Pomiary temperatury

Pomiar temperatury - miary Miara teoretyczna (termodynamiczna) Międzynarodowa Skala temp. (ITS-90) oznaczenie jednostka T K t °C t (°C) = T (K) - 273,15

ITS‘90 Zawiera: a) definicje punktów stałych (17) b) zależności aproksymujące Punkty stałe: - punkty krzepniecia - punkt topnienia (galu) - potrójny punkt równowagi stanu Zależności aproksymujące : - wielomianowa funkcja stosunku rezystancji czujnika w określonej temperaturze do rezystancji w temperaturze punktu potrójnego wody

ITS‘90 Zakres temp: Sposób pomiaru: a) 0,65 K - 5,0 K Ciśnienie par helu b) 3,0 K - 24,5561 K Termometr gazowy c) 13,8033 K - 961,78 °C Stosunek R(T)/R(0) d) powyżej 961,78 °C Termometr radiacyjny 13,8033 K - punkt potrójny wodoru 24,5561 K - punkt potrójny neonu 961,78 °C - punkt krzepniecia srebra

Zasady pomiaru temperatury 1) rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy lub gazów 2) zmiana właściwości elektrycznych ciał 3)pomiar energii promieniowania

Czujniki temperatury z wyjściem elektrycznym rezystancyjne, termoelektryczne jonowe, kontaktowe, ultradzwiękowe, piezoelektryczne, ...

Rezystancyjne czujniki temperatury metalowe półprzewodnikowe RTD SPRT termistory monokryst. KTY PTC NTC

Temometry rezystancyjne Zasada działania: Zmiana rezystancji w zależności od temperatury Podstawowa stała materiałowa: Współczynnik temperaturowy rezystancji 

Współczynnik temperaturowy rezystancji  Względny przyrost rezystancji przy zmianie temperatury o 1K (lub o 1 C) w zakresie 0 C do 100 C Europa  =0,385 USA =0,392 Np. Dla platyny:

Analityczne wyrażenie rezystancji od temperatury Dla temperatur w zakresie od 0 C do 100 C Rt = R0 (1 + t ) Dla wyższych wartości temperatur Rt = R0 (1 + At +Bt2) Dla temperatur ujemnych Rt = R0 [1 + Ct + D t 2 + E(t - 100) t 3]

Właściwości termometrów metalowych Materiał : platyna (Pt100) Ni, (Cu) Zakres pomiarowy: platyna: (- 220 do 850)C nikiel : ( - 50 do 150) C Rezystancja nominalna: 100 , (50  dla Cu) Średnica drutu:  (20 do 100) m Materiał karkasu: szkło, ceramika Wykonanie: uzwojenie zalane, uzwojenie swobodne

Wymagania dotyczące termometrów rezystancyjnych 1) współczynik temperaturowy rezystancji wysoki i stały, 2) nominalna rezystancja (w temperaturze odniesienia) o wartości dogodnej do pomiarów, 3) prąd zasilania o małej wartości (samonagrzewanie), 4) mała rezystancja przewodów doprowadzających, 5) linearyzacja analogowa lub numeryczna.

Termometry rezystancyjne metalowe

Właściwości termometrów metalowych Materiał : platyna (Pt100) (Pt 1000) (Pt 500) Ni, (Cu) Zakres pomiarowy: platyna: (- 220 do 850)C nikiel : ( - 50 do 150) C Niepewność czujnika związana z jego klasą wg IEC 751 PN-EN-60751

Układ mostkowy Rm =R0+R R3 R0.R2 = R1. R3 Uwy = 0 Uwy R1 R2 Uz , Iz W warunkach równowagi R3 R0.R2 = R1. R3 Uwy = 0 Przy R1 = R2 = R3 = R0 i braku równowagi spowodowanym wystąpieniem różnicy R oraz zasilaniu napięciowym Uwy R1 R2 Przy zasilaniu prądowym Uz , Iz

Wpływ rezystancji przewodów doprowadzajacych Połączenie: 1) dwuprzewodowe 2) trójprzewodowe 3) czteroprzewodowe W układach przemysłowych czujnik platynowy w połączeniu trójprzewodowym jast rozwiązaniem tradycyjnym, zastępowanym obecnie przez układ czteroprzewodowy współpracujący ze specjalizowanym przetwornikiem pomiarowym o wyjściu standardowym.

Połączenie czteroprzewodowe najdokładniejsze Przewodami 1, 4 płynie prąd ze źródła Ikonst Przewodami 2, 3 zbiera się spadek napiecia

Termometry rezystancyjne metalowe Przetworniki programowalne Przetworniki głowicowe

Termometry rezystancyjne metalowe Głowice termometrów

Przykład wykonania przetwornika temperatury Przetwornik 3244MV z systemem komunikacyjnym fieldbus Parametry: czujniki temperatury (RTD lub termoelement) pomiar temperatur lub różnic temperatury przedział niepewności ± 0,1 C zasilanie dla RTD: 2-, 3- lub 4-przewodowe wyjście fieldbus, 2x PID 18-bit A/D

Współczynnik temperaturowy rezystancji termistorów  25 NTC   = - B/T2 B - Stała materiałowa, 2000 do 4000 K

Wartość rezystancji maleje ze wzrostem temperatury Właściwości termometrów półprzewodnikowych termistory (NTC) Wartość rezystancji maleje ze wzrostem temperatury są 5 do 50 razy czulsze od termometrów metalowych Material: spieki tlenków Ni, Mg, Ti, Cu, Fe Zakres (-80 do 250) C Wykonanie: czujniki powierzchniowe, sondy zanurzeniowe Prąd pomiarowy 150 A Rezyst. w 25 C (0,1 do 200) k Materiał zabezp. szkło, ceramika

Termometry KTY  - rezystywność,  =ok. 7  cm Styki poli -Si o średnicy ok. 20 m Izolacja SiO2 Obszary domieszkowane typu n Krzem Metalizacja strony spodniej ok. 0.5 mm  - rezystywność,  =ok. 7  cm D - średnica styku

Czujnik diodowy U ID ΔU ID2 ID1

Charakterystyki termorezystorów KTY Pt

Termometria termoelektryczna Zasada działania: Powstawanie siły termoelektrycznej przy istnieniu gradientu temperatury wzdłuż przewodnika złącze ciepłe złącze zimne Mat A Mat A Mat B Mat B Ute =  T

Termopary „szlachetne“ Termopara wysokotemperaturowa Właściwości termometrów termoelektrycznych Termopary „szlachetne“ S: PtRh10 - Pt R: PtRh13 - Pt B: PtRh30 - Pt Typ i materiał: S i R -50 C - 1600 C dorywczo 1760 C STE -0,23 - 21 mV, B +100 C - 1600 C dorywczo 1800 C STE do 13,8 mV Zakresy pomiarowe: Termopara wysokotemperaturowa Materiał WRe5- WRe26 Zakres pomiarowy: 0-2400 (2700) C, STE 40,7 mV

Właściwości termometrów termoelektrycznych Materiał: T: + miedź (Cu) — konstantan (Cu+Ni), J: + żelazo (Fe) — konstantan (Cu+Ni), K: + chromel (Ni+Cr) —alumel (Ni+Al) N: + (Ni + Cr + Si) — (Ni+ Si) Zakresy pomiarowe: T: (-270 do 400) C, J: (-210 do 12O0) C, K: (-270 do 1250) C, N: (-270 do 1300) C STE: (-6 do 20) mV, STE: (-8,1 do 69,5) mV, STE: (-6,5 do 50,6) mV, STE: (-4,3 do 47,5) mV Wykonanie czujniki zanurzeniowe czujniki temperatury powierzchni Średnica drutu:  (0,4 do 4) mm

Wykonania termometrów termoelektrycznych

Wykonania termometrów termoelektrycznych

Wykonania termometrów termoelektrycznych

Jo Qwnik Jt Qmagaz Dynamika termometrów Qwnik = aS(J0 - Jt) dQwnik = aS(Jo –Jt)dt Qmagaz Qmagaz =mcw(Jt – Jo) dQmagaz =mcwdJt dQmagaz = dQwnik mcwdJt= aS(Jo –Jt)dt mcw dJt(t) aS dt + Jt(t) = Jo(t) K(s) = 1 + sT 1 T = mcw aS

Dynamika termometrów 1+sT3 K3(s) = 1 (1 + sT1) (1 + sT2) K2(s) =

Dynamika termometrów 1 3 2 t