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

TERMOMETRIA RADIACYJNA i TERMOWIZJA

Widmo elektromagnetyczne Podział widma elektromagnetycznego ze względu na długość fali

Rozkład widmowy promieniowania ciała czarnego

Prawo przesunięć Wiena T lmax=2898 [Kmm]

 = stała Stefana –Boltzmanna = 5,67 x 10-12 W/m2 K4 Prawo Stefana-Boltzmanna E=T4 [W]  = stała Stefana –Boltzmanna = 5,67 x 10-12 W/m2 K4

e = współczynnik emisyjności ciała szarego Ciało nieczarne (szare) E=e ··T4 [W] e = współczynnik emisyjności ciała szarego

Podstawowe elementy składowe termometru radiacyjnego Czujnik temperatury detektora Optyka lustrzana M U Promieniowanie A/C μP X podczerwone RS 232 S Układ elektroniczny Przesłona wirująca Chłodziarka Peltiera Czujnik radiacyjny

Zasada działania współczesnej kamery termowizyjnej

Detektory promieniowania pojedyncze (termometry) matryce detektorów (kamery) bolometryczne termoelektryczne piroelektryczne kwantowe

Stos termoelektryczny Metal A (antymon) Metal B (bismut) Masywny blok krzemu odprowadzajacy ciepło Zimne końce na grubej ramce krzemowej Gorące końce na cienkiej membranie krzemowej Membrana 0.7 – 1 m Izolacja z SiO2 A B Warstwa poczerniona D C Czujnik temperatury zimnych końców

Porównanie czułości detektorów promieniowania Czułość detektorów fotonowych Porównanie czułości detektorów promieniowania

Detektorów promieniowania termometru radiacyjnego Charakterystyki statyczne Detektorów promieniowania termometru radiacyjnego

Pojedynczy piksel matrycy Detektor niechłodzony Pojedynczy piksel matrycy

Przetwarzanie sygnału Schemat blokowy

Piksel matrycy QWIP o wymiarach 30 x 30 mm Detektor kwantowy QWIP Piksel matrycy QWIP o wymiarach 30 x 30 mm

Matryca detektorów o rozmiarach 320x240 Wygląd matrycy detektorów - przykład Moduł kamery obserwacyjnej Matryca detektorów o rozmiarach 320x240

Termometry radiacyjne krótkofalowe (3-5 mm) pracujące w pierwszym oknie atmosferycznym długofalowe (8-14 mm) pracujące w drugim oknie atmosferycznym chłodzone sprężonym argonem chłodzone ciekłym azotem chłodzone systemem Stirlinga (hel) nie chłodzone

Technika pomiarów wpływ atmosfery wpływ temperatury otoczenia na wskazania kamery termowizyjnej pomiar kamerą krótkofalową oraz długofalową

Przepuszczalność atmosfery Przepuszczalność promieniowania podczerwonego warstwy atmosfery ziemskiej w funkcji długości fali

Niepewność pomiaru niepewności metody Niepewności warunków pracy Niepewności toru elektronicznego

Niepewności metody niepewność oszacowania emisyjności e obiektu niepewność spowodowana wpływem odbitego przez obiekt promieniowania otoczenia oraz wpływem promieniowania samego otoczenia niepewność spowodowana ograniczoną transmisją atmosfery oraz jej promieniowaniem (emisją) niepewność spowodowana brakiem możliwości uśredniania wyników pomiarów, a tym samym redukcji szumu detektora promieniowania, związana z wymaganiami dotyczącymi szybkości pomiaru w kamerach

Niepewności związane z różnicą pomiędzy warunkami wzorcowania i warunkami eksploatacji Niepewności dotyczące rzeczywistych warunków pomiaru: promieniowanie własne elementów optycznych i filtrów kamery ma inne wartości niż w warunkach wzorcowania i i zależne jest od temperatury oraz emisyjności układów optycznych odległość obiekt – kamera jest inna niż w warunkach wzorcowania w warunkach wzorcowania precyzyjnie określona jest emisyjność obiektu, pomijalny jest natomiast wpływ: promieniowania otoczenia odbitego od ciała doskonale czarnego oraz ograniczonej rozdzielczości temperaturowej termometru ograniczona dokładności wzorca, ograniczonej ilości punktów wzorcowania i błędów interpolacji

Niepewności toru elektronicznego szumy detektora niestabilność układu chłodzenia (dla detektorów nie chłodzonych) wahania wzmocnienia przedwzmacniacza i innych układów elektronicznych kamery ograniczone pasmo przenoszenia detektora i innych układów elektronicznych kamery ograniczona rozdzielczość i nieliniowość przetworników analogowo - cyfrowych

Model ThermaCAM PM 695 firmy FLIR Nie chłodzona, bolometryczna kamera pomiarowa rejestrująca w obu pasmach widzialnym i podczerwieni. Zakres do +1500/2000 ºC. Rejestracja cyfrowa termogramów, zdjęć w paśmie widzialnym (wbudowany, cyfrowy aparat fotograficzny), cyfrowego komentarza głosowego. Pełna obróbka komputerowa danych. Kamera długofalowa (7,5 - 13 mm). Model ThermaCAM SC 500 firmy FLIR Bolometryczna, nie chłodzona jednostka pomiarowa z pełną rejestracją i obróbką danych. Możliwość podłączenia do komputera przez interface PCMCIA. Główne przeznaczenie: medycyna, prace naukowo-badawcze. Kamera długofalowa (7,5 - 13 mm).

Seria TVS - 2000 Mk II firmy AGEMA - kamery chłodzone sprężonym argonem:      TVS - 2100 Mk II (-40 ~ 950oC) TVS - 2200 Mk II (-40 ~ 2000oC) - kamery chłodzone systemem Stirlinga:   TVS - 2100 Mk II ST (-20 ~ 950oC) TVS - 2200 Mk II ST (-20 ~ 2000oC) - chłodzona systemem Stirlinga, długofalowa: TVS - 2000 Mk II LW (-40 ~ 300oC lub ~ 1000oC)

Wpływ temperatury otoczenia na wskazania kamery termowizyjnej

Pomiary z zastosowaniem kamery krótkofalowej oraz długofalowej

Przykładowe termogramy budownictwo hutnictwo elektroenergetyka

KONIEC