Miernictwo przemysłowe 9 Wyspecjalizowane przetworniki temperatury, detektory podczerwieni zastosowanie 2h.

Program: Jednostki, podział widma fal elektromagnetycznych Cieczowe, bimetaliczne, termopary Scalone czujniki temperatury Czujniki piroelektryczne termometry światłowodowe Pirometry na przykładzie pirometru radiacyjnego Raytek PM3 Pirometry fotoelektryczne, charakterystyki spektralne Metody pomiaru rozkładu temperatury na powierzchni obiektów Przetworniki CCD Zakłócenia toru w pomiarach pirometrami Sensor do pomiaru strumienia ciepła z przetwornikiem tensometrycznym

Literatura: Michalski L., Termometria przyrządy i metody, Politechnika Łódzka 1998, Rylski A., Sensor strumienia ciepła z przetwornikiem tensometrycznym, materiały VI Międzynarodowego Seminarium Naukowego Rzeszów,1998, Metody i technika przetwarzania sygnałów w pomiarach fizycznych.str.126-130 Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej Rzeszów 1998r FLIR SYSTEMS , kamery termowizyjne, karty reklamowe, 2003 Texecom, Piroelektryczne systemy zabezpieczeń, karty reklamowe, 2003 Raytek, kamery termowizyjne, karty reklamowe, 2003

Jednostki temperatury, podział widma fal elektromagnetycznych Zero absolutne Punkt topnienia lodu Punkt wrzenia wody

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

Termometry cieczowe Zakres Dokładność -200,00 do 0,00°C 0,22°C (0,11% zakresu) -56,00 do 0,00°C 0,01°C 0,00 do 100,00 0,02°C 315,00 do 510,00°C 0,44°C Temperatury stosowania w termometrach cieczowych Temperatura minimalna Temperatura maksymalna Rtęć -39°C 528°C Xylen -40°C 400°C Alkohol -46°C 150°C

Termometry cieczowe Gdzie V1: wartość w momencie T1 Skala Rurka Bourdona Bańka Obudowa Bimetal Termometry cieczowe Kapilara Rurka Bańka Obudowa Kapilara Obudowa Rurka Bourdona Para nasycona Ciecz Ciecz pośrednicząca Gdzie V1: wartość w momencie T1 V2: wartość w momencie T2 : współczynnik rozszerzalności [K-1]

Termometry bimetaliczne Membrana Belka Kształt U Rurka Bourdona Rurka spiralna Zakres Dokładność 0 tot 50°C 0,5°C 0 tot 100°C 1°C -10 tot 110°C 0 tot 200°C 2°C 0 tot 300°C 5°C 100 tot 500°C W którym : promień krzywej t: całkowita grubość paska (praktycznie 12m<t<3,5mm) n: stosunek modułów elastyczności EB / EA m: stosunek grubości tB / tA T2 – T1: zmiana temperatury

Napięcie Thomson’a Efekt Peltier’a Efekt Seebeck’a Termopary Gdzie: Termopara Woltomierz Amperomierz 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

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

Realizacja pomiaru przy użyciu termopary Napięcie Seebeck’a Temperatura oC Realizacja pomiaru przy użyciu termopary Blok izolacyjny Lut Woltomierz Rysunek 8.26. Współczynniki Seebeck’a Temperatura oC Miliwolt Rysunek 8.25. Realizacja pomiaru przy użyciu termopary. Izotermiczny blok izolacyjny mikro procesor Rys. Kompensacja programowa Rysunek 8.27. Napięcie w funkcji temperatury

Realizacja pomiaru przy użyciu termopary Rys. Kompensacja sprzętowa

Instalacyjne błędy systematyczne Ciśnienie 2 bar Izolacja Nadlew Pozycja Odczyt [°C] Błąd pomiarowy [°C] A 341 45 B 386 C 385 1 D 384 2 E 371 15

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.

Odkrycie promieniowania podczerwonego 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

Promieniowanie podczerwone Obecnie znanych jest ok. 300 związków i ok. 1500 stałych roztworów ferroelektrycznych. Najbardziej rozpowszechnionym materiałem na detektory piroelektryczne jest siarczan trójglicyny (NH2CH2COOH)3 * H2SO4, 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.

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.

Budowa pirometru z termoelementem Rys. Schemat blokowy piroelektrycznego czujnika temperatury

wartość współczynnika emisyjności Pirometr Raytek PM3 Rodzaj materiału wartość współczynnika emisyjności azbest 0.95 asfalt bazalt 0.7 karborund 0.9 ceramika glina żwir gips 0.8-0.95 woda 0.93 drewno 0.9-0.95 gleba 0.9-0.98 śnieg plastik papier 0,95 wapno 0.98

Pirometr MID SPECYFIKACJA POMIAROWA Zakres spektralny: LT: 8..14mm, G5: 5mm, MTB: 3,5..4mm Zakres pomiarowy LT: -40..600C G5: 150..850 CMTB: 200..1200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

Metody pomiaru rozkładu temperatury na powierzchni obiektów 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

Schemat ideowy detektora ruchu z przetwornikiem piroelektrycznym 104 14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7 7 WY 10k 2,7k + 7808PI 15k 100u 100k 120k 47u 1k 100 203 68 4,7k 220u 10 208 620k 21k 470k E929B KA324

Widok zewnętrzny termometru piroelektrycznego Płyta czołowa Tylny panel

Widok wewnątrz obudowy:

Wyniki pomiarowe

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

Tabela wartości funkcji aproksymującej

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

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

Producenci