Pomiary temperatury

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

ITS90 Zawiera: a) definicje punktów stałych a) definicje punktów stałych (17) b) zależności aproksymujące Zależności aproksymujące : - wielomianowa funkcja stosunku rezystancji czujnika w określonej temperaturze do rezystancji w temperaturze punktu potrójnego wody Punkty stałe: - punkty krzepniecia - punkt topnienia (galu) - potrójny punkt równowagi stanu

24,5561 K - punkt potrójny neonu Zakres temp: a) 0,65 K - 5,0 K d) powyżej 961,78 °C b) 3,0 K - 24,5561 K c) 13,8033 K - 961,78 °C 13,8033 K - punkt potrójny wodoru 961,78 °C - punkt krzepniecia srebra ITS90 Sposób pomiaru: Ciśnienie par helu Termometr radiacyjny Stosunek R(T)/R(0) Termometr gazowy

1) rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy lub gazów Zasady pomiaru temperatury 2) zmiana właściwości elektrycznych ciał3)pomiar energii promieniowania

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

Rezystancyjne czujniki temperatury metalowepółprzewodnikowe termistorymonokryst. KTY PTCNTC RTDSPRT

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

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:

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

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

Wymagania dotyczące termometrów rezystancyjnych 1) współczynik temperaturowy rezystancji wysoki i stały, 2) nominalna rezystancja (w temperaturze odniesienia) o wartości dogodnej do pomiarów, 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 1000) (Pt 500) (Pt 500) Ni, (Cu) Zakres pomiarowy: platyna: (- 220 do 850) C nikiel : ( - 50 do 150) C Niepewnośćczujnika związana z jego klasą wg IEC 751 PN-EN-60751

Układ mostkowy W warunkach równowagi R 0.R 2 = R 1. R 3 U wy = 0 Przy R 1 = R 2 = R 3 = R 0 i braku równowagi spowodowanym wystąpieniem różnicy R oraz zasilaniu napięciowym zasilaniu napięciowym Przy zasilaniu prądowym U z, I z U z, I z R3R3R3R3 R m =R 0 + R R2R2R2R2 R1R1R1R1 U wy

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

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

Przetworniki programowalne Przetworniki głowicowe Termometry rezystancyjne metalowe

Głowice termometrów Termometry rezystancyjne metalowe

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

NTC = - B/T 2 = - B/T 2 Współczynnik temperaturowy rezystancji termistorów Współczynnik temperaturowy rezystancji termistorów B - Stała materiałowa, 2000 do 4000 K R R 25 t 25

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

- rezystywność, =ok. 7 cm - rezystywność, =ok. 7 cm D - średnica styku Termometry KTY Styki poli -Si o średnicy ok. 20 m Izolacja SiO 2 ok. 0.5 mm Krzem Metalizacja strony spodniej Obszary domieszkowane typu n

Czujnik diodowy U IDID IDID ΔU I D1 I D2

Charakterystyki termorezystorów KTY Pt

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

Właściwości termometrów termoelektrycznych Termopary szlachetne Typ i materiał: S: PtRh10 - Pt R: PtRh13 - Pt B: PtRh30 - Pt Zakresypomiarowe: S i R -50 C C dorywczo 1760 C STE -0, mV, B +100 C C dorywczo 1800 C STE do 13,8 mV Materiał WRe5- WRe26WRe5- WRe26 Termopara wysokotemperaturowa Zakres pomiarowy: (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) Zakresypomiarowe: T: (-270 do 400) C, J: (-210 do 12O0) C, K: (-270 do 1250) C, N: (-270 do 1300) C Wykonanie czujniki zanurzeniowe czujniki zanurzeniowe czujniki temperatury powierzchni czujniki temperatury powierzchni Średnica drutu: (0,4 do 4) mm (0,4 do 4) mm 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

Wykonania termometrów termoelektrycznych Wykonania termometrów termoelektrycznych

Wykonania termometrów termoelektrycznych

t o Q wnik Q magaz Q wnik = S t ) dQ wnik = S( o – t )dt Q magaz =mc w ( t – o ) dQ magaz =mc w d dQ magaz =mc w d dQ magaz = dQ wnik mc w d t = S( o – t )dt mc w d t (t) S dt + t (t) = o (t) K(s) = 1 + sT 1 T = mc w S Dynamika termometrów

K 2 (s) = (1 + sT 1 ) (1 + sT 2 ) 1 K 3 (s) = (1 + sT 1 ) (1 + sT 2 ) 1+sT 3 Dynamika termometrów

t 3 2 1

TERMOMETRIA RADIACYJNA i TERMOWIZJA

Widmo elektromagnetyczne Podział widma elektromagnetycznego ze względu na długość fali

Rozkład widmowy promieniowania ciała czarnego

Prawo przesunięć Wiena T max =2898 [K m]

Prawo Stefana-Boltzmanna E= T 4 [W] = stała Stefana –Boltzmanna = 5,67 x W/m 2 K 4

E= · ·T 4 [W] = współczynnik emisyjności ciała szarego Ciało nieczarne (szare)

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

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

Stos termoelektryczny

Czułość detektorów fotonowych Porównanie czułości detektorów promieniowania

Charakterystyki statyczne Detektorów promieniowania termometru radiacyjnego

Pojedynczy piksel matrycy Detektor niechłodzony

Przetwarzanie sygnału Schemat blokowy

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

Termometry radiacyjne krótkofalowe (3-5 m) pracujące w pierwszym oknie atmosferycznym długofalowe (8-14 m) 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 niepewność spowodowana brakiem możliwości uśredniania wyników pomiarów, a tym samym redukcji szumu detektora, związana z wymaganiami dotyczącymi szybkości pomiaru w kamerach

Niepewność pomiaru Niepewności metody Niepewności warunków pracy Niepewności toru elektronicznego

Niepewności metody niepewność oszacowania emisyjności obiektu niepewność spowodowana wpływem odbitego przez obiekt promieniowania otoczenia oraz wpływem promieniowania samego otoczenia niepewność spowodowana ograniczoną transmisją atmosfery oraz jej promieniowaniem (emisją)

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

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

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

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, m). 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, m).

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

Wpływ temperatury otoczenia na wskazania kamery termowizyjnej

Pomiary z zastosowaniem kamery krótkofalowej oraz długofalowej

Przykładowe termogramy budownictwo hutnictwo elektroenergetyka

KONIEC