Pomiary temperatury.

Prezentacja na temat: "Pomiary temperatury."— Zapis prezentacji:

1 Pomiary temperatury

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

3 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

4 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

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

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

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

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

9 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:

10 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]

11 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

12 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.

13 Termometry rezystancyjne metalowe

14 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

15 Układ mostkowy Rm =R0+R R3 R0.R2 = R1. R3 Uwy = 0 Uwy R1 R2 Uz , Iz
W warunkach równowagi R3 R0.R2 = R1. R 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

16 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.

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

18 Termometry rezystancyjne metalowe
Przetworniki programowalne Przetworniki głowicowe

19 Termometry rezystancyjne metalowe
Głowice termometrów

20 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

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

22 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

23 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

24 Czujnik diodowy U ID ΔU ID2 ID1

25 Charakterystyki termorezystorów
KTY Pt

26 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

27 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 C dorywczo 1760 C STE -0, mV, B C C dorywczo 1800 C STE do 13,8 mV Zakresy pomiarowe: Termopara wysokotemperaturowa Materiał WRe5- WRe26 Zakres pomiarowy: (2700) C, STE 40,7 mV

28 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

29 Wykonania termometrów termoelektrycznych

30 Wykonania termometrów termoelektrycznych

31 Wykonania termometrów termoelektrycznych

32 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

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

34 Dynamika termometrów 1 3 2 t

35 TERMOMETRIA RADIACYJNA i TERMOWIZJA

36 Widmo elektromagnetyczne
Podział widma elektromagnetycznego ze względu na długość fali

37 Rozkład widmowy promieniowania ciała czarnego

38 Prawo przesunięć Wiena
T lmax=2898 [Kmm]

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

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

41 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

42 Zasada działania współczesnej kamery termowizyjnej

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

44 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

45 Porównanie czułości detektorów promieniowania
Czułość detektorów fotonowych Porównanie czułości detektorów promieniowania

46 Detektorów promieniowania termometru radiacyjnego
Charakterystyki statyczne Detektorów promieniowania termometru radiacyjnego

47 Pojedynczy piksel matrycy
Detektor niechłodzony Pojedynczy piksel matrycy

48 Przetwarzanie sygnału
Schemat blokowy

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

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

51 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

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

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

54 Niepewność pomiaru niepewności metody Niepewności warunków pracy
Niepewności toru elektronicznego

55 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

56 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

57 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

58 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, 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, mm).

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

60 Wpływ temperatury otoczenia
na wskazania kamery termowizyjnej

61 Pomiary z zastosowaniem kamery
krótkofalowej oraz długofalowej

62 Przykładowe termogramy
budownictwo hutnictwo elektroenergetyka

63

64

65

66

67

68

69 KONIEC