Technika sensorowa. Czujniki temperatury. dr inż. Wojciech Maziarz, prof. dr hab. T. Pisarkiewicz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel.

Transkrypt

1 Technika sensorowa Czujniki temperatury dr inż. Wojciech Maziarz, prof. dr hab. T. Pisarkiewicz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel Kontakt: 1

2 Czujniki temperatury 1. Wstęp 2. Skale temperatur 3. Sensory rezystancyjne 3.1 Sensory metaliczne 3.2 Sensory półprzewodnikowe (termistory) 4. Sensory termoelektryczne 5. Pirometry 6. Sensory złączowe półprzewodnikowe 7. Światłowodowe sensory temperatury 2

3 Wiadomości wstępne Wg jednego z kryteriów klasyfikacji czujniki temp. można podzielić na: generacyjne (np. termoelektryczne, gdzie ΔT powoduje powstanie STEM) parametryczne (np. rezystancyjne R(T), magnetyczne μ(t), dielektryczne ε(t)) Wg innego kryterium będą to czujniki realizujące pomiar dotykowy (np. termorezystory) bezdotykowy (np. pirometry) Wymagania stawiane czujnikom temp. w praktyce: dokładność (termom. światłowodowe i fotodetektory dają zwiększone czułości w podwyższonych temp. i są odporne na zakłócenia E-M, term. Pt dają zwiększoną stabilność i powtarzalność do temp. ok. 900 o C i są mniej wrażliwe na gradienty temp.) 3

4 Wiadomości wstępne Wymagania cd.: niezawodność Szczególnie ważna w automatyzacji procesów (czasami ważniejsza niż dokładność). Przydatne są tu termometry mechaniczne (bimetale, czujniki ciśnieniowe), rozwój wymusza jednak stosowanie termometrów z wyj. elektrycznym. niski koszt Masowe użycie wymaga redukcji kosztów (przejście do technologii grubo- i cienkowarstwowej dla termometrów Pt, nowe generacje pirometrów i bolometrów, podłoża mikromechaniczne Si) Perspektywy rozwoju rozwój technologii warstwowych i mikromechanicznych zwiększone zastosowanie czujników światłowodowych rosnąca rola mikroprocesorów i rozwój czujników z wyj. cyfrowym. 4

5 Skale temperatur Początkowo skale temperatury były czysto empiryczne, oparte głównie na rozszerzalności cieczy i gazów. W roku 1742 wprowadzono stustopniową skalę Celsjusza, opartą na dwu punktach równowagowych: punkt topnienia lodu 0 o C punkt wrzenia wody 100 o C Odstęp między tymi punktami podzielony na 100 części daje wartość 1 o C. Rok 1877 Konferencja Paryska Jako wzorcowy przyjęto termometr gazowy p(t) dla V = const. z użyciem wodoru, jako skalę - skalę Celsjusza. Z czasem przyjęto zaproponowaną przez Kelvina skalę termodynamiczną definiowaną w oparciu o silnik Carnota T = T tr Q/Q tr Q ciepło pobrane ze źródła o temp.t Q tr ciepło oddane do chłodnicy o temp.t tr W ten sposób uzyskano niezależność skali od substancji roboczej, a temp. przypisana jest tylko jednemu punktowi T tr = 273,16 K 5

6 Skale temperatur Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur 1968 (IPTS-68) Podstawą jest skala termodynamiczna. Związek ze skalą Celsjusza określono jako t( o C) = T(K) 273,15 zatem 1 o C = 1K Skala praktyczna określono tzw. punkty stałe (temp. równowagi faz pewnych substancji w określonych warunkach). Podano zasady interpolacji między punktami stałymi oraz określono termometry wzorcowe do pomiaru temp. w całym zakresie. Wciąż używana w oceanografii (zasolenie, gęstość, prędkość dźwięku). Międzynarodowa Skala Temperatur 1990 (ITS-90) Zbieżna w wielu przypadkach ze skalą IPTS-68 (IPTS-68 = * ITS-90). Wprowadzono jednak szereg zmian: rozszerzono stos. termometrów rezystancyjnych Pt zrezygnowano z termopary PtRh-Pt jako wzorca zmieniono wzory interpolacyjne Przyporz. temperatury 17 punktom równowagowym, podano 4 termometry wzorcowe i odpowiednie wzory do interpolacji między punktami stałymi. 6

7 ITS-90 Definitions ITS Between 0.65 K and 5.0 K T90 is defined in terms of the vapor-pressure temperature relations 3He and 4He. Between 3.0 K and the triple point of neon ( K) T90 is defined by means of a helium gas thermometer calibrated at three experimentally realizable temperatures having assigned numerical values (defining fixed points) and using specified interpolation procedures. Between the triple point of equilibrium hydrogen ( K) and the freezing point of silver ( C) T90 is defined by means of platinum resistance thermometers calibrated at specified sets of defining fixed points and using specified interpolation procedures. Above the freezing point of silver ( C) T90 is defined in terms of a defining fixed point and the Planck radiation law. The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90): 7

8 Sensory rezystancyjne (RTD) Sensory rezystancyjne można w ogólności podzielić na metalowe i półprzewodnikowe (termistory). Rezystancja sensorów metalicznych w wąskim zakresie temp. może być przedstawiona w postaci liniowej zależności: R(t) = R o [1 + α(t - t o )] α temperaturowy współcz. rezystancji TWR R o rezyst. w temp. t o (na ogół 0 lub 25 o C) W szerszym zakresie temp. trzeba stosować przybliżenia w postaci wielomianów wyższych rzędów. Przykładowo, dla platyny dobrym przybliżeniem w zakresie temp. 0 0 C do C (norma PN-EN zgodna z ITS90) jest wielomian drugiego stopnia R(Ω) = R o (1 + 39, T 5, T 2 ) R o rez. w 0 0 C T temp. w skali Kelvina 8

9 Sensory rezystancyjne metalowe Wymagania dla termorezystorów metalowych: duża czułość (duże α) liniowość (α stałe) miniaturyzacja (duże ρ) odporność chemiczna i stabilność długoczasowa Metal Rezystywność ρ [μωcm] TWR α [1/ o C] w 20 o C Al 2,65 0,0039 Ag 1,6 0,0061 Au 2,24 0,0034 Cu 1,67 0,0039 Ni 6,84 0,0069 Pd 10,5 0,0037 Pt 10,6 0,0039 Ta 12,4 0,0038 W 5,6 0,0045 Zn 5,9 0,0042 Rezystywności i TWR dla wybranych metali 9

10 Sensory rezystancyjne metalowe Najpopularniejszym materiałem termorezystancyjnym jest platyna. Termometry Pt są używane jako wzorcowe w zakresie: od punktu potrójnego wodoru 13,81 K do punktu krzepnięcia srebra 1234,93 K (961,78 o C) i do 1050 o C w sposób krótkotrwały. Czysta Pt może być wyciągana w postaci drutów o średnicach mniejszych niż 0,05 mm, co stwarza możliwość uzyskania niezbędnych wartości rezystancji. Typowy czujnik to Pt100 (100 Ω w temp. 0 o C). Duże możliwości daje stosowanie warstw grubych lub cienkich. Rezystancja względna drutu platynowego R 100 /R o = 1 + α Δt, będąca miarą TWR zależy od czystości drutu. Dla bardzo czystego drutu Pt osiągnięto: R 100 /R o = 1,3927 w termometrii precyzyjnej stosuje się: R 100 /R o = 1,

11 Sensory rezystancyjne metalowe Normy USA: R 100 /R o = 1,3925 Norma dla termometrów Pt w zastosowaniach technicznych (DIN 43760, IEC 751): R 100 /R o = 1,3850 Norma IEC przewiduje ponadto dwie klasy dokładności dla termometrów Pt: A dla zakresu -200 do 650 o C (bardziej rygorystyczna) dopuszczalny błąd [ o C]: (0,15 + 0,002 t ) B dla zakresu -200 do 850 o C dopuszczalny błąd [ o C]: (0,3 + 0,005 t ). typowe wymiary: 3,2 x 10 mm dla 100 Ω, 500 Ω, 1000 Ω 2 x 10 mm dla 100 Ω, 500 Ω, 1000 Ω 2 x 2,5 mm dla 100 Ω 1 x 5 mm dla 100 Ω Zewnętrzny wygląd czujników drutowych Pt 11

12 Sensory rezystancyjne metalowe Różne wykonania obudów rezystancyjnych czujników pomiarowych 12

13 Sensory platynowe cienkowarstwowe Cienka warstwa platyny nanoszona jest na podłoże ceramiczne i rezystancja korygowana jest do żądanej wartości. Gotowy czujnik cienkowarstwowy Pt Zasada nacinania laserem cienkiej warstwy Pt (czujnik bez pokryć zabezpieczających) 13

14 Czułość termometrów rezystancyjnych Zmiany rezystancji: Pt 100 : ~ 0,4 Ω/K Ni 100 : ~ 0,6 Ω/K Pt 1000: ~ 4 Ω/K Czułość napięciowa du/dt ograniczona jest samonagrzewaniem. Współczynnik samonagrzewania: EK = P/ΔT [mw/k] Czułość napięciową wylicza się z zależności: du/dt = α (EK ΔT R) 1/2 gdzie α = dr/rdt Wyznaczone wartości czułości napięciowej (dla ΔT = 0,1 o C w bieżącej wodzie): drutowe 100 Ω, 3mm Φ x 30 mm 0,7 mv/k 500 Ω, 3mmΦ x 50 mm 17,3 mv/k warstwowe 100 Ω, 2 x 10 mm 2 1,3 mv/k 1000 Ω, 2 x 10 mm 2 4,2 mv/k 14

15 Półprzewodnikowe czujniki termorezystorowe (termistory) Nazwą tą określa się rezystory półprzewodnikowe w postaci spieków tlenków, siarczków i selenków pierwiastków, takich jak Co, Mn, Ti, Fe, Ni, Cu, Al, wytwarzanych w formie pręcików, kuleczek, kropelek, dysków itp., a także grubych warstw. Termistory można podzielić na dwie grupy: NTC (negative temperature coefficient) PTC (positive temperature coefficient - pozystory) CTR o skokowej zmianie rezystancji (critical temperature resistor) ; bezpieczniki polimerowe Charakterystyki termistorów NTC i PTC w porównaniu do termorezystorów metalicznych RTD 15

16 Termistory NTC Konwencjonalne rezystory tlenkowe mają ujemny TWR, a rezystancję jako funkcję temperatury można z dobrym przybliżeniem zapisać w postaci: R T = A exp [β/ T] Stała A zależy od wymiarów próbki półprzewodnika, β jest stałą materiałową określającą czułość (β = K). Wprowadzając rezystancję odniesienia R ref w temp. T ref = 25 o C, uzyskuje się: R T = R ref exp [β(1/t 1/T ref )] Wartości R ref wahają się w przedziale: 500 Ω 10 MΩ. W szerokim przedziale temp. czułość lepiej charakteryzuje współczynnik TWR: α = 1/R T dr T /dt = - β/t 2 Wartość α jest ok razy większa niż dla metali, ale silnie maleje z temp. 16

17 Pomiar rezystancji termorezystorów U dla R U wyj wyj T IR / R U ( 1 z UzR R R 1 RT ) R T 17

18 Sensory termoelektryczne Należą do czujników generacyjnych, których działanie oparte jest na zjawisku Seebecka. Zjawisko Seebecka (1821) W obwodzie składającym się z dwu przewodników A oraz B, których złącza mają temp. T + ΔT oraz T, powstaje siła termoelektryczna i płynie prąd termoelektryczny. Zjawisko Peltiera (1834 r.) - polegające na powstaniu pewnej siły elektromotorycznej w punkcie złączenia dwóch rożnych metali; Zjawisko Thomsona (1854 r.) - polegające na powstaniu siły termoelektrycznej w jednorodnym przewodzie metalowym, jeżeli na jego długości występuje pewien gradient temperatury (końce przewodu mają rożne temperatury). 18

19 Sensory termoelektryczne W zamkniętym obwodzie, składającym się z połączonych ze sobą metali A i B, gdy spoiny znajdują się odpowiednio w temp. T i T+ T, występują 4 różne siły termoelektryczne - dwie w spoinach i dwie w przewodnikach A i B. Wypadkowa siła TEM w zamkniętym obwodzie = suma sił TEM w obu spoinach: E AB (T+ T, T) = e AB (T+ T) + e BA (T) Dla obu spoin w temp. T mamy: 0 = e AB (T) + e BA (T) E AB (T+ T, T) = e AB (T+ T) - e BA (T), jeśli T=const, to E AB (T+ T, T) = f(t+ T) A(+) metal A dodatni w stosunku do B Bezwzględna różnicowa termo-sem danego materiału: wiąże powstałe pole elektryczne E z gradientem temperatury de /dt E T 19

20 Sensory termoelektryczne Prąd występuje w obwodzie składającym się z co najmniej dwu różnych materiałów. Względna różnicowa termo-sem Wartości α AB dla metali są rzędu 1 10 μv/k, dla półprzewodników kilka rzędów wielkości większe. Ponieważ α jest funkcją temp., termo-sem dla złącz w temp. T 1 oraz T 2 wyznacza się w wyniku całkowania V AB T T 2 1 AB ( T) dt f ( T1 T2 ) Dla niedużego przedziału temperatur można posłużyć się przybliżeniem V AB(T T AB 0 ) Jeżeli znamy temperaturę spoiny odniesienia T 0, to z pomiaru termo-sem wyznaczy się temp. spoiny pomiarowej T (termopara). W praktyce nie korzysta się z wart. bezwzględnych α (wymaga to całkowania), a posługujemy się wartościami tablicowymi α danego materiału w stos. np. do Pt. Przykład wyznaczania STEM dla konkretnej spoiny (t 0 = 0 0 C, t = C): dane Au-Pt: +1,84 mv, dane Pd-Pt : - 1,23 mv obliczone Au-Pd: 1,84 (-1,23)= 3,07 mv AB B A 20

21 Termopary Powszechnie stosowane termopary są standaryzowane, a wytwarzane są głównie z materiałów stopowych o składzie często zastrzeżonym przez producenta. Typ (wg.ansi) E J K T R S B Materiały chromel/konstantan Fe/konstantan chromel/alumel, znane również jako NiCr/NiAl Cu/konstantan (Cu/CuNi) Pt/Pt-13%Rh Pt/Pt-10%Rh Pt-6%Rh/Pt-30%Rh Właściwości termoelementu typu K: termoelektroda pierwsza NiCr (plusowa), skład: 85% Ni, 12% Cr oraz inne pierwiastki w małych ilościach termoelektroda druga NiAl (minusowa), skład: 95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si, prawie prostoliniowa charakterystyka termometryczna, odporny na atmosferę utleniającą, w wyższych temperaturach wrażliwy na atmosferę redukującą i na obecność związków siarki, zakres roboczy największy: od C do C, średnia czułość 41 μv/k. 21

22 Termopary Charakterystyki termometryczne najczęściej stosowanych termoelementów 22

23 Termopary Typowe termopary wykonywane są jako tzw. termoelementy płaszczowe Z wykorzystaniem technologii mikromechanicznej wytwarzane są termopary na membranie. Ich mała pojemność cieplna i dobra izolacja termiczna umożliwiają pomiary promieniowania temperaturowego (IR). W przedstawionym rozwiązaniu złącze zimne znajduje się na podłożu dobrze przewodzącym ciepło. Złącze gorące umieszczone jest w centralnej części membrany o małym przewodnictwie cieplnym. Dodatkowo absorber umieszczony jest tak, aby ogrzewać złącze gorące. 23

24 Termopary Termostosy technologia MEMS: 24

25 Pomiary z wykorzystaniem Podstawowy obwód pomiarowy termoelementu termoelementów Zmiana temperatury odniesienia wprowadza błąd pomiaru. W temp. odniesienia 0 0 C mierzy się ε t. W temp. odniesienia t r mierzy się ε a = ε t - ε r 25

26 Sposoby kompensacji zmian temperatury odniesienia 1. Oddalenie złącza odniesienia od źródła ciepła z zastosowaniem przewodów kompensacyjnych PX, NX - przewody o właściwościach termoelektrycznych identycznych z termoelementami (dla PtRh-Pt stopy miedzi i niklu) Połączenie termoelementu z przewodami kompensacyjnymi o niewłaściwej biegunowości powoduje błędy pomiarowe znacznie większe niż brak przewodów kompensacyjnych i zastąpienie ich przewodami miedzianymi. 2. Termostat stabilizujący temperaturę odniesienia, np C 26

27 Sposoby kompensacji zmian temperatury odniesienia, c.d. 3. Automatyczna korekcja zmian temp. odniesienia - Termometr (Cu, Ni): R t = R 0 [1 + α (t 0 t 0 )] - R niezależne od temp. - termopara: Δε = k (t 0 t 0 ) warunek kompensacji: Δε = - U N = 0 warunek ten jest spełniony dla U z = 4k/α 4. Obliczenia mikroprocesora wg relacji: t = t d + C t r t d, t r temp. mierzone, C stała dla termopary 27

28 Pirometry Są to termometry do zdalnego pomiaru temperatury (bezkontaktowe), których działanie oparte jest na analizie wysyłanego przez ciała promieniowania. Od temp. krzepnięcia Ag (961,78 0 C) pirometry monochromatyczne używane są jako termometry wzorcowe. Podział pirometrów: pirometry promieniowania całkowitego, radiacyjne (szerokopasmowe) pirometry monochromatyczne (z zanikającym włóknem) pirometry dwubarwowe (stosunkowe) pirometry wielobarwowe Podstawowe prawa promieniowania temperaturowego: Prawo Plancka Natężenie promieniowania monochromatycznego (emitancja energetyczna), tj. moc na jednostkę powierzchni i jednostkę długości fali (Wm -2 µm -1 ) wynosi: c λ dług. fali, c 1,c 2 stałe radiacyjne 1 5 c2 / T ( e 1) ε λ emisyjność monochromatyczna źródła (dla c.dosk. czarn. równa 1) 28

29 Pirometry Prawo Stefana-Boltzmanna Promieniowanie jest absorbowane przez detektor w skończonym przedziale długości fali. Całkowanie wzoru Plancka wzgl. dług. fali daje moc na jednostkę powierzchni promieniowaną przez obiekt o temp. T b T σ = 5.67x10-8 W/m 2 K 4 ε - emisyjność, zależna od stanu powierzchni i temperatury Powyższa zależność, zwana prawem S-B jest podstawą działania pirometrów szerokopasmowych. Dokładna analiza zjawiska wymiany prom. między obiektem i sensorem musi uwzględnić również prom. odbite oraz wyemitowane przez sensor. Prowadzi to do zależności: 4 s 4 ( T Ts 4 ) ε S, T S emisyjność i temp. sensora 29

30 Pirometr dwubarwny Pomiar poprzez porównanie natężenia promieniowania emitowanego przez obiekt w dwu różnych długościach fal (λ=0.55μm i λ=0.65μm - zielonej i czerwonej). Analiza przebiegu emitancji energetycznej Φ λ w zależności od emisyjności źródła ε wskazuje, że dla sąsiednich długości fali obowiązuje zależność: x y x y x y Zatem pomiar sygnału w dwu sąsiednich wąskich zakresach spektralnych eliminuje potrzebę wyznaczania emisyjności źródła ε. 1 1 Spektrum emisyjne dla źródła o temp. 600 o C i trzech różnych emisyjnościach ε Stanowi to podstawę tzw. pirometrii dwubarwnej. 30

31 Budowa pirometrów Pirometr dwubarwny Pirometr szerokopasmowy Jako detektory stosuje się tzw. detektory fotonowe (fotowoltaiczne lub fotoprzewodnościowe), λ 1, λ 2 określają wąskie pasma leżące blisko siebie. Jako detektory stosuje się tzw. detektory termiczne (bolometry termistorowe lub termostosy). Wymagane jest szerokopasmowe okno wejściowe. 31

32 Złącze p/n jako czujnik temperatury Złącze p/n diody (wytw. z tranzystora) polaryzujemy w kierunku przewodzenia. I = I S [exp(qu BE /kt) 1] dla qu BE >> kt U BE = (kt/q) ln (I/I S ) dla I = const. uzysk. dobrą liniowość w zakr C do C Dla tranzystorów krzemowych: U BE / T - 2,25 mv/k dla T=300 K i I=10 μa I S zależy jednak nieznacznie od temperatury. Poprawę liniowości uzyskuje się w układzie różnicowym. 32

33 Złącze p/n jako czujnik temperatury Spadki napięć na złączach przy zasilaniu prądowym wynoszą U F1 Napięcie różnicowe U U F1 U F2 kt q kt q I ln( I I ln I F1 F2 F1 S1 I I S2 S1 ) U F2 kt q I ln( I Dla danej technologii tranzystorów można przyjąć, że gęstości prądów emiterowych są jednakowe J S1 = J S2. Oznaczając stosunek przekrojów emiterów jako r = A S2 /A S1 otrzymuje się kt q F1 F2 I ln I J J F2 S2 S2 S1 A A e2 e1 ) U kt q I ln( I F1 F2 r ) Dla I F1 = I F2 oraz r = 4 otrzymuje się kt U ln4 120 q V T [K ] 33

34 Złączowy czujnik temperatury, układ Przedstawiony układ jest praktyczną realizacją omawianej metody różnicowej z wykorzystaniem złączy p/n. Wytwarzany jest często jako element scalony w podłożu krzemowym w układach wymagających regulacji temperatury (np. w mikromechanicznych cz. ciśnienia). Tranzystory Q 3 i Q 4 tworzą tzw. lustro prądowe zapewniające równość I C1 = I C2 = I Napięcie V T na rezyst. R jest równe V T V be1 V be2 scalony I T R a zatem jest proporcjonalne do temp. bezwzględnej. 2 Tego typu czujniki temp. nazywane są PTAT (Proportional To Absolute Temperature). k q lnr T 34

35 Scalony czujnik temperatury - 1 Size: TO-92 package (about 0.2" x 0.2" x 0.2") with three leads Price: $2.00 Temperature range: -40 C to 150 C / -40 F to 302 F Output range: 0.1V (-40 C) to 2.0V (150 C) but accuracy decreases after 125 C Power supply: 2.7V to 5.5V only, 0.05 ma current draw Analog Devices TMP36 (LM35) Temp in C = [(Vout in mv) - 500] / 10 35

36 Scalony czujnik temperatury - 2 Can Be Powered From Data Line. Power Supply Range is 3.0V to 5.5V Measures Temperatures from -55 C to +125 C (-67 F to +257 F) 0.5 C Accuracy from -10 C to +85 C 9-Bit Thermometer Resolution Converts Temperature in 750ms (max) User-Definable Nonvolatile (NV) Alarm Settings 1-Wire Parasite-Power Digital Thermometer Dallas DS 18S20 36

37 Półprzewodnikowy czujnik temperatury wykorzystujący technikę światłowodową Przesunięcie krawędzi absorpcji półprzewodnika ze wzrostem temperatury w kierunku dłuższych fal na tle widma emisji diody nadawczej. Po przejściu przez półprzewodnik natężenie światła maleje. Wzrost temp. powoduje dalszy spadek natężenia. 37

38 Materiały dodatkowe, źródła POMIAR TEMPERATURY : Temperature Sensor Design Guide: Temperature sensor tutorial - Using the TMP36 / LM35: LM35: Fragment książki z Analog Devices: Section 3-2: Temperature Sensors INDUSTRIAL TEMPERATURE SENSORS: Nota aplikacyjna Dallas DS18S20: Temperature Sensors Products (Microchip): Temperature Sensors and Control ICs (Texas Instruments): TSEV0108L39 - contact-less temperature measuring system: 38