25 1 + α θ 25 + β θ 25 2 [Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/silicon_bandgap_temperature_sensor]

ELEKTROMOSAN VEZETŐ POLIMEREK A vezető szemcsékkel töltött polimer vezetőképessége függ: A mátrix dielektromos állandójától, A töltőanyag vezetőképességétől, Koncentrációjától, Térbeli eloszlásától, A részecskék alakjától. A vezetőképességet befolyásoló külső tényezők: Hőmérséklet, Alkalmazott frekvencia, Deformációs állapot, Perkolációs küszöb [Enid Keil Sichel] Alagútvezetés [J.G. Simmons] Két szénkorom részecske kapcsolatának helyettesítő modellje [ Enid Keil Sichel] R-2631 szilikongumi fajlagos ellenállásváltozása a frekvencia függvényében.

POLIMER HŐELLENÁLÁSOK Polimer biztosíték Polimer pozitív hőmérsékleti együtthatójú polimer (polymeric positive temperature coefficient device (PPTC, resettable fuse, polyfuse or polyswitch) Gerald Pearson (Bell Labs, 1939), szabadalom: US patent #2,258,958. Passzív elektronikai eszköz. Alkalmazás: elektronikai áramkörök hő / áram védelme. Rugalmas hőmérséklet szenzor mátrix Graphite-Polydimethylsiloxane Composite [Forrás: www.tme.hu, Wen-Pin Shih et al. ]

HŐELEMEK (THERMOCOUPLE) Termoelektromos jelenségek: Seebeck Peltier Seebeck hatás: hőmérsékletkülönbség villamos energiává. 1821, Thomas Johann Seebeck Hőmérséklet különbség hatására veszültség mérhető. Felhasználása: hőmérsékletmérés. Peltier hatás: Villamos energia hőmérsékletkülönbséggé. 1834, Jean Charles Athanase Peltier Villamos áram hatására hőáramlás jön létre. Felhasználása: elektronikai eszközök intenzív hűtése. [Forrás: www.tme.hu; http://www.tckft.hu/news/news_custombuilt.htm]

HŐELEMEK (THERMOCOUPLE) A hőelemek működése a Seebeck hatáson alapszik. Két különböző fém Összehegesztése, összeforrasztása vagy hidegfolyatással történő összekötése adja az un. melegpontot. Szabad végek: hidegpont. A melegpont és a hidegpont hőmérsékletkülönbsége hatására a melegpontban elektromotoros erő ébred, ami feszültséget hoz létre a szabad végek között. A hidegponthoz, mint referenciához képest tudjuk mérni a melegpont hőmérsékletét. Referencia: jeges víz (0 C) (Ice bath), Hidegpont hőmérsékletének mérése (kompenzálása: cold junction compensation). (Felfűtés szabályozott hőmérsékletre). [Forrás: Huba A., Lipovszki, Gy.: Méréselmélet; Lambert M.: Szenzorok; www.hobbielektronika.hu]

HŐELEMEK (THERMOCOUPLE) U T = k (θ θ 0 ) U T a hőelem által létrehozott feszültség, ϑ mérendő hőmérséklet, ϑ 0 referencia hőmérséklet, k hőelem konstans (Seebeck együtható) [Forrás: Huba A., Lipovszki, Gy.: Méréselmélet; Lambert M.: Szenzorok.; www.tme.hu]

HŐELEMEK (THERMOCOUPLE) K típusú termoelem. 200 C +1350 C 41 µv/ C T, Melegpont T 0, Referencia csomópont (hidegpont) hőmérsékletét egy termisztor méri. Fluke CNX T3000. [Forrás: Huba A., Lipovszki, Gy.: Méréselmélet; Lambert M.: Szenzorok.; https://en.wikipedia.org/wiki/thermocouple]

HŐELEMEK (THERMOCOUPLE) Tip. Anyag Hőmérséklet tartomány: Érzékeny -ség E Chromel constantan 50 C +740 C 68 µv/ C J Iron constantan 40 C +750 C 50 µv/ C K Chromel alumel 200 C +1350 C 40 µv/ C N Nicrosil Nisil 270 C +1300 C 39 µv/ C B, R, S platinum / rhodium 50 C +1800 C 10 µv/ C C, D, G Tungsten/rhenium 0 2315 C (3000 C) P, Chromel gold/iron 1.2 300 K (600 K) 15 µv/k Elérhető pontosság: (±0,5), ±1 ±2,5 C [Forrás: Huba A., Lipovszki, Gy.: Méréselmélet; Lambert M.: Szenzorok.; https://en.wikipedia.org/wiki/thermocouple]

HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Szenzor: Hőmérséklet tartomány: Időállandó: Pontosság, Stabilitás: 1th SPRT 2nd SPRT Ipari PRT (+++) 270 1000 C 200 500 C 60 200 C (-) Nagy Néhány s (+++) ±0.001 C ±0.03 C ±1 C Érzékenység (- - -) 0.00385 Ω/(Ω C) Termisztor (-) Kicsi 55 200 C (+) Kicsi 1-10s (3-100ms) (-) Kicsi (±0,1 C) ±0,5 5 % (+++) Nagy ~ 1kΩ/(Ω C) Hőelem (+++) 180 2320 C (+) Kicsi ~ 1s (- - - ) ±1 C ±2,5 C ( ±5 C) (- - -) 15 68 µv/ C [Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/resistance_thermometer]

HŐMÉRSÉKLET INDIKÁTOROK (EGYSZERI HŐFELFUTÁS MÉRÉSÉRE)

HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS PT1000 SZENZORRAL (PÉLDA) T 0 =0 C R 0 =1000 Ω T x =? C R x =1104 Ω T 100 =100 C R 100 =1383 Ω

HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS PT1000 SZENZORRAL (PÉLDA) 0-100 C tartományon linearizált egyenlet: Mért ellenállás értékek: R 0 =1000 Ω θ = R x =1104 Ω R 100 =1383 Ω A szenzor főbb paraméterei (adatlap szerint): α = 0.00385 Ω/(Ω C) Pt1000: 3,85 Ω/ C Hibahatár: ΔT = ± (0,30 + 0,010 T ) A kiszámított hőmérséklet értékek és a becsült hiba: ϑ 0 =(1000/1000-1) /0.00385 = 0,00 C; ΔT= ± 0 C ; R = R 0 (1 + α θ) R R 0 1 ϑ 100 =(1104/1000-1) /0.00385 = 27,01 C; (laborhőmérő: 27,2 C) ϑ 100 =(1383/1000-1) /0.00385 = 99,48 C; ΔT= ± 0,52 C ; α

R [Ω] Hiba [ C] HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS PT1000 SZENZORRAL (PÉLDA) 1500 R lin R R mért Hiba határ Mérési hiba 1,5 1 1000 0,5 500 0-50 0 50 100 150 ϑ [ C] Hogyan lehetne növelni a mérésem pontosságát?

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! BOJTOS Attila BME - MOGI Tanszék bojtos@mogi.bme.hu