SNÍMAČE A MČ TEPLOTY princípy a vlastnosti PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 1

SNÍMAČE A MERACIE ČLENY TEPLOTNÝCH VELIČÍN Základné pojmy Teplota stavová veličina prírodných a technických systémov termodyn. stav. veličina, účinnosť vratného termodynamického (Carnotovho) cyklu, nezávislosť od použitej teplomernej látky veľmi často sledovaná veličina, výrobná i nevýrobná sféra, tj. aj v automatizačnej technike - kvalita a výrobná cena produktov najčastejšia poruchová veličina, potrebná kompenzácia Teplotné stupnice Termodynamická (absolútna) teplotná stupnica, základná jednotka kelvin (K), 273,16-tá časť termodynamickej teploty trojného bodu vody, stupeň Celsia (°C) TC= TK – T0; T0=273,15 (K), p=613,28Pa, t=0,01°C Medzinárodná praktická teplotná stupnica - ITS-90 (International Temperature Scale) empirická stupnica, 17-bodov, interpolačné rovnice, špecializované interpolačné prístroje (etalónový platinový odporový teplomer od 13,81 K do 630,74 °C) skriptá SaP PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 2

Rozdelenie snímačov Dotykové elektrické (odporové - kovové, polovodičové, termoelektrické) dilatačné (bimetalové, tlakové, sklenené) špeciálne (šumové, teplomerné farby) Bezdotykové pyrometre (napr. jasové, radiačné, fotoelektrické) termovízia infrafotografia PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 3

Snímače pre dotykové meranie teploty Dilatačné snímače teploty Činnosť dilatačných snímačov teploty je založená na teplotnej rozťažnosti látok všetkých skupenstiev Najčastejšie sa pri realizácii používajú vhodne vytvarované dvojkovy (bimetaly) PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 4

Prevodové charakteristiky odporových snímačov teploty Odporové snímače Prevodové charakteristiky odporových snímačov teploty Princíp zmena elektrického odporu od teploty, snímaná teplota v rozsahu od -150 do 600 °C (špeciál -200 do +1000 °C) Požiadavky na materiál veľká hodnota a stálosť teplotného koeficientu odporu a minimálna hodnota špecifického odporu snímača Snímače teploty (nelineárne prevodové char.) kovové (platina, meď, nikel, molybdén) polovodičové (termistor NTC – Negative Thermal Coefficient, kremík) polovodičové s PN prechodom (dióda, tranzistor) PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 5

Meracie odporové články Pt 100, 500, 1000 tvoria základnú konštrukčnú časť snímača, výrobné technológie: drôtiková (v súčasnosti najčastejšie riešenie,  0,045 mm) tenkovrstvová hrubovrstvová Ochranné púzdro, hlavica – svorkovnica, DMP (4-20mA), IMČ? ISS (embedded, μC) Platinový odporový snímač teploty Pt100, konštrukčné usporiadanie a merací článok Príklady keramických platinových meracích odporov Pt 100, ich rozmery PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 6

Odporové kovové snímače Tenkovrstvová technológia Tenkovrstvový snímač platinový snímač podložka z Al2O3 – korund naparovanie a iontové leptanie PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 7

Materiály odporových kovových snímačov Platina chemická odolnosť, stálosť parametrov, vysoká teplota tavenia, vysoká čistota 99,93% až 99,99% čistota platiny je určená redukovaným odporom W100 (katalóg) zameniteľnosť – STN IEC 751 ( STN 25 8306 Prevádzkové odporové snímače teploty) – dve tolerančné triedy (pre W100=1,385) Trieda A: od - 200 °C do 650 °C Trieda B: od -200 °C do 850 °C PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 8

Tolerancie Pt meracích odporov podľa IEC Štandardná hodnota odporu snímača Pt 100 pri 0 °C je 100 .. Okrem toho sa vyrábajú snímače Pt 50, 200, 500, 1000 a 2000  Chyba pri 0 °C v tolerančnej triede A má hodnotu  0,125 °C, tj.  0,06  a  0,25 °C, tj.  0,12  v triede B Dlhodobá stabilita Pt meracích odporov závisí na čistote materiálu a pohybuje sa pri prevádzkových snímačoch okolo 0,05 %/1000 h PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 9

Vyhodnocovacie obvody nevyvážené Wheatstonove mostíky, merací odpor R vo vetve mostíka, prúdy Pt 100 pri 100  max. 10 mA Dvojvodičové zapojenie snímača Pt 100 Trojvodičové zapojenie snímača Pt 100 PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 10

Vyhodnocovacie obvody nevyvážené Wheatstonove mostíky, merací odpor R vo vetve mostíka, prúdy Pt 100 pri 100  max. 10 mA Xskriptá SaP Dvojvodičové zapojenie snímača Pt 100 Trojvodičové zapojenie snímača Pt 100 PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 11

Vyhodnocovacie obvody nevyvážené Wheatstonove mostíky, merací odpor R vo vetve mostíka, prúdy Pt 100 pri 100  max. 10 mA PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 12

Vyhodnocovacie obvody klasická metóda merania elektrického odporu (Rj  105 ) Štvorvodičový merací obvod najpresnejší číslicová technika spracovania signálu PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 13

V uvádzaných vyhodnocovacích zapojeniach musí z princípu činnosti pretekať meracím odporom prúd, ktorý spôsobuje chybu merania vplyvom ohrievania samotného snímača. Chybu možno vyjadriť vzťahom kde D [ W.K-1 ] je zaťažovacia konštanta (skriptá SaP) Z tohto dôvodu výrobcovia udávajú maximálny prípustný prúd pre nimi vyrábaný odporový snímač teploty, napr. pre Pt 100 (pri 0 °C) najčastejšie 10 mA. Ak sa však vyžaduje chyba merania menšia ako 0,1 °C nesmie byť merací prúd väčší ako 1 mA PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 14

Príklad AMČ, ČMK (snímač S, merací prevodník MP, ÚADC + μC → ISS) MČ teploty, odporový snímač Pt 100 PRS Snímače a prevodníky - IPS 22. 9. 2018 15

Odporové polovodičové snímače teploty Polovodičové odporové snímače teploty využívajú, podobne ako kovové, závislosť odporu na teplote. Hodnota teplotného koeficienta odporu polovodičov býva niekoľkonásobne väčšia ako pri kovoch, pričom podľa jeho charakteru sa tieto prvky delia na : termistory - negastory NTC (AUT –meranie teploty) - pozistory monokryštalické odporové snímače V priemyselnej automatizačnej technike sa používajú na priame meranie teploty len termistory – negastory, oxid kovov (napr. Fe2O3 + TiO2, MnO + CoO a pod.), od -50 C do 150 C Negastory sú termistory so záporným teplotným koeficientom odporu PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 16

Závislosť odporu negastora na teplote, tj Závislosť odporu negastora na teplote, tj. jeho fyzikálna prevodová charakteristika, je daná približným vzťahom t.j. kde R1 [] je odpor termistora pri teplote T1, R2 [] odpor termistora pri teplote T2, Rr [] odpor termistora pri referenčnej teplote Tr, B [K] teplotná konštanta (závisí od materiálu), A [] konštanta závislá na geometrickom tvare materiálu (skriptá SaP) PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 17

Senzor teploty Si a jeho prevodová charakteristika Voltampérová charakteristika termistora v nepohyblivom vzdušnom prostredí a konštrukčné riešenie termistora Senzor teploty Si a jeho prevodová charakteristika Vyhodnocovacie obvody pre odporové polovodičové snímače teploty Požiadavky: minimalizácia vplyvu meracieho prúdu analógová alebo číslicová linearizácia PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 18

Prechodom meracieho prúdu odporovým senzorom teploty, napr Prechodom meracieho prúdu odporovým senzorom teploty, napr. pri vyhodnocovaní odporu mostíkovou metódou, dochádza ku chybe merania vplyvom oteplenia senzora. Chybu je možné vyjadriť vzťahom (podobne ako pri kovových odporových snímačoch) a kde D [W.K-1] je zaťažovacia konštanta Pri návrhu termistorového meracieho člena teploty sa uplatní zaťažovacia konštanta D pri výpočte dovoleného prúdu pre prípustnú chybu oteplením (skriptá SaP) kde R je maximálny odpor snímača v rámci daného rozsahu teplôt Porovnanie → pri snímačoch typu Pt 100 (R0 = 100 ) je pri maximálnej dovolenej chybe oteplením (0,1 C) Idov  1 mA. Pri termistoroch, odpor rádovo v k, max. merací prúd - rádovo v A, náročné meracie obvody Linearizácia char. PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 19

Linearizácia char. odporových kovových a polovodičových snímačov teploty Pt 100 (rozsah 0 až 100 °C) nelinearizovať  ak požadovaná presnosť ≥ ako 0,6 (1%) linearizovať  ak požadovaná presnosť  ako 0,5 R100 =138,5 Ω ∆(R/R0)= 1,45. 10-3 analógovo – hardvérovo (ISS) číslicovo – softvérovo (ISS) Závislosť odporu Pt 100 pre rozsah teplôt od 0 °C do 100 °C (skriptá SaP, ISS KM) PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 20

Linearizácia char. odporových kovových a polovodičových snímačov teploty Vhodné metódy  pripojenie paralelnej, sériovej alebo sériovoparalelnej kombinácie teplotne nezávislých odporov RS so senzorom teploty R Reálna char. Rυ Riešenie spočíva v dimenzovaní odporu RS tak, aby linearizovaná charakteristika obsahovala inflexným bod (TI ) , ktorého umiestnenie v rámci meracieho rozsahu je voliteľné časová nestálosť termistorových senzorov teploty (skriptá SaP, ISS KM, podpora linarizácia.) PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 21

Termoelektrické články Termočlánky - Seebeckov alebo termoelektrický jav (prevod tepelnej energie na elektrickú, ale aj opačne → Peltierove články) Princíp termoelektrického článku Spôsoby vytvárania spojov termočlánkov referenčné materiály: Pb alebo Pt 12  kov-desiatky V/°C polvod. -viac ako 100 V/°C PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 22

STN IEC 584 Termoelektrické články označenie veľkými písmenami prednostne sa používajú termočlánky druhu J, K a S označenie Fe-ko (≈J) len ako náhradné diely V automatizačnej technike termoelektrické články v ochrannom puzdre plášťové termočlánky priame termoelektrické články (bez ochrany puzdrom) (skriptá SaP)- tab. Termočlánky sa zhotovujú z drôtov s minimálnym priemerom 0,35 mm, pre presnejšie merania sa používajú priemery 0,5 až 0,6 mm. Samotné vodiče termočlánku sú izolované keramikou a vyvedené na svorkovnicu. Merací spoj je buď vodivo spojený s dnom ochranného púzdra (neizolovaný termočlánok), alebo je od neho izolovaný (izolovaný termočlánok) PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 23

Vyhodnocovacie obvody termočlánkov Hlavné požiadavky minimalizácia vplyvu kolísania zrovnávacích teplôt, tj. konštantná teplota zrovnávacieho spoja (20 alebo 50 °C), potlačenie rušivých signálov (napr. kompenzácia parazitných termoelektrických napätí, (materiál, predĺženie vedenia, zrovnávacie spoje), minimalizácia vplyvu odporu prívodných vedení, priemery vodičov MČ (mV). PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 24

Priemyselné prevedenie termočlánku, kompenzácia kolísania teploty Z v ČMČ tyčový priemyselný termočlánok s ochranným puzdrom, plášťový termočlánok s izolovaným meracím koncom Meranie teploty pripojovacej svorkovnice v ČMČ (IMČ, ISS) teploty (postup-skriptá SaP) PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 25

Bloková schéma dvojvodičového meracieho prevodníka teploty s termočlánkom Dvojvodičový prevodník s termočlánkom – praktické zapojenie (skriptá SaP) PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 26

Meranie nízkych teplôt (Sk) Bezdotykové meranie teplôt – pyrometria (Sk) Jasový spektrálny pyrometer, Termovízia (temovízna technika) (skriptá SaP) PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 27

Literatúra [1] Šturcel, J.: Snímače a prevodníky. STU Bratislava, 2002, ISBN 80-227-1712-6 [2] Ďaďo, S., Kreidl, M.: Senzory a měříci obvody. ČVUT, Praha, 1996 [3]  Chudý, V., Palenčár, R., Kureková, E., Halaj, M.: Meranie technických veličín. STU, Bratislava, 1999 [4] Zehnula, K.: Čidla robotů. SNTL, Praha, 1990 PRS Snímače a prevodníky - Teplota 22. 9. 2018 28

Podpora k prednáške PRS -Teplota!!! Prvky riadiacich systémov - Úvod 22. 9. 2018 29