Měření teploty Pavel Konečný Modulární systém dalšího vzd ě lávání pedagogických pracovník ů JmK v p ř írodních v ě dách a informatice CZ.1.07/1.3.10/02.0024.

Prezentace na téma: "Měření teploty Pavel Konečný Modulární systém dalšího vzd ě lávání pedagogických pracovník ů JmK v p ř írodních v ě dách a informatice CZ.1.07/1.3.10/02.0024."— Transkript prezentace:

1 Měření teploty Pavel Konečný Modulární systém dalšího vzd ě lávání pedagogických pracovník ů JmK v p ř írodních v ě dách a informatice CZ.1.07/1.3.10/02.0024

2 vnímání teploty lidskými smysly Regulační systém tělesné teploty v Hypothalamu, velmi přesný termostat Teplocitlivé receptory v kůži

3 Rozsah teplot kůže a těla Kůže: 45 C - popáleniny 42 0 C- pálení 40 0 C-nepříjemně horko 25 0 C-nepříjemně chladno 0 0 C-mrazivo -0.6 0 C kůže mrzne. Tělesné jádro 42 0 C fatální následky 41 0 C bezvědomí zmatenost 39.5 0 C horní únosný limit 37 0 C normální teplota 35.5 0 C dolní únosná mez 34.5 0 C extrémní duševní zpomalení, mizí třes 33 0 C bezvědomí <33 0 C hluboké bezvědomí 27 0 C zástava srdeční činnosti Tělesné jádro: obsah dutiny lební, hrudní, břišní a vnitřní část svalstva končetin pramen: prof. Alan Hedge Cornell university

4 měření teploty nepřímá metoda na teplotu usuzujeme z fyzikální veličiny která se mění s teplotou nutná definice dvou teplotních bodů rozdělení rozdílu „teploměrné“ fyzikální veličiny na n dílků

5 Fyzikální projevy teploty 1.Délková roztažnost 2.Objemová roztažnost 3.Závislost tlaku plynu na teplotě (tepelné děje v plynech) 4.Závislost povrchového napětí na teplotě 5.Závislost tlaku sytých par na teplotě 6.Fázové změny 7.Změna elektrického odporu 8.Změna kapacity 9.Závislost šumu na odporu na teplotě 10.Termoelektrický jev 11.Závislost napětí PN přechodu při konst. proudu na teplotě 12.Změna barvy 13.Změna konzistence 14.Záření tělesa

6 Fázových přechody Pevná fáze (led) Kapalná fáze (voda) Plyná fáze (pára) Do 910 C α železo kubické prostorově centrované, nad 910 C do 1388 železo γ kubické plošně centrované ( pokles objemu o 1%), nad 1388 železo δ kubické prostorově centrované. do 768 C železo feromagnetické

7 Tlak sytých par vody jako funkce teploty

8 Závislost povrchového napětí na teplotě

9 1. délková roztažnost Délková roztažnost Objemová roztažnost

10 2. objemová roztažnost Objemová roztažnost

11 Délková teplotní roztažnost α 10 6 K -1 Δt 0 C arsen3.90-100 cesium940-100 hliník23.80-100 křemík7.60-100 měď16.80-100 železo120-100 kysl.křem7.50-100 křem. skl.0.5520-320 zerodur0.020-50 cukr třtin.83

12 tepelné děje v plynech ideální plyn stavová rovnice id plynu reálný plyn aproximace reálného plynu van der Waalsovým plynem R=8.314 JK -1

13 Adiabatická expanze

14 Adiabatická komprese

15 Závislost poměru objemů na poměru tlaků při adiabatické kompresi

16 Adiabatická komprese a expanze

17 Princip bezkontaktního měření teploty Detektor infračerveného/mikrovl nného záření Paprsky infračerveného/- mikrovlnného záření

18 Spektrum kosmického mikrovlnného záření z družice COBE

19

20 teploměry příklad: elektrický odpor, kovů (platinový teploměr, niklový teploměr atd. Cu teploměr ) tlak objem (rtuť,toluol, pentan, etanol) napětí na PN přechodu

21 platinový teploměr rozsah od 13,8033 K do 961,8 C je definován rovnicemi pro platinový odporový teploměr platinové snímače teploty

22 rtuťový teploměr teplotní objemová roztažnost rtuti délková roztažnost skla rozsah -38,350 C 350-600 C chyba+/-0,1C, citlivost 1/1000 C t C020406080100300 b. 10 3 /K 0.18140,18160,18180,18200,18220,18250,1868

23 keramický kondensátor. * C0G or NP0: typically 1 pF to 0.1 µF, 5%. High tolerance and good temperature performance. Larger and more expensive. * X7R: typically 100 pF to 22 µF, 10%. Good for non- critical coupling, timing applications. Subject to microphonics. Temperature up to 125°C * X8R: typically 100 pF to 10 µF, 25-100v, 5-10%. Good for high temperature up to 150°C * Z5U or 2E6: typically 1 nF to 10 µF, 20%. Good for bypass, coupling applications. Low price and small size. Subject to microphonics. * Ceramic chip: 1% accurate, values up to about 1 µF, typically made from Lead zirconate titanate (PZT) ferroelectric ceramic

24 Y5V dielectric composition United States Patent 5604167 Ceramic Piezoelectric A barium titanate host material (Bax Cay), (Tiz Snw)O3 including a small amount of PbO (approximately 0-2.0 wt. %) is doped with small amounts of a lead boro alumino silicate frit, and one or more of boric acid and the oxides of La, Zn, Cu, Nb, Mn and Y, thereby resulting in a dielectric ceramic composition particularly suitable for making low fired multilayered capacitors exhibiting Y5V characteristics and high dielectric constants in the range of 11,000 to 14,000.

25 Critical Specifications MaterialDielectric Constant% Capacitance ChangeDF NP015-100< 0.4% (-55 to 125C)0.1% X7R2000-4000+/-15% (-55 to 125C)3.5% Y5V>16000Up to 82% (-30 to 85C)9%

26 keramické kondenzátory

27

28 časovač 555 http://www.williamson -labs.com/pu-aa-555- timer_med.htmhttp://www.williamson -labs.com/pu-aa-555- timer_med.htm

29 závislost frekvence na změně kapacity

30 ? měli bysme šance změřit změnu bodu varu vody (kapalného dusíku) se změnou výšky o 1 m?

31 1změna bodu varu s výškou

32 Clausius Clapeyronova rovnice

33

34 změna teploty varu vody s tlakem změna tlaku na jeden metr výšky

35 změna teploty varu dusíku s tlakem změna tlaku na jeden metr výšky

36 Fyzikální vlastnosti dusíku při atmosférickém tlaku 101325 Pa Bod varu -195,8 C Bod tání -210,0 C Hustota kapaliny při bodu varu 0,8086 g/cm 3 Hustota plynné fáze při bodu varu 4,614 kg/m 3 Poměr objemu plynu při 15 o C ku objemu kapaliny při bodu varu je 691 Skupenské teplo výparné 198,38 kJ/kg Koncentrace ve vzduchu 78,08% objem.

37

38 relativní změna kapacity s teplotou relativní změna kapacity s teplotou je cca 1/100 K -1 při 80 C změně teploty 1 mK odpovídá relativní změna kapacity 1 10 -5 změna frekvence je tedy 10 ppm K -1

39 frekvence časovače 555 s kondenzátorem v LN 2 jako fce změny tlaku sytých par nad LN 2

40 napětí BE NPN tranzistoru v LN 2 jako fce změny tlaku sytých par nad LN 2

41 frekvence časovače s kondenzátorem v LN 2 jako fce napětí BE NPN tranzistoru v LN 2 při změně tlaku sytých par nad LN 2

42 napětí BE NPN tranzistoru v LN 2 při změně tlaku sytých par nad LN 2 jako fce změny teploty

43 frekvence časovače 555 s kondenzátorem v LN 2 jako fce změny teploty při změně tlaku sytých par nad LN 2

44 relativní změna frekvence časovače 555 s kondenzátorem v LN 2 jako fce změny teploty při změně tlaku sytých par nad LN 2

45 Polovodičové monokrystalické senzory teploty nevlastní polovodič typu n, tj. s dominantní elektronovou vodivostí Teplotní závislost je dána teplotní závislostí pohyblivosti volných nosičů podobně jako u kovů.

46 silicon temperature sensor KTY84-130

47 KTY84-130 chybové pole

48 KTY84-130 odpor jako funkce teploty a proudu

49 KTY84-130 bezpečné proudové ztížení jako fce teploty

50 silicon temperature sensor KTY83-122

51

52

53

54 TMP36GT9Z Nízkonapěťový (2,7 -5,5 V) snímač teploty kalibrovaný v °C, 10mV/K, +/- 2% teplotní rozsah-40°C to 125°C, max 150 C linearita ±0,5°C, pouzdro TO92 cena 32 kč.

55

56

57

58

59