Wstęp. Wg. innego kryterium będą to czujniki realizujące pomiar dotykowy (np. termorezystory) bezdotykowy (np. pirometry)

Transkrypt

1 Sensory 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 1

2 Wstęp 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 EM, term. Pt dają zwiększoną stabilność i powtarzalność do temp. ok. 900 o C i są mniej wrażliwe na gradienty temp. 2

3 Wymagania cd.: niezawodność Szczególnie ważna w automatyzacji procesów (czasami ważniejsza niż dokładność). Przydatne są tu termometry mechaniczne (bimetale, czujniki ciśnieniowe), rozwój wymusza jednak stosowanie termometr. z wyj. elektrycznym. niskie koszta Masowe użycie wymaga redukcji kosztów (przejście do techn. grubo i cienkowarstwowej dla term. Pt, nowe generacje pirometrów i bolometrów, podłoża mikromech. Si) Perspektywy rozwoju rozwój technologii warstwowych i mikromech. zwiększone zast. czujników światłowodowych rosnąca rola mikroprocesorów i rozwój czujników z wyj. cyfrowym. 3

4 Skale temperatur Początkowo skale temp. były czysto empiryczne, oparte głównie na rozszerzalności cieczy i gazów. W roku 1742 wprow. 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 uzysk. niezależność skali od substancji roboczej, a temp. przypisana jest tylko jednemu punktowi T tr = 273,16K 4

5 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 okeślonych warunkach). Podano zasady interpolacji między punktami stałymi oraz określono termometry wzorcowe do pomiaru temp. w całym zakresie. Międzynarodowa Skala Temperatur 1990 (ITS-90) Zbieżna w wielu przyp. ze skalą IPTS-68. Wprow. 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. 5

6 ITS-90 Definition of the International Temperature Scale of 1990 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. 6

7 Sensory rezystancyjne (RTD) Sensory rezystancyjne można w ogólności podzielić na metalowe i półprzewodnikowe (termistory). Rezystancja sensorów metalicznych w wąskim zakresie temp. może być przedst. w postaci liniowej zależności: R(t) = R o [1 + α(t - t o )] α temperat. wsp. rezystancji TWR R o rezyst. w temp. t o (na ogół 0 lub 25 o C) W szerszym zakr. temp. trzeba stos. przybliżenia w post. wielomianów wyższych rzędów. Przykładowo dla platyny dobrym przybliżeniem w zakr. od temp. 0 0 C do C (PN-EN zgod. 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 7

8 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 8

9 Sensory rezystancyjne metalowe Najpopularniejszym mat. 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 platyna może być wyciągana w postaci drutów o średnicach mniejszych niż 0,05mm, 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 i dla bardzo czystego drutu Pt osiągnięto: R 100 /R o = 1,3927 w termometrii precyzyjnej stosuje się: R 100 /R o = 1,3910 9

10 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 10

11 Sensory platynowe cienkowarstwowe Cienka warstwa platyny nanoszona jest na podłoże ceramiczne i rezystancja korygowana do żądanej wartości. Zasada nacinania laserem cienkiej warstwy Pt (czujnik bez pokryć zabezpieczających) Gotowy czujnik cienkowarstwowy Pt 11

12 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. Wsp. 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, 3mmΦ x 30 mmm 0,7 mv/k 500 Ω, 3mmΦ x 50 mmm 17,3 mv/k warstwowe 100 Ω, 2 x 10 mmm 1,3 mv/k 1000 Ω, 2 x 10 mmm 4,2 mv/k 12

13 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) Charakterystyki termistorów NTC i PTC w porównaniu do termorezystorów metalicznych RTD 13

14 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: 500Ω 10MΩ. W szerokim przedziale temp. czułość lepiej charakteryzuje współcz. 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. 14

15 Pomiary rezystancji termorezystorów U dla R U w yj w yj UzR IR R R T / R 1 T RT Uz( 1 ) R Kompensacja rezystancji doprowadzeń (w tym przyp. 1 i 3) 1,2,3 przewody identyczne 15

16 Czujniki 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 A(+) metal A dodatni w stos. do B Bezwzględna różnicowa termo-sem danego materiału: a de/dt wiąże powstałe pole elektryczne E a z gradientem temperatury E T a a 16

17 Czujniki termoelektryczne Prąd występuje w obwodzie składającym się z co najmniej dwu różnych materiałów. Względna różnicowa termo-sem a AB a B a A 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 T 2 a (T )dt f (T T AB AB 1 2 T 1 ) Dla niedużego przedziału temperatur można posłużyć się przybliżeniem V a (T AB 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 17

18 Termopary Powszechnie stosowane termopary są standaryzowane, a wytwarzane są głównie z materiałów stopowych o składzie często zastrzeżonym przez producenta. Typ (wg.ansi) Materiały E chromel/konstantan J Fe/konstantan K chromel/alumel, znane również jako NiCr/NiAl T Cu/konstantan R Pt/Pt-13%Rh S Pt/Pt-10%Rh B 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 od C do C, średnia czułość 41 μv/k. 18

19 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. 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. 19

20 Pomiary z wykorzystaniem termoelementów Podstawowy obwód pomiarowy termoelementu Zmiana temperatury odniesienia wprwadza 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 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) 20

21 Sposoby kompensacji zmian temperatury odniesienia, c.d. 2. Termostat stablizujący temp. odniesienia, np C 3. Automatyczna korekcja zmian temp. odniesienia termometr: R t = R 0 [1 + α (t 0 t 0 )] termopara: Δε = k (t 0 t 0 ) warunek kompensacji: Δε = - U N 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 21

22 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 (szerokopasmowe) pirometry monochromatyczne 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: c1e 5 c2 / ( e T 1) λ- dług. fali, c 1,c 2 stałe radiacyjne ε λ emisyjność monochromatyczna źródła (dla c.dosk. czarn. równa 22 1)

23 Pirometry Prawo Stefana-Boltzmanna Promieniowanie jest absorbowane przez detektor w skończonym przedziale długości fali. Całkownie wzoru Plancka wzgl. dług. fali daje moc na jednostkę powierzchni promieniowaną przez obiekt o temp.t 4 b e 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: ee s ( T 4 Ts 4 ) ε S, T S emisyjność i temp. sensora 23

24 Pirometr dwubarwny Analiza przebiegu emitancji energetycznej Φ λ w zależności od emisyjności źródła ε wskazuje, że dla sąsiednich długości fali obowiązuje zależność x y e 0. 4 e 0. 4 x y e 0. 7 e 0. 7 x y e 1 e 1 Zatem pomiar sygnału w dwu sąsiednich wąskich zakresach spektralnych eliminuje potrzebę wyznaczania emisyjności źródła ε. Stanowi to podstawę tzw. pirometrii dwubarwnej. Spektrum emisyjne dla źródła o temp. 600 o C i trzech różnych emisyjnościach ε 24

25 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. 25

26 Złącze p/n jako czujnik temperatury Polaryzujemy złącze p/n diody (wytw. z tranzystora) 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 26

27 Złącze p/n jako czujnik temperatury, c.d. Spadki napięć na złączach przy zasilaniu prądowym wynoszą U F1 kt q I ln I F1 S1 U F2 kt q I ln I F2 S2 Napięcie różnicowe U kt IF1 IS 2 kt IF1 JS 2 UF1 UF 2 ln( ) ln( q I I q I J F2 S1 F2 S1 A A e2 e1 ) 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 U kt I ln( q I F1 F2 r ) Dla I F1 = I F2 oraz r = 4 otrzymuje się U kt q ln4 120V T [ K ] 27

28 Złączowy czujnik temperatury, układ scalony 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 V be1 be2 I T R 2 ln rt a zatem jest proporcjonalne do temp. bezwzględnej. Tego typu czujniki temp. nazywane są PTAT. k q 28

29 Półprzewodnikowy czujnik temperatury z wykorzystaniem techniki światłowodowej 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. 29