ПРЕТВАРАЧИ ТЕМПЕРАТУРЕ

Παρουσίαση με θέμα: "ПРЕТВАРАЧИ ТЕМПЕРАТУРЕ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ПРЕТВАРАЧИ ТЕМПЕРАТУРЕ
ДМ ТШ Милета Николић

2 МЕРЕЊЕ ТЕМПЕРАТУРЕ Око 50% свих мерења у индустрији чине мерења температуре и протока. У неким гранама индустрије као сто су електране, топлане, хемијска постројења и сл. ова мерења чине и до 80% свих мерења. Температура је физичка величина која представља степен загрејаности тела и повезана је са термодинамичким стањем тела и његовом унутрашњом енергијом ДМ ТШ Милета Николић

3 МЕРЕЊЕ ТЕМПЕРАТУРЕ У складу са Другим законом термодинамике: топлота прелази са тела са већом енергијом на тело са мањом енергијом Преношење топлоте се обавља: 1. КОНДУКЦИЈОМ (ПРОВОЂЕЊЕМ) 2. КОНВЕКЦИЈОМ (ОДВОЂЕЊЕМ) 3. РАДИЈАЦИЈОМ (ЗРАЧЕЊЕМ) Термометар У складу са Другим законом термодинамике, при узајамном деловању два тела са различитим температурама топлота прелази са тела са већом енергијом на тело са мањом енергијом. Прелажење топлоте се врши кондукцијом (провођењем), конвекцијом (одвођењем) и радијацијом (зрачењем). Промена топлотног стања тела је праћена пропратним ефектима и појавама као што су латација (издуживање), експанзија (повећање запремине), термоелектрицитет, зрачење (инфрацрвено) и сл. Због пропратних ефеката се мењају одређена физичка својства тела: дужина, запремина, термоелектрична сила, отпорност итд. Ове величине називамо термометарским величинама јер се њиховим мерењем долази до сазнања о вредности температуре. Закључујемо да је температуру могуће измерити само посредним путем, преко термометарских величина које су подложне (мање или више) директном мерењу а у функционалној су вези са температуром. Сензор за мерење температуре се обично назива термометар, а област технике која се бави мерењем температуре термометрија.

4 Промена топлотног стања тела праћена је пропратним ефектима као сто су промена запремине тела, појава термоелектрицитета, зрачење. Температуру тела могуће је измерити само посредно преко величина које се још називају термометарским и које су у функционалној вези са температуром а подложне су директном мерењу. Област мерења температуре се назива Термометрија и непрекидно се развија око 5 векова ДМ ТШ Милета Николић

5 Сматра се да је први термометар конструисао Галилеј у XVI веку и састојао се од сталене посуде са цевчицом у којој је био алкохол. Такав термометар је служио само за индикацију промене температуре пошто није имао скалу. ДМ ТШ Милета Николић

6 1711. Фаренхајт (Холандија) је уместо алкохола употребио живу и дефинисао скалу. За најнижу температуру је узео смесу леда и соли и означио је са 32 степена а за највишу тачку је узео температуру кључања воде и означио је са 212 степени. 1790. Реомир (Француска) је конструисао сличан термометар са алкохолом са истим крајњим тачкама али је тај опсег поделио на 80 подеока ДМ ТШ Милета Николић

7 1742. Целзијус (Шведска) је исти опсег са истим фиксним тачкама поделио на 100 подеока и доњу тачку означио са 100° а горњу са 0° 1845. ове вредности су обрнуте и тако је настала скала какву данас познајемо а од она се званично зове Целзијусова скала ДМ ТШ Милета Николић

8 ПОДЕЛА ТЕМПЕРАТУРНИХ СЕНЗОРА
У оквиру различитих сензора за мерење темпертуре разликујемо две групе сензора и то: 1) НЕЕЛЕКТРИЧНИ СЕНЗОРИ код којих се промена темпертуре манифестује променом физичких димензија сензор Течни (експанзиони) термометри (-120 до 320°C) Манометарски термометри (-160 до +600°C ) Дилатациони термометри (0 до +400°C ) Биметални термометри ( -30 до +300°C ) ДМ ТШ Милета Николић

9 Термоелектричми термометри (-200 до +1600°C)
2) ЕЛЕКТРИЧНЕ СЕНЗОРЕ код којих се са промено температуре мења неки електрични параметар сензора Термоелектричми термометри (-200 до °C) Отпорни термометри (-268 до +1064°C) Полупроводни термометри ДМ ТШ Милета Николић

10 Експанзиони термометри свој рад базирају на појави да се тело шири са порастом температуре а скупља са падом температуре. На овом принципу ради и живин термометар који најчешће срећемо са опсегом (-38.8÷357°C) (тачка мржњења и тачка кључања живе), керозин(0÷80°C) алкохол(-80÷80°C) . Поред наведених, могу да се користи гас (азот) и лако испарљиве течности метал-хлорид, ацетоне, фреон. ДМ ТШ Милета Николић

11 М Е Р Е Њ Е Т Е М П Е Р А Т У Р Е Експанзиони термометри
М Е Р Е Њ Е Т Е М П Е Р А Т У Р Е Експанзиони термометри То су термометри чији се ради медијум (средина) грејањем «шири» а хлађењем «скупља», тако да линеарно мења своје димензије. Уколико је радни медијум смештен у простор константне запремине тада се уместо промене запремине јавља промена притиска. Овај сензор чине балон као резервоар гаса, капилара (врло уска цев) као спојни вод и сензор притиска. Сензор притиска је обично Бурдонова цев, спирала или хеликоида и отуда популарни назив за ову врсту термометара – манометарски термометри. Јасно је да ће у деформисању (испружању) Бурдонове цеви учествовати притисак у цеви ( притисак у односу на околину ! ) и температура околине. Како се овим поступком најчешће мери температура удаљеног простора (и преко 50 метара) то се уводи идентичан мерни уређај у коме су унутрашњи и спољни притисци једнаки па истезање Бурдонове цеви зависи искључиво од температуре. Уколико се ова два мерна инструмента механички спрегну као на Слици.а компензациони инструмент ће кориговати грешку која настаје због деловања температуре околине. Уколико се отвор цеви компензационог инструмента затвори може се постићи и прилично добра компензација утицаја промена атмосферског притиска. Експанзиони термометри са течношћу Типичан експанзиони термометар са течношћу је живин термометар чији рад, као опште познат, неће бити описан. Експанзиони термометри

12 Манометарски претварачи заснивају рад на зависности притиска тела (при сталној запремини) од температуре. Састоји се од термичког балона, осетљивог манометра и спољног капилара пресека неколико милиметра. Најчешће се примењује гасни термометар чији је затворен систем испуњен инертним гасом. ДМ ТШ Милета Николић

13 легуре гвожђа и никла (опсег 0 ÷ 200 °C)
Дилатациони термометри свој рад заснивају на принципу повећања димензије чврстих тела са порастом температуре где је зависност у одређеном опсегу линеарна. Праве се од: бакра (опсег 0 ÷ 150 °C) месинга (опсег 0 ÷ 400 °C) легуре гвожђа и никла (опсег 0 ÷ 200 °C) Користе се за израду термостата и имају релативно ниску цену ДМ ТШ Милета Николић

14 Биметални сензори температуре се праве у облику трака од два слоја материјала са различитим коефицијентом линеарног ширења где се трака, приликом пораста температуре, савија у страну материјала са мањим коефицијентом линеарног ширења. Користе се такође за израду термостата за опсег -30 ÷ 300 °C ДМ ТШ Милета Николић

15 Биметални сензори температуре
Они се праве у облику траке, спирале или хеликоиде и чини их спрег дод два метала истог облика, а различитих коефицијената линеарног ширења, као што су комбинације инвар-месинг, инвар-челик итд. Због различитог коефицијента линеарног ширења се при порасту температуре биметална трака савија на страну метала са мањим коефицијентом линеарног ширења. Биметална трака је посебно распрострањена за градњу термостата за температуре – 30 oC до +300 oC. Овде наглашавам да су термостатски давачи сензори који одређују (мере) једну, одређену, унапред задату температуру.

16 ЕЛЕКТРИЧНИ СЕНЗОРИ ТЕМПЕРАТУРЕ
Термоелементи су се прво користили за мерење високих температура (0 ÷ 1000 °C) али је касније њихова употреба проширена и на врло ниске температуре чак до1К. Свој рад заснивају на једном од термоелектричних ефеката у проводницима: Томпсонов ефекат Пелтијев ефекат Зибеков ефекат ДМ ТШ Милета Николић

17 Термоелектричне појаве: Термоелектрични потенцијал
Термоелементи Термоелектричне појаве Првобитна намена термоелемената је била за мерење високих температура у опсегу oC. И данас се они примењују и за мерење наведених температура, али им је опсег примене проширен и на ниске температуре реда 1o К па до високих од око 4000 oC. Термоелектрични потенцијал Када су крајеви проводника на разлзичитим температурама, где је Т2 > Т1 између њих настаје топлотни ток од топлијег ка хладнијем крају. Пренос топлоте је уско повезан са кретањем слободних електрона. Њихова концентрација постаје неравномерна дуж проводника. Последица ове неравномерности је појава промене потенцијала дуж проводника. Појава потенцијала резултира појавом неке струје. Једновремено се јавља струја која је последица температурног градијента. Пошто је електрично коло отворено (Слика а) то је укупна струја једнака нули. Напон који настаје као резултат појава изазваним температурном разликом Т2-Т1 између крајева посматраног проводника се назива термо-електрични напон и може се сматрати да је за ограничени температурни опсег: UT2 - UT1 = k ( Т2-Т1 ) где је k термоелектрична константа. Зебеков термоелектрични ефекат Затворено термоелектрично коло се сатоји од два два проводника А и В са различитим (неједнаким) термоелектричним константама. Спојеви су на температурама Т1 и Т2 , па ће сваки од проводника постати извор термоелектричног напона. Ако се коло прекине у центру првок споја (Т1) добија се напон на отвореним крајевима UAB = kA (T2 –T1) – kB (T2 –T1) = (kA– kB) (T2 –T1) =  (T2 –T1) Напон UAB је Зебеков напон (1821. година) , а константа  се назива Зебекова константа пропорционалности и она зависи од особина два проводника који граде термоелемент. Пелтијев термоелектрични ефекат Ако се на крајеве термоелектричног кола прикључи једносмерни напон кроз читаво коло ће тећи нека струја I. Због ове струје настаје повратни (реверзибилни) процес: један крај се хлади (топлотни понор), а други се греје (топлотни извор). Промени ли се смер струје, претходно загревани спој се хлади и обрнуто. Ово је кратки опис Пелтијевог термоелектричног ефекта. На бази Пелтијевог ефекта се граде минијатурни грејачи и хладњаци. Будући да је процес реверзибилан, у затвореном колу од два проводника је могуће грејањем хладнијег споја и хлађењем топлијег споја генерисати струју. На бази овог се праве термоелектрични генератори као сензори неких термичких величина.

18 Стабилност и поновљивост термоелектричног својства
За израду термопарова се у принципу могу употребити било која два чиста метала или легуре али је у пракси ограничен број комбинација јер се од термопара захтева: Стабилност и поновљивост термоелектричног својства Што линеарнија зависност термоелектричног напона од температуре Висока осетљивост Могућност механичке обраде Приступачна цена ДМ ТШ Милета Николић

19 АNSI класификација Pl – Rh (0 °C ÷ 1300 °C)
Fe – Constntan (-200 °C ÷ 1000 °C) Ni – Cr Ni (0 °C ÷ 1200 °C) ДМ ТШ Милета Николић

20 Принцип рада ДМ ТШ Милета Николић

21 Предности термопарова су:
У називу термоелемента стоје два метала при чему првоименовани метал представља позитивни а другоименовани метал негативни прикључак Предности термопарова су: Рад без спољашњег извора енергије јер је активан сензор Једноставна и компактна конструкција Широк температурни опсег (-270 °C ÷ 4000 °C) Висока тачност (±0.25% ÷ 0.75% мерног опсега за стандардну израду, односно ±0.1%÷0.4% мерног опсега за специјалну израду) ДМ ТШ Милета Николић

22 Недостатци термопарова су: Низак ниво излазног сигнала (до 100 mV)
Мала осетљивост (10 ÷ 70 mV/°C) што отежава мерење малих температурних промена Нелинеарна статичка карактеристика Осетљивост на хемијско деловање радне околине ДМ ТШ Милета Николић

23 ДМ ТШ Милета Николић

24 ДМ ТШ Милета Николић

25 ОТПОРНИ ПРЕТВАРАЧИ Заснивају рад на промени електричне отпорности радног тела у зависности од промене температуре. Отпорност на температури Отпорност на температури Температурни коефицијенат отпорности Референтна температура 0°C ДМ ТШ Милета Николић

26 Отпорни сензори се најчешће праве од намотане жице а могу се правити напаравањем метала (најчешће платине) на керамичку или стаклену подлогу. Овакви сензори имају велики однос површине и запремине што омогућава веома брз одзив при мерењу површинске температуре. Недостатак је неравномерно наношење металног филма на подлогу (уколико се јави) што узрокује лошију статичку карактеристику у односу на жичани отпорник ДМ ТШ Милета Николић

27 Платински отпорни сензори
широк мерни опсег, –260 до +850°C позитиван температурни коефицијент добра линеарност RT= R0 [ 1 + аТ + bТ2 ] мали температурни коефицијент, зато се везује у мостну шему Стандард Pт100 – отпорност 100Ω на 0°C и 138Ω на 100°C Pт1000 – опторност 1000Ω на 0°C Поред платине могу се користи Cu и Ni ДМ ТШ Милета Николић

28 Користи се поједностављени линеарни модел:
За Pт100 важи: Користи се поједностављени линеарни модел: Pт100 се повезује у једну грану моста. Опсег примене -200 до 750˚C Осим платине могу да се користе и бакар (-50ºC до 200ºC) и никл (-60ºC до 150ºC). ДМ ТШ Милета Николић

29 Отпорни сензор од Ni-жице
У односу на платину Никл има: већи линеарни температурни коефицијент отпора већи однос отпора на 100 °C и 0 °C статичка карактеристика је нелинеарнија и још нестабилна и нерепродуктивна опсег температуре је мањи јер се при вишим температурама јављају корозија и оксидација Имају нижу цену и користе се у техници грејања, хлађења и климатизације за мерење температуре ваздуха ДМ ТШ Милета Николић

30 Отпорни сензор од Cu-жице
Бакар је јефтин метал који се може добити са високим процентом чистоће и има: линеарни коефицијент отпора α=0.0042÷ /°C Однос R100/R0=1.426 ÷ 1.428 стабилну и репродуктивну карактеристику која је нешто нелинеарнија у односу на карактеристику платине Користи се за опсег температуре °C ÷ 180 °C док се на вишим јавља оксидација и корозија ДМ ТШ Милета Николић

31 Конструкција металног термоотпорничког сензора
Отпорнички сензори температуре Метални отпорнички сензори температуре Зависност отпора од температуре јенуочио године Х. Дејви. Сензори који раде на овом принципу се често означавају као RTD Resistence Temperature Detector). Термоотпорници се граде у облику калема, по правилу са бифиларним намотајима (да би се избегле радиосметње). Пречник жице је 0,05 – 0,1 милиметар а дужина 50 – 100 милиметара. Материјали од којих се граде жичани сензори су најчешће платина, никал и бакар. Најбољи, али и најскупљи материјал за израду термоотпорника је платина. Користи се за рад у опсегу –260 oC до +600 oC. Никал, гвожђе и љихове легуре се такође користе за израду термоотпорника у опсегу –50 oC до +250 oC. Сензори са оваквим термоотпорницима се углавном користе у тзв. KHG раду (климатизација, хлађење, грејање). Бакар је материјал који се добија са врло високоим процентом чистоће и користи се за температурни опсег –50 oC до +180 oC. применљивим за мерење брзих промена температуре и мерења температуре површине. Како се мери температура термоотпорним сензором? Термоотпорни сензор је пасивни сензор и за мерење мора да има спољашњи извор. То може да буде извор константног напона, или извор константне струје. У првом случају је излаз струја која је обрнуто сразмерна величини отпорности, односно температури (овај начин се ређе користи). Други поступак је са извором константне струје. Излаз је напон на термоотпорничком елементу који је директно сразмеран отпорности (односно температури). Предности употребе металних термоотпорничких сензора висока тачност мерење апсолутне температуре брз одзив мале димензије приступачна цена Недостатци металних термоотпорничких сензора потреба за спољашњим извором мала промена отпора ( за ‘Pt100’ R100/R0 = 1,668/1,664) појава самозагревања механичка осетљивост

32 ДМ ТШ Милета Николић

33 ДМ ТШ Милета Николић

34 ДМ ТШ Милета Николић

35 ДМ ТШ Милета Николић

36 ДМ ТШ Милета Николић

37 ДМ ТШ Милета Николић

38 ДМ ТШ Милета Николић

39 ДМ ТШ Милета Николић

40 ДМ ТШ Милета Николић

41 ДМ ТШ Милета Николић

42 ДМ ТШ Милета Николић

43 ДМ ТШ Милета Николић

44 ДМ ТШ Милета Николић

45 Полупроводнички температурни сензори
Отпорни силицијумски сензори релативно узак мерни опсег, –50 – +150°C. Користе се у многим областима које овај покрива овај опсег: прохрамбена индустрија, климатизација, метеорологија, кућни апарати, аутомобили, силоси позитиван температурни коефицијент осетљивији од платинских сензора, нису неопходни мерни мостови потребна линеаризација или дигитална обрада ДМ ТШ Милета Николић

46 Термистори Термистори су нелинеарни отпорници код којих се специфична електрична отпорност мења са променом температуре. NTC имају негативан температурски коефицијенат PTC имају позитиван температурски коефицијенат ДМ ТШ Милета Николић

47 NTC термистори Главна предност у односу на друге температурске претвараче је велика осетљивост. Производе се од смеше оксида метала (Fе,Cr,Mn,Cо,Ni) у праху који се синтерују на температурама већим од 1000ºC чиме се формирају отпорници облика лоптице, диска или цилиндра. Маx радне температуре износе 300ºC до 350 ºC. У последње време се израђују и термистори са маx радним температурама до 700ºC, па и до 1000 ºC. Осетљивост опада са порастом температуре. A,B-const karakteristične za pojedine termistore ДМ ТШ Милета Николић

48 Termistori ДМ ТШ Милета Николић

49 NTC termistori A typical disc thermistor ДМ ТШ Милета Николић

50 PTC термистори PTC се користе као сензори који при одређеној температури дају дискретан сигнал. Ретко се користе за мерење температуре, него као елементи за заштиту. Мерни опсег је узак, али је осетљивост десет пута већа у односу на NTC. Производе се од баријум-титаната (BаTiО3) који је изолатор, али се допирањем смањује његова отпорност. Добија се синтеровањем млевеног материјала слично као NTC. ДМ ТШ Милета Николић

51 ПОЛУПРОВОДНИ СЕНЗОРИ ТЕМПЕРАТУРЕ
Транзистор као сензор температуре. Пораст температуре утиче на промену инверзне струје ICBO кроз инверзно поларисани спој колектор-база. Типичне вредности ових струја су 1 А за силицијумске транзисторе и 100 А за германијумске транзисторе на температури 20 °C. Са порастом температуре за 10 °C ова се струја удвостручава али је и даље тешко мерити тако мале струје. Већу практичну примену има промена напона база-емитор UBE ,која је генерално нелинеарна, али се у опсегу -270 °C ÷ 200 °C може апроксимирати линеарном функцијом Диода као сензор температуре је једноставнија у односу на транзистор, мањи су јој губитци и има бржи одзив. За практичну примену се користе и директна и инверзна поларизација диоде с тим што је, при директној поларизацији, опсег температура већи. Поред класичних диода употребљавају се и тзв. транзисторске диоде које настају спајањем колектора и базе транзистора Транзистори и диоде се најчешће користе за израду температурних релеа минијатурних димензија тако да могу да се уграде директно у електронске уређаје и чипове где укључују заштиту од прегревања. ДМ ТШ Милета Николић

52 Транзистор као сензор температуре
Пораст температуре утиче на смањивање струје кроз инверзно поларисани спој колектор – база: I CB0. Типичне вредности ових струја су око 1 А код силицијумских транзистора, односно око 10 А код германијумски транзистора. При порасту температуре од 10 oC ове вредности се готово удвостручавају. Но и поред тога (и поред чињенице да је промена I CB0 врло линеарна) се ретко користи за мерење температуре јер је тачно читање микроструја прилично сложен посао. Већу примену за мерење температуре има зависност напона база-емитер UBE (при константној струји колектора I C ) која није најлинеарнија, али се у доста широком опсегу температура њена нелинеарност може да занемари. Операциони појачавач на Слици 61. има функцију да обезбеди да кроз отпорник R тече константна струја, која је једновремено струја колектора транзистора. У колу на Слици напон UBE је једновремено и излазни напон U I .

53 Диода као сензор температуре
У односу на транзистор диода је једноставнија, има само два извода, мањи су јој губитци и има бржи одзив. Мерење температуре помоћу диоде се своди на утврђи-вање (мерење) промена особина p – n споја у функцији температуре. Диоде имају два основна режима рада: директна и инверзна поларизација. У првом режиму диода проводи и у колу се «понаша» као отпорник чија се отпорност мења са температуром. Детектовање ове промене (баждарено у јединицама температуре) може да се учини помоћу нпр «мостне шеме» као на Слици 62. У режиму инверзне поларизације се јавља тзв Зенеров напон који веома зависи од температуре и мерењем овог напона се може мерити температура. Најбоља особина сензора са транзисторима и диодама као сензорским елементима је минијатурност, поновљивост особина, лака и поуздана заменљивост компоненти и ниска цена. Температурни опсег је –250 oC до око +200 oC.