Ústav technických zařízení budov MĚŘENÍ A REGULACE Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2003/2004 5

Měření teplot a tepelně-technických veličin OBSAH měření teploty rozdělení snímačů teploty charakteristické vlastnosti snímačů teploty představitele typů snímačů teploty zařazení snímače teploty do technologie zapojení snímačů teploty měření odběru tepla

Měření teplot a tepelně-technických veličin Měření teploty Teplota je stavová veličina s rozlišením intenzity a intervalu – v podstatě je mírou pohybové energie molekul, atomů, … - základními vztahy jsou: stavová rovnice ideálního plynu p * V = R p * T kde:p … tlak plynu V … objem R p … universální plynová konst. (8,3144 [J/mol*K] T … absolutní teplota -273,15 o C

Měření teplot a tepelně-technických veličin Rozdělení snímačů teploty dilatační (sklo*kov, dvojkov) odporové termoelektrické emisivní - radiační (pyrometry jasové, pyrometry barvové, pásmové, termovize) speciální (krystalové, tekuté krystaly, teploměrné barvy) dotykové bezdotykové analogový výstup digitální (číslicový) výstup

Měření teplot a tepelně-technických veličin Dilatační - délkové využívají objemovou nebo délkovou roztažnost vhodné pro indikační měření (obvykle do 180 o C- jako hlídače mezních hodnot – ve dvoupolohových regulačních obvodech trubka * materiál s velkou tepelnou roztažností (mosaz, měď, hliník, ocel) + uvnitř tyč * s malou tepelnou roztažností (ocel invar) – měřená teplota odpovídá vzájemnému délkovému posunu – elektrický kontakt typu spínač případně lineární snímač polohy dva kovy s malou a velkou tepelnou roztažností naplátované na sobě

Měření teplot a tepelně-technických veličin Dilatační - objemové kapilární trubka s kapalinou mající velkou tepelnou objemovou roztažnost – jeden konec (v určitých případech může být zároveň vstupem dilatující kapaliny, pokud je měřicí konec mimo přístroj), který je koncem měřicím – druhý upevněný konec spojený s ukazatelem hodnoty schematický obr.

Měření teplot a tepelně-technických veličin Odporové Základní rovnice: R = R 0 * [ 1 + α * (ν – ν 0 ) ] kde:R 0 … (základní) odpor při teplotě 0 o C α … teplotní součinitel odporu α = (R 100 – R 0 ) / 100 * R 0 ν, ν 0 … teploty Použité materiály: Pt, Ni, Cr, CrNi, RnPt, vyjímečně Cu, polovodič, …

Měření teplot a tepelně-technických veličin Odporové Pracovní rozsah – podle materiálu od –200 o C až do 3000 o C (i více) – ne však v širokém rozsahu – teploty jsou v závislosti na materiálu čidla i na materiálech konstrukce snímače – (asi) nejpoužívanější typy snímačů jak v měření tak v regulačních obvodech – dynamicky dosti rychlé (odezvy řádově msec) Použití – podle povrchových materiálů = kdekoliv Nutno využít celou délku pro ponoření do měřeného média – jinak měří NAPROSTO špatně Závislé na materiálu spojovacích vodičů (zapojení 2 nebo 3 vodičové) a jeho teplotní závislosti

Měření teplot a tepelně-technických veličin Odporové - polovodičové polykrystalické – termistory = negistory (záporný teplotní koeficient - NTC) ** posistory (kladný teplotní koeficient - PTC) - materiálem je keramická hmota s definovanými odporovými vlastnostmi (kysličníky kovů – MnO, CoO, …) monokrystalické – diody a tranzistory = bez „p-n“ přechodu (krystal Ge, Si) ** s „p-n“ přechodem (využívají: teplotní závislosti změny „závěrného“ napětí U AK nebo U BE na p-n nebo n-p přechodu ) - citlivost pro Si je 2,25 mV / o K Odporovou závislost přechodu - citlivost pro Si je 0,7 % R přechodu / 1 o K

Měření teplot a tepelně-technických veličin Termistory Negastory (záporný teplotní koeficient - NTC) Posistory (kladný teplotní koeficient - PTC) Monokrystalické (krystal Ge, Si) Keramická hmota s definovanými odporovými vlastnostmi Čidlem je „perlička“ daného materiálu – tvar koule nebo čočky - velikost 78 až 1000 μm U starších provedení jako váleček – ø 0,5 (2) *2 (10) mm

Měření teplot a tepelně-technických veličin Termistory Běžné měření teplot cca od –100 o C až do 200 (300) o C Stálost zaručena zatavením termistorové perličky do skla – umožňují skutečně bodové měření Běžná zaměnitelnost pro teploty -80 o C až +75 (100) o C - chyba do ± 0,10 o C Dnešní provedení konkuruje klasickým odporovým čidlům – např. konstruovaným na bázi Pt

Měření teplot a tepelně-technických veličin Termistory Odpor pro teplotu T je dán vztahem: R = R 0 * ( 1 + α * Δ T), pro α = - ( B / T ) přesněji: R = R 0 * e (exp [B * (1/T – 1/T 0 )]) pro polovodičové termistory je vhodnější: ln R = A 0 + B 0 /T + C 0 /T 2 + D 0 /T3 kde:α … teplotní součinitel odporu B … materiálová konstanta A 0 B 0 C 0 D … teplotní parametry polovodiče

Měření teplot a tepelně-technických veličin Odporové termistory Keramická polykrystalická hmota s definovanými odporovými vlastnostmi (kysličníky kovů ) Rozměrově podobné běžným elektronickým součástkám Polovodičový krystal s klasickým polovodičovým „p-n“ nebo „n-p“ přechodem (dioda) Citlivost odporové závislosti přechodu - pro Si je 0,7 % R přechodu / 1 o K (tj. desítky až stovky Ohmů)

Měření teplot a tepelně-technických veličin Odporové - termistory NTC odpor v závislosti na teplotě klesá – obvykle pro nižší teploty strměji – vždy nelineární průběh funkce odporu na teplotě – je více ovlivňován proudem procházejícím čidlem (podle typu a způsobu zapojení) materiálem kysličníky: Fe 2 O 3, TiO 2, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO vyrábí se odpory od 0,1 Ohmu do MOhmů rozsah teplot cca od –20 o C až do 200 o C (lze výrobně dosáhnout rozsah od –200 do 600 o C)

Měření teplot a tepelně-technických veličin Odporové - termistory NTC odpor v závislosti na teplotě klesá – obvykle pro nižší teploty strměji – vždy nelineární průběh funkce odporu na teplotě – je více ovlivňován proudem procházejícím čidlem (podle typu a způsobu zapojení) materiálem kysličníky: Fe 2 O 3, TiO 2, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO vyrábí se odpory od 0,1 Ohmu do MOhmů rozsah teplot cca od –20 o C až do 200 o C (obvykle lze dosáhnout rozsah od –200 do 600 o C) odpor pro teplotu T je dán vztahem: R = R 0 * ( 1 + α * Δ T), pro α = - ( B / T )

Měření teplot a tepelně-technických veličin Odporové - termistory PTC odpor v závislosti na teplotě stoupá – obvykle pro vyšší teploty strměji (pro nízké teploty někdy i trochu klesá) – vždy nelineární průběh funkce odporu na teplotě – je více ovlivňován proudem procházejícím čidlem (podle typu a způsobu zapojení) materiálem kysličníky: obvykle BaTiO 2 vyrábí se odpory od 0,1 Ohmu do MOhmů rozsah teplot cca od –20 o C až do 400 o C (obvykle lze dosáhnout rozsah od –200 do 1000 o C)

Měření teplot a tepelně-technických veličin Odporové - termistory PTC odpor v závislosti na teplotě stoupá – obvykle pro vyšší teploty strměji (pro nízké teploty někdy i trochu klesá) – vždy nelineární průběh funkce odporu na teplotě – je více ovlivňován proudem procházejícím čidlem (podle typu a způsobu zapojení) materiálem kysličníky: obvykle BaTiO 2 vyrábí se odpory od 0,1 Ohmu do MOhmů rozsah teplot cca od –20 o C až do 400 o C (obvykle lze dosáhnout rozsah od –200 do 1000 o C) odpor pro teplotu T je dán vztahem: R = R 0 * ( 1 + α * Δ T), pro α = - ( B / T )

Měření teplot a tepelně-technických veličin Polovodičové termistory Monokrystal Ge, Si Přechod „p-n“ nebo „n-p“ - diody a tranzistory - využívají teplotní závislosti změny „závěrného“ napětí U AK nebo U BE na přechodu - citlivost pro Si je 2,25 mV / o K

Měření teplot a tepelně-technických veličin Tlustovrstvé termistory Velice levné a spolehlivé prvky pro dotyková měření teplot v průmyslu (v technologiích, v automobilech, v telekomu- nikacích aj.), ale i v lékařských aplikacích (!) Mají celkovou ribusnost, malé rozměry, vysokou, mecha- nickou, chemickou odolnost a tepelnou přetížitelnost Nevynikají vysokou přesností, ale pro běžné (nelaboratorní) aplikace je dostačující (1% běžně) Jsou velice rychlé – dotyk je celou plochou čidla

Měření teplot a tepelně-technických veličin Tlustovrstvé termistory Na nosný substrát (podklad – velmi často sklo, oxid Al aj.) jsou naneseny a vypáleny speciální pasty (směsi oxidů kovů a pojiv) - pak jsou překryty ochranou vrstvou a zapouzdřeny) Vhodné pro teploty – 50 až (300) o C ± 0,2 o C - s téměř lineární závislostí odporu na teplotě (pod 1%) Existují v provedení: NTC s koeficientem α = -0,5 až -10 * K -1 - vyrábí se odpory od 30 Ohmů do cca 1 MOhmu – horší linearita PTC s koeficientem α = +1až +5 * K -1 - v yrábí se odpory od 10 Ohmů do cca 10 kOhmu

Měření teplot a tepelně-technických veličin Tlustovrstvé odporové teploměry (RTD) Charakterizovány tenkou dlouhou a různě tvarovanou linkou ze speciální pasty – NTC i PTC – s velmi dobrou linearitou – s teplotním součinitelem α = -3(7) * K -1 - vyrábí se odpory od 0,5 Ohmu do cca 10 Ohmů – pro rozsah teploty od - 50 až do o C ± 0,1 o C Díky vysoké tepelné odolnosti mohou zároveň fungovat i jako vytápěcí prvky (se speciálním ovládáním) Pro větší fyzické rozměry je nevýhodou samozahřívání a pomalejší odezva

Měření teplot a tepelně-technických veličin Tlustovrstvé termočlánky Charakterizovány dvěma vrstvami z různých speciálních past (obvykle jedna je vodivá a druhá odporová) Rozsah teplot od - 50 až do o C ± 1 (10) o C Teplotní citlivost 10 až 20 μV/K Mají malou časovou odezvu – jsou odolné a robustní – nepotřebují externí napájení – velice levné varianty pro orientační měření Nevýhodou je vyšší míra šumu a nutnost integrovaného zesilovače – nejsou moc lineární – nutní instalace kompenzace studeného konce

Měření teplot a tepelně-technických veličin Termoelektrické (termočlánky) schematický obr. Principem je vznikající termo-napětí na styku dvou prvků (obvykle kovů, ale i polovodičů s různým obsahem přísad ** elektricky spojených – mechanicky svařených, u polovodičů leptaných a dotovaných ) – tzv. termo- elektrického termočlánku U t = (α 1 – α 2 ) * (υ M – υ S ) + (β 1 – β 2 ) * (υ M – υ S ) kde:α, β … teplotní materiálové konstanty υ M … teplota na měřicím konci υ S … teplota srovnávacího (studeného) konce

Měření teplot a tepelně-technických veličin Termoelektrické Provedení v praxi je teplotně závislé na použitých konstrukčních materiálech a na materiálech kompenzačního i u spojovacího vedení – odpor vedení mezi koncem dvojkovu tvořícího čidlo a měřicím přístrojem (případně včetně jeho vstupního obvodu) musí mít konstantní hodnotu R = 20 Ohmů (proto je k v zapojení regulační prvek pro přesné dostavené této hodnoty Problém může být i srovnávací konec, jehož teplota nesmí kolísat ! Při teplotě absolutní 0 o K termoelektrický jev zaniká.

Měření teplot a tepelně-technických veličin Termoelektrické - materiály a vlastnosti Typprvek teplot.rozsah [ o C] termoel. napětí [mV/] TCu-Ko -200 až 350 (400) -5,60 až 17,816 JFe-Ko -200 až 750 (1000).. až 42,825 Kch-a -50 (-200) až 1150 (1350) -5,97 až 50,633 SPtRh 10 -Pt 0 (-20) až 1400 (1600) 0 až 17,973 B PtRh 30 -Pt 500 (0) až až 12,426 Ech – k -50 (-200) až 600 (1000) -8,824 až 68,783 NNiCrSi-NiSi 0 (-270) až ,434 až 47,502 ko … konstantan (spec. odporová slitina na bázi Ni a Cu) ** ch … chromel ** a … alumel ** k … kapet

Měření teplot a tepelně-technických veličin Termoelektrické - zapojení Měřicím přístrojem musí být citlivý milivoltmetr s velmi nízkou hodnotou vstupního šumu a s dobrou teplotní nezávislostí Výhodné jsou metody kompenzačního zapojení – využívají konstantní kompenzační odpor připojený paralelně ke vstupu měřicího přístroje (a tedy i měřicího čidla) obr. zapojení

Měření teplot a tepelně-technických veličin Emisivní / radiační - pyrometry Principem je snímání záření tělesa – každé těleso vyzařuje v určitém frekvenčním spektru - hodnota spektrální zářivosti : E λ = dE / dλ pro E … celkovou zářivost λ … vlnová délka (čím > abs. Teplota, tím < λ ) Srovnávací „nulou“ je vyzařování absolutně černého tělesa (platinová černá) - má poměrnou pohltivost A λ = 1 (např. leštěný Al má A λ = 0,05, zlato A λ = 0,02, struska A λ = až 0,97) Měření je vždy závislé na hodnotě emisivity ε, která je pro každý materiál (vyzařující materiálový povrch) různá

Měření teplot a tepelně-technických veličin Emisivní / radiační - pyrometry Sledují množství celkově vyzářené energie - vyhřívá v pyrometru měrné tělísko a jeho teplota se měří a indikuje Nevýhodou je závislost na optice a jejím snímacím úhlu Rušivě působí tepelná emisivita od odražených tepelných paprsků jiných zdrojů (např. od slunce či jiného tepelného zdroje)

Měření teplot a tepelně-technických veličin Optické vláknové Využívají vlastnosti optických vláken při přenosu záření diody GeAs –dva principy: * změna teploty ovlivňuje absorpci a mění přenášené spektrum * změna teploty ovlivňuje úbytek intenzity fluorescence Rozsah teplot od – 40 (-50) do +250 (400) o C ± 1 až 2 o C Krátká časová odezva čidla (cca 0,1 sec) Použití od průmyslu přes automobily a letadla a lékařské aplikace až do laboratorních podmínek Lze určit teplotu podél vlákna délky 30 km v rozmezí do ± 1 m

Měření teplot a tepelně-technických veličin Teplotní stupnice V historii od cca 1630 (K. Schott) - je snaha stanovit cejchovní zdroje teplot – které jsou stálé a nemění se Prvním bodem byla stanovena teplota tání ledu (R. Boyle 1664) a následně bod varu (Ch. Huygens 1665) i s faktem, že tato závisí na tlaku vzduchu. První praktická stupnice - D. G. Fahrenheit (1714) – lihový teploměr s nulou jako teplotou ledu, +4 o teplota tání ledu, +12 o jako teplota zdravého lidského těla. Od roku rtuťové teploměry s dělením podrobnějším (100 dílků = takže bod tání bylo + 32 o, teplota těla +96 o a var vody +212 o V Evropě 1740 R. deRémur - teplota tání ledu jako 0 o a teplota varu lihu jako 80 o

Měření teplot a tepelně-technických veličin Teplotní stupnice Následuje švédský matematik a geodet A. Celsius 1742 – dnešní stupnice a její dělení Roku 1852 lord Kelvin v rámci studia a rozvoje termody- namiky (pomocí II. termodynamické věty jednající o přeměně tepla v práci) zavedl dělení začínající absolutní teplotou = 0 o K což odpovídá – 215,7… o C

Měření teplot a tepelně-technických veličin Teplotní stupnice Primární etalonová stupnice pro teploty Tvořena tabulkou prvků s teplotně konstantními hodnotami Je mezinárodně platná a respektovaná - v současné době platí úprava ITS-90 (z roku 1990) Dnes má definované body od 0 (0,5) o K do 3387 (6000) o K - vybraní reprezentanti bodů teplotní stupnice: vodík - 259,3467kyslík - 218,7916 rtuť - 38,8344voda 0,01 indium + 156,5985zinek + 419,527 hliník + 660,323kobalt iridium wolfram

OK - MĚŘENÍ TEPLOTY Dynamika v měření teploty