Czujniki temperatury

Transkrypt

1 Czujniki temperatury Pomiar temperatury Pomiar temperatury jest jednym z najczęściej wykonywanych pomiarów wielkości nieelektrycznej w gospodarstwach domowych jak i w przemyśle. Do pomiaru temperatury można zastosować bardzo wiele typów czujników, działających na różnych zasadach. Czujniki mogą być stykowe (dotykowe) lub bezstykowe. Do bezstykowych zaliczymy pirometry i kamery termowizyjne 1

2 Pomiar temperatury Pomiar dotykowy (pomiar stykowy, kontaktowy) - czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy. Pomiar bezdotykowy (pomiar bezkontaktowy) - poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało (promieniowanie cieplne) np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt. W zależności od wykorzystanych do pomiaru własności fizycznych czujnika pomiarowego, wyróżnić można pomiar z wykorzystaniem zjawiska: odkształcenia bimetalu, wytwarzania napięcia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w różnych temperaturach, zmiany rezystancji elementu (czujnik typu RTD), zmiany parametrów złącza półprzewodnikowego (spadek napięcia na złączu n-p) zmiany objętości cieczy, gazu lub długości ciała stałego (termometr cieczowy), parametrów promieniowania cieplnego ciała np. Pirometr, zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor pod wpływem temperatury, stożki Segera. Pirometr Pirometr - przyrząd pomiarowy służący do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała. Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Proste pirometry mierzą ilość energii emitowanej poprzez pomiar temperatury elementu, na który pada promieniowanie. Do pomiaru temperatur powyżej 600 C używane są pirometry optyczne, w których jasność świecenia badanego obiektu jest porównywana z jasnością obiektu wzorcowego (np. żarnika). W pirometrach najwyższej klasy mierzących w zakresie niskich temperatur stosuje się optykę zwierciadlaną, analogiczną do stosowanej w aparatach fotograficznych - tzw. lustrzankach. W niektórych rozwiązaniach na czas pomiaru włącza się wskaźnik laserowy. Problem z właściwym ustawieniem pirometru nie występuje w pirometrach światłowodowych, w których promieniowanie wnika do światłowodu przy powierzchni promieniującej. W pirometrach stosuje się dwie grupy detektorów: termiczne i fotoelektryczne. 2

3 Kamera termowizyjna termowizor, kamera termiczna, termograficzna lub kamera podczerwieni Termowizor optoelektroniczne urządzenie obrazowe analizujące tzw. temperaturowe promieniowanie podczerwieni. Zakres czułości widmowej kamery termowizyjnej obejmuje pasma 3-5 lub 8-13 mikrometrów. Podział czujników temperatury stykowych Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury Czujniki Rezystancyjne Termoelektryczne Półprzewodnikowe czujniki temperatury Termorezystory Termistory Dyskretne analogowe czujniki Scalone analogowe i cyfrowe czujniki 3

4 Porównanie czujników temperatury Termorezystory (RTD) Ciało termometryczne: Drut metalowy (platyna Pt, nikiel- Ni, miedź - Cu) Właściwość termometryczna: Opór elektryczny Termistory (NTC i PTC) Ciało termometryczne: Rezystor półprzewodnikowy Właściwość termometryczna: Opór elektryczny Porównanie czujników temperatury Termoelektryczne (Termopary) Ciało termometryczne: Termoelement (platynorod-platyna, żelazo-konstantan, ) Właściwość termometryczna: Siła termoelektryczna (zjawisko Seebeck'a) Półprzewodnikowe i scalone czujniki elektroniczne Ciało termometryczne: Złącze p-n diody lub tranzystora Właściwość termometryczna: spadek napięcia na diodzie (Uf), spadek napięcia złącza baza-emiter tranzystora 4

5 Porównanie czujników temperatury Maksymalne zakresy pomiarowe różnych typów czujników Termorezystory (-200 C 850 C) Termistory (-80 C 200 C) Termoelektryczne (-270 C 1800 C) Scalone (-55 C 125 C) Temperatura [K] Charakterystyki czujników typu: termistor NTC i rezystor Pt, Ni 5

6 Czujnik Rezystancyjny - RTD Zasada działania czujników rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zjawiska zmiany rezystancji metali wraz z temperaturą. Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co ze względu na hamowanie ruchu elektronów powoduje wzrost rezystancji. Czujniki platynowe PT i niklowe NI Metale stosowane na rezystory termometryczne powinny mieć następujące właściwości: możliwie duży cieplny współczynnik zmian rezystancji możliwie dużą rezystywność zapewniającą wykonanie rezystorów o małych wymiarach możliwie wysoką temperaturę topnienia stałość własności fizycznych odporność na korozję łatwą odtwarzalność metali o identycznych własnościach ciągłość zależności rezystancji od temperatury bez wystąpienia histerezy dostateczną ciągłość i wytrzymałość Metalem, który najlepiej łączy w sobie wyszczególnione powyżej własności jest platyna (Pt > czujnik PT100). Ponadto do wykonania rezystorów termometrycznych stosujemy również nikiel (Ni -> czujnik NI100) lub miedź (Cu). 6

7 Budowa czujnika RTD Charakterystyka czujnika PT100 Równania określające zależność między temperaturą a rezystancją w platynowych rezystorach termometrycznych są następujące: - w zakresie od 200 o C do 0 o C R t = R o [ 1 + At + Bt 2 + C ( t o C ) t 3 ] - w zakresie od 0 o C do +850 o C R t = R o (1 + At + Bt 2 ) Według normy PN-EN przy temperaturze 0 o C nominalna wartość rezystancji wynosi Ω. Dostępne są również czujniki rezystancyjne o nominalnych wartościach 500Ω (Pt500) oraz 1000Ω (Pt1000) przy temperaturze 0 o C. Charakteryzują się one znacznie większą dokładnością (większa rozdzielczość rezystancji w stosunku do temperatury). 7

8 Charakterystyka czujnika PT100 Dla platyny o jakości zwykle stosowanej w przemysłowych czujnikach rezystancyjnych wartości stałych w tych równaniach są następujące: A = 3,9083 x 10-3 o C -1 B = -5,775 x 10-7 o C -2 C = -4,183 x o C -4 W przypadku termometrów rezystancyjnych podaje się również współczynnik temperaturowy a, definiowany jako: a = ( R R 0 ) / ( 100 x R 0 ) = 0,00385 C -1 R rezystancja w 100 C R 0 - rezystancja w 0 C Do obliczeń stosuje się dokładną wartość 0, C -1 Dokładność czujnika PT100 Tolerancje błędów Dopuszczalne tolerancje błędów dla platynowych czujników rezystancyjnych zostały dokładnie opisane w normie PN-EN 60751:1997+A2. Norma ta rozróżnia dwie klasy dokładności: A i B. Poniżej zostały podane wzory na obliczanie dopuszczalnej odchyłki. Klasa A: t = ( x t ) Klasa B: t = ( x t ) t = temperatura w o C Istnieje również możliwość zastosowania rezystorów platynowych o podwyższonej dokładności, tj. klasy 1/3 DIN B oraz 1/10 DIN B. Jednak rezystory te są ograniczone zakresem temperatury stosowania. 8

9 Pomiar temperatury za pomocą PT100 W czujniku rezystancyjnym rezystancja elektryczna zmienia się z temperaturą. W celu określenia sygnału temperatury prąd o stałej wartości przepuszczany jest przez rezystor oraz mierzony jest spadek napięcia. Dla tego spadku napięcia prawo Ohma stwierdza: Up = R x Ip Prąd pomiarowy powinien być tak mały jak to możliwe w celu uniknięcia samonagrzewania się rezystora. Można przyjąć, że prąd pomiarowy o wartości Ip=1 ma nie wnosi istotnych błędów. Prąd ten daje spadek napięcia 0,1 V dla PT100 przy 0⁰C. Sygnał pomiarowy, przy minimalnych zmianach, musi być teraz przekazany do punktu pomiarowego za pomocą przewodów, które mają swoją rezystancję (która też się zmienia od temperatury). Do tego celu stosowane są trzy różne typy układu połączeń czujnika: 2-przewodowe, 3- przewodowe i 4-przewodowe. Zasilanie układu pomiarowego może być napięciowe lub prądowe. Schemat zastępczy rezystancyjnego czujnika temperatury Pomiar temperatury za pomocą PT100 Układ 2-przewodowy Jest to najprostszy pomiar rezystancji czujnika. Można wykorzystać do tego celu tzw. metodę techniczną lub mostkową. Jako układ zasilania można zastosować napięciowe źródło odniesienia lub prądowe źródło odniesienia, które poprawia dokładność pomiarową. Przy długich przewodach połączeniowych jest wyraźny wpływy rezystancji przewodów oraz ich zmian z temperaturą. Aby uniknąć wpływu rezystancji połączeń można zastosować czujnik o dużo większej rezystancji np. PT1000, które rezystancja (Rt=1000Ω dla t=0⁰c) jest dużo większa od rezystancji przewodów. Pomiar 2-przewodowy: pomiar rezystancji metodą techniczną z dokładnym napięciem odniesienia i dokładnym prądem odniesienia Pomiar rezystancji metodą mostkową 2-przewodowy 9

10 Pomiar temperatury za pomocą PT100 Układ 3-przewodowy Wpływy rezystancji przewodów oraz ich zmian wraz z temperaturą są redukowane do minimum w układzie 3-przewodowym. W takim układzie dodatkowa końcówka jest doprowadzana do kontaktu z czujnikiem rezystancyjnym. Daje to efekt w postaci dwóch obwodów pomiarowych, z których jeden jest używany jako odniesienie. Układ 3-przewodowy umożliwia kompensację zarówno wartości, jak i zależności temperaturowej rezystancji doprowadzeń. Ale wymaga się, by wszystkie trzy żyły miały identyczne właściwości i były w tej samej temperaturze. W większości przypadków jest to spełnione z wystarczającym stopniem dokładności, tak więc układ 3-przewodowy jest obecnie jednym z najczęściej stosowanych. Nie jest wymagana kompensacja doprowadzeń. Pomiar rezystancji metodą mostkową, 3-przewodowy i pomiar 3-przewodowy z wykorzystaniem źródła prądowego Pomiar temperatury za pomocą PT100 Układ 4-przewodowy Optymalną formą połączenia dla czujników rezystancyjnych jest układ 4-przewodowy. Wynik pomiaru nie zależy ani od rezystancji doprowadzeń, ani od ich zmian temperaturowych. Nie wymaga się kompensacji doprowadzeń. Rezystor dostaje prąd pomiarowy Ip poprzez zaciski zasilania. Spadek napięcia Up na rezystorze PT100 jest pobierany przez końcówki pomiarowe. Jeśli rezystancja wejściowa układu pomiarowego jest wielokrotnie większa niż rezystancja przewodów pomiarowych, to można ją pominąć. Pomiar rezystancji metodą 4-przewodową z zasilaniem źródłem prądowym 10

11 Przykłady czujników PT100 czujnik podstawowy Obudowane czujniki PT100 11

12 Układ pomiarowy dla PT100 z linearyzacją 12

13 Termistory Podział termistorów NTC o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature coefficient) wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji; PTC (pozystor) o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. positive temperature coefficient), wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji; CTR o skokowej zmianie rezystancji (ang. critical temperature resistor) wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowną zmianę wzrost/spadek rezystancji. W termistorach polimerowych następuje szybki wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe), a w ceramicznych, zawierających związki baru, spadek. Pomiar temperatury za pomocą termistora NTC lub PTC Rezystancje termistorów do pomiaru temperatury są rzędu kω i czujnika PT100 i od rezystancji przewodów pomiarowych. dużo większe od Termistory raczej nie podłącza się do długich przewodów. Są najczęściej zlokalizowane blisko układu pomiarowego. Niestety, charakterystyka termistora w szerokim zakresie temperatur jest wybitnie nieliniowa i wymaga linearyzacji. 13

14 Czujniki półprzewodnikowe temperatury W czujnikach półprzewodnikowych wykorzystuję pomiar napięcia na złączu n-p. Napięcie to zmienia się prawie liniowo od temperatury złącza i dzięki temu bardzo łatwo można zmierzyć temperaturę w zakresie od -50⁰C do +150 ⁰C. Czujniki półprzewodnikowe wykonywane są jako: czujniki analogowe dyskretne (dioda, tranzystor, półprzewodnik) czujniki analogowe scalone: z wyjściem napięciowym z wyjściem prądowym czujniki scalone z wyjściem cyfrowe: z interfejsem szeregowym (I2C, SPI, 1-Wire) z interfejsem szeregowym plus sygnał włącz/wyłącz (termostat) Czujniki półprzewodnikowe, złącze n-p Dioda półprzewodnikowa może pracować jako czujnik temperatury. Spadek napięcia V F na przewodzącej diodzie zmienia się prawie liniowo z zmianą temperatury (współczynnik wynosi około -2mV/⁰C). Tranzystor npn jako czujnik temperatury Zmiana spadku napięcia na złączu n-p od temperatury Pomiar temperatury za pomocą diody półprzewodnikowej, zasilanie układu stabilnym napięciem lub prądem 14

15 Czujniki półprzewodnikowe, złącze n-p Charakterystyka czujnika półprzewodnikowego opartego o złącze n-p na diodzie 1N4148 Analogowy scalony czujnik temperatury LM135 Właściwości: Wyskalowany w ⁰ Kelvina Wstępna dokładność 1⁰C Zakres prądu pracy 400 µa do 5 ma 1Ω impedancja dynamiczna łatwość kalibracji Szeroki zakres temperatury -50 ⁰C ⁰C Niski koszt 15

16 Prosty regulator temperatury na LM135 Scalone cyfrowe czujniki półprzewodnikowe z interfejsem szeregowym Przykład czujnika ADT7302 w postaci układu scalonego z wyjściem szeregowym typu SPI Scalone czujniki temperatury najczęściej wykorzystują interfejs I2C, SPI lub 1-wire do komunikacji z mikrokontrolerem 16

17 Scalone cyfrowe czujniki półprzewodnikowe z interfejsem szeregowym Układ LM75 to cyfrowy czujnik temperatury z interfejsem I2C 17