FIZYCZNE PODSTAWY SENSORYKI 4 Sensory do pomiaru temperatury.

Program: 4.Jednostki, podział widma fal elektromagnetycznych 5.Dokładność – przykłady 6.Cieczowe, bimetaliczne, termopary 13.Błędy instalacyjne - systematyczne 14.Scalone czujniki temperatury 19.Promieniowanie podczerwone 22.Budowa termoelektrycznego czujnika promieniowania 28.Czujniki piroelektryczne 36.Producenci

Literatura: 1.Michalski L., Termometria przyrządy i metody, Politechnika Łódzka 1998, 2.Rylski A., Sensor strumienia ciepła z przetwornikiem tensometrycznym, materiały VI Międzynarodowego Seminarium Naukowego Rzeszów,1998, Metody i technika przetwarzania sygnałów w pomiarach fizycznych.str Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej Rzeszów 1998r 3.FLIR SYSTEMS, kamery termowizyjne, karty reklamowe, Texecom, Piroelektryczne systemy zabezpieczeń, karty reklamowe, Raytek, kamery termowizyjne, karty reklamowe, 2003

Zero absolutnePunkt topnienia loduPunkt wrzenia wody Jednostki temperatury, podział widma fal elektromagnetycznych

Dokładność – przykłady  1°C,  2K  0,5% wz (wartości zakresu)  0,1% wm (wartości mierzonej)

Termometry cieczowe ZakresDokładność -200,00 do 0,00°C 0,22°C (0,11% zakresu) -56,00 do 0,00°C 0,01°C 0,00 do 100,000,02°C 315,00 do 510,00°C 0,44°C Temperatury stosowania w termometrach cieczowych Temperatura minimalnaTemperatura maksymalna Rtęć-39°C528°C Xylen-40°C400°C Alkohol-46°C150°C

Termometry cieczowe KapilaraRurka Bańka Obudowa Skala Rurka Bourdona Bańka Obudowa Bimetal Gdzie V 1 : wartość w momencie T 1 V 2 : wartość w momencie T 2  : współczynnik rozszerzalności [K -1 ] Kapilara Obudowa Rurka Bourdona Para nasycona Ciecz Ciecz pośrednicząca

Termometry bimetaliczne W którym  : promień krzywej t: całkowita grubość paska (praktycznie 12  m<t<3,5mm) n: stosunek modułów elastyczności E B / E A m: stosunek grubości t B / t A T 2 – T 1 : zmiana temperatury ZakresDokładność 0 tot 50°C0,5°C 0 tot 100°C1°C -10 tot 110°C1°C 0 tot 200°C2°C 0 tot 300°C5°C 100 tot 500°C5°C Membrana Belka Kształt U Rurka Bourdona Rurka spiralna

Termopary Termopara WoltomierzAmperomierz Gdzie: dE = generowane napięcie [V] dT = różnica temperatur [K]  = współczynnik Thomson’a [V/°C] np.: Cu 2,2  V/°C Fe –8,4  V/°C Napięcie Thomson’a Efekt Peltier’a Efekt Seebeck’a

Prawa termoelektryczne Rys. Pierwsze prawo termoelektryczneRys. Drugie prawo termoelektryczne Rys. Trzecie prawo termoelektryczne Rys. Czwarte prawo termoelektryczne Rys. Piąte prawo termoelektryczne

Blok izolacyjny Lut Woltomierz Rysunek Realizacja pomiaru przy użyciu termopary. Na pię cie Se ebe ck’a Temperatura o C Rysunek Współczynniki Seebeck’a Temperatura o C Mil iw olt Rysunek Napięcie w funkcji temperatury Izotermiczny blok izolacyjny mikro procesor Rys. Kompensacja programowa Realizacja pomiaru przy użyciu termopary

Rys. Kompensacja sprzętowa Realizacja pomiaru przy użyciu termopary

Błędy instalacyjne - systematyczne Ciśnienie 2 bar Izolacja Nadlew PozycjaOdczyt [°C]Błąd pomiarowy [°C] A34145 B3860 C3851 D3842 E37115

Scalony czujnik temperatury - z wyjściowym sygnałem analogowy(TMP01) - z wyjściowym sygnałem cyfrowym(AD7814) Zakres pomiarowy układu TMP01 Obejmuje przedział temperatury od -55ºC do +125ºC Błąd czujnika Zależy od podzakresu temperatury oraz od warunków obciążenia układu i wynosi od ± 0,5ºC do ±2,5ºC. Napięcie referencyjne jest to napięcie generowane wewnątrz układu wynosi +2,5V

Scalony czujnik temperatury TMP01 z wyjściem analogowym w układzie dwustanowego regulatora temperatury (firmy Analog Devices)

Obliczenia typowych wartości czujnika Napięcie na wyjściu analogowym układu: Określa zależność Uwy = 5mV/K * Tx [K], co dla temperatury nominalnej Tx=25ºC=298K daje nominalną wartość napięcia wyjściowego 1,490V. Sygnały programujące górną i dolną temperaturę Dla komparatora okienkowego są ustalane za pomocą rezystorów R1,R2,R3 dołączanych zewnętrznie; Wartości rezystorów oblicza się dla żądanych progów TH i TL oraz założonej histerezy komparatora THis.

Scalony cyfrowy czujnik temperatury AD7814 w połączeniu z mikroprocesorem (produkcji Analog Devices)

Opis wyprowadzeń czujnika Układ scalony AD7814 w obudowie miniaturowej typu SOT23 ma 6 wyprowadzeń: DOUT( ang. data output ) dostępne są szeregowo bity słowa wyjściowego( 10 bitów) z zakodowaną wartością mierzonej temperatury. Bity te są podawane w takt impulsów sygnału zegarowego doprowadzonego do wyprowadzenia SCLK. SCLK (ang. Serial clock input). CS (ang. chip select) służy do wybrania określonego czujnika, DIN (ang. data input). można szeregowo wprowadzić dane do rejestru sterującego układem.

Promieniowanie podczerwone Promieniowanie podczerwone zostało odkryte w 1800 roku przez angielskiego astronoma J.F. Herschela. Gdy Hertz odkrył fale elektromagnetyczne w 19-stym stuleciu krok do termografii był łatwy do zrobienia, Od 1960 ta technika jest używana także do przepowiadania pogody, zwalczania ognia, szukania zaginionych osób przy pomocy helikoptera itd. Rys. Rozszczepienie w pryzmacie strumienia światła białego

Właściwości promieniowania podczerwonego Prawo Planck’a pozwala na obliczenie intensywności emisji W ciała czarnego: W : spektralna intensywność radiacji [Watt/cm2. µm] C1: 37,413 [(Watt. µm4)/cm2] C2: 14,388 [µm.K] : długość fali promieniowania [µm] T: temperatura absolutna [K]

Właściwości ośrodka i budowa pirometru z termoelementem Pomiar całkowitego promieniowania: Pomiary w standardowym paśmie: 500 a 1000 nm. Środkowo-przepustowe

Budowa termoelektrycznego czujnika promieniowania a) układ pomiarowy termostosu, b) usytuowanie termostosu w obudowie, c) ogólny widok czujnika.

Czujnik podczerwieni wykonany w technologii cienkowarstwowej z elementami technologii CMOS.

Rys. Schemat blokowy piroelektrycznego czujnika temperatury Budowa pirometru z termoelementem

Rodzaj materiałuwartość współczynnika emisyjności azbest0.95 asfalt0.95 bazalt0.7 karborund0.9 ceramika0.95 glina0.95 żwir0.95 gips woda0.93 drewno gleba śnieg0.9 plastik0.95 papier0,95 wapno0.98 Pirometr Raytek PM3

Pirometr MID SPECYFIKACJA POMIAROWA Zakres spektralny: LT: 8..14mm, G5: 5mm, MTB: 3,5..4mm Zakres pomiarowy LT:  C G5:  CMTB:  C Rozdzielczość optyczna: 2:1 lub 10:1G5 i MTB tylko 10:1 Dokładność: ±1% wartości mierzonej lub ±1ºC Powtarzalność: ±0,5% wartości mierzonej lub ±0,5ºC Wpływ temperatury otoczenia: 0,15K/  K 0,05K/  K dla modeli MIC Czas odpowiedzi 150 ms Emisyjność 0,100..1,00 co 0,001

Przenośna, niechłodzona kamera termowizyjna z kolorowym wyświetlaczem LCD CECHY CHARAKTERYSTYCZNE: - kamera nie wymaga chłodzenia ciekłym azotem - dokładny obraz dzięki macierzy 320x240 detektorów - częstotliwość odświeżania: 30 obrazów na sekundę - wbudowany wyświetlacz kolorowy 5” - karta pamięci mini PCMCIA na 50 termogramów i komentarz słowny - wysoka rozdzielczość termiczna – 0,1  C - dostępne dwa różne obiektywy - wyjście wideo PAL/NTSC - niewielka masa i wymiary - dwa modele o różnych zakresach pomiarowych - mały pobór mocy - proste w obsłudze oprogramowanie pod Windows - różnorodność wbudowanych funkcji analizy obrazu Metody pomiaru rozkładu temperatury na powierzchni obiektów

Przetworniki piroelektryczne Obecnie znanych jest ok. 300 związków i ok stałych roztworów ferroelektrycznych. Najbardziej rozpowszechnionym materiałem na detektory piroelektryczne jest siarczan trójglicyny (NH 2 CH 2 COOH) 3 * H 2 SO 4, którego temperatura Curie wynosi 49ºC. Padając na powierzchnię ferroelektryka strumień promieniowania ogrzewa kryształ, powodując zmianę polaryzacji i przenikalności elektrycznej, czemu towarzyszy impuls prądu. Po ustaleniu się temperatury ładunki elektryczne znikają. Największe zmiany polaryzacji występują w pobliżu temperatury Curie i wtedy czułość czujnika jest największa, wadą jego jest konieczność detekcji w układzie pomiarowym zmian bardzo małych ładunków elektrycznych, co narzuca konieczność stosowania wzmacniaczy o bardzo dużej rezystancji wejściowej.

Schemat ideowy detektora ruchu z przetwornikiem piroelektrycznym

Płyta czołowa Tylny panel Widok zewnętrzny termometru piroelektrycznego

Widok wewnątrz obudowy:

Wyniki pomiarowe

Po podstawieniu otrzymujemy następujące wyrażenie: y = 1,6x – 50,9 Współczynniki regresji liniowej oblicza się ze wzorów

Tabela wartości funkcji aproksymującej

Zależność temperatury od napięcia termometru RH-1 wraz z liniową charakterystyką aproksymującą

Producenci: TERMOAPARATURA Wrocław Czujniki rezystancyjne Czujniki termoelektryczne Czujniki termoelektryczne płaszczowe Przewody kompensacyjne i druty termoparowe Złącza

Producenci