9 – 1 9. Merenje temperature U ovom poglavlju biće obrađena posebna grupa senzora koja omogućava merenje temperature električnim putem. Temperatura je najčešće merena veličina u industriji. Procenjuje se da oko 60 % svih merenja u tehnološkim procesima otpada upravo na merenja temperature. 9.1. Termootporni senzori od referentnih materijala Ovo su senzori načinjeni od referentnih materijala, koji imaju tačno određene vrednosti otpornosti na određenim temperaturama. Zavisnost promene otpornosti sa temperaturom posledica je zavisnosti promene specifične otpornosti materijala sa temperaturom: S l S l R 3 2 0 1 (9.1) gde je ρ 0 specifična otpornost na 0 °C. Koeficijenti α, β, γ itd. nazivaju se temperaturnim koeficijentima promene specifične otpornosti datog materijala. α se naziva linearni koeficijent jer stoji uz θ. β se naziva kvadratni koeficijent jer toji uz θ 2 . I tako redom. Najčešće se termootpornici prave od platine jer je se platina može dobiti u veoma čistom stanju, hemijski je neutralna i ima relativno veliki linearni temperaturni koeficijent α. Platinski senzori otpornosti proizvode se sa različitim nominalnim vrednostima otpornosti na 0 °C, prema čemu i dobijaju ime. Npr. Pt-100 ima otpornost 100 Ω na 0 °C, Pt-1000 ima otpornost 1000 Ω na 0 °C, itd. Ovi senzori imaju izuzetno linearnu karakteristika u širokom opsegu. Koeficijenti platine u relaciji 9.1 su: α = +3,9083 ∙ 10 -3 °C -1 β = -5,775 ∙ 10 -7 °C -2 γ = +4,183 ∙ 10 -10 °C -3 δ = -4,183 ∙ 10 -12 °C -4 Osetljivost: Pt-100 ima osetljivost od 0,354 Ω/°C, a Pt-1000 od 3,54 Ω/°C, odnosno 10 puta veću. Selektivnost: Veoma je selektivan ako ne trpi mehanička naprezanja, jer se tada menjaju l i S u izrazu 9.1. Opseg: Od -200 °C do 850 °C Rezolucija: Oko 0,15 °C u blizini nule, ali je na punom opsegu temperatura nešto manja i iznosi oko 1,5 °C. Ofset Mora postojati po definiciji. Na nula stepeni celzijusa on je ili 100 Ω ili 1000 Ω. Nelinearnost Izuzetno je linearan (±2,21 %), pa se koristi kao etalon temperature.
8
Embed
9. Merenje temperature - kelm.ftn.uns.ac.rskelm.ftn.uns.ac.rs/literatura/mut/09_Merenje_temperature.pdf · Međutim, termoparovi za praktična merenja se prave kao spojevi posebnih
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
9 – 1
9. Merenje temperature
U ovom poglavlju biće obrađena posebna grupa senzora koja omogućava merenje temperature
električnim putem. Temperatura je najčešće merena veličina u industriji. Procenjuje se da oko 60 % svih
merenja u tehnološkim procesima otpada upravo na merenja temperature.
9.1. Termootporni senzori od referentnih materijala
Ovo su senzori načinjeni od referentnih materijala, koji imaju tačno određene vrednosti otpornosti na
određenim temperaturama. Zavisnost promene otpornosti sa temperaturom posledica je zavisnosti
promene specifične otpornosti materijala sa temperaturom:
S
l
S
lR 32
0 1 (9.1)
gde je ρ0 specifična otpornost na 0 °C. Koeficijenti α, β, γ itd. nazivaju se temperaturnim koeficijentima
promene specifične otpornosti datog materijala. α se naziva linearni koeficijent jer stoji uz θ. β se naziva
kvadratni koeficijent jer toji uz θ2. I tako redom.
Najčešće se termootpornici prave od platine jer je se platina može dobiti u veoma čistom stanju, hemijski
je neutralna i ima relativno veliki linearni temperaturni koeficijent α. Platinski senzori otpornosti
proizvode se sa različitim nominalnim vrednostima otpornosti na 0 °C, prema čemu i dobijaju ime. Npr.
Pt-100 ima otpornost 100 Ω na 0 °C, Pt-1000 ima otpornost 1000 Ω na 0 °C, itd. Ovi senzori imaju
izuzetno linearnu karakteristika u širokom opsegu. Koeficijenti platine u relaciji 9.1 su:
α = +3,9083 ∙ 10-3 °C-1
β = -5,775 ∙ 10-7 °C-2
γ = +4,183 ∙ 10-10 °C-3
δ = -4,183 ∙ 10-12 °C-4
Osetljivost:
Pt-100 ima osetljivost od 0,354 Ω/°C, a Pt-1000 od 3,54 Ω/°C, odnosno 10 puta veću.
Selektivnost:
Veoma je selektivan ako ne trpi mehanička naprezanja, jer se tada menjaju l i S u izrazu 9.1.
Opseg:
Od -200 °C do 850 °C
Rezolucija:
Oko 0,15 °C u blizini nule, ali je na punom opsegu temperatura nešto manja i iznosi oko 1,5 °C.
Ofset
Mora postojati po definiciji. Na nula stepeni celzijusa on je ili 100 Ω ili 1000 Ω.
Nelinearnost
Izuzetno je linearan (±2,21 %), pa se koristi kao etalon temperature.
9. Merenje temperature
9 – 2
Slika 9.1. Odziv termootpornika Pt-100
Šum:
Da bi se izmerila otpornost, kroz senzor se mora propustiti struja. Ova struja dodatno zagreva otpornik.
Parazitno povećanje odziva proporcionalno je termičkom šumu.
Reverzibilnost:
Ime malo vremensko kašnjenje i ne podnosi dobro nagle promene spoljašnje temperature. Mora se
koristiti u sredini sa sporopromenljivom temperaturom.
9.2. Termistori
Termistor je temperaturno osetljiv otpornik koji se pravi od poluprovodničkih materijala germanijuma,
oksida hroma, kobalta, gvožđa itd. Promena otpornosti sa temperaturom izrazito je nelinearna i u širem
temperaturnom opsegu od -50 °C do +100 °C može se opisati jednačinom:
/CBeAR (9.2)
gde su θ – apsolutna temperatura, a A, B i C konstante, koje zavise od materijala od koga je termistor
napravljen. U užem temperaturnom opsegu promena otpornosti termistora opisuje se eksponencijalnom
jednačinom:
0/1/1
0
BeRR (9.3)
gde je R0 otpornost termistora na nominalnoj sobnoj temperaturi od 20 °C.
Većina termistora ima negativni temperaturni koeficijent B (NTC - Negative Temperature Coefficient),
što znači da im sa povećanjem temperature opada otpornost. Postoje i termistori koji imaju pozitivan
temperaturni koeficijent, tj. kod kojih sa porastom temperature raste otpornost (PTC - Positive
Temperature Coefficient).
Dobre osobine termistora su visoka osetljivost na temperaturne promene, male dimenzije, velika brzina
odziva, velika vrednost otpornosti na 20 °C (reda 10 kΩ do 10 MΩ), neosetljivost na otpornost
priključnih vodova, stabilnost sa starenjem i niska cena.
9. Merenje temperature
9 – 3
Loše strane su izrazito nelinearna karakteristika, velike varijacije parametara (što predstavlja problem
kod zamene termistora), mali temperaturni opseg, nestabilnost na visokim temperaturama i povećano
samozagrevanje zbog velike otpornosti i malih dimenzija.
9.3. Termoparovi
Sastoje se od žica načinjenih od različitih metala spojeih na jednom kraju. Taj kraj na kome su žice
spojene dovodi se na temperaturu koja se meri i zove se „vrući kraj“ ili „merni kraj“. Drugi kraj svake
od žica nalazi se na referentnoj (poznatoj) temperaturi i naziva se „hladan kraj“. Treba imati na umu da
se „hladan kraj“ kraj se može naći i na višoj temperaturi od one na kojoj je „vruć kraj“, ali se iz
tradicionalnih razloga ovi krajevi i dalje ponekad tako nazivaju. Žice su na „hladnom kraju“ razdvojene,
a za referentnu temperaturu se obično uzima trojna tačka vode, odnosno 0 °C, jer se ona veoma lako
rekonstruiše. Dakle, napon na termoparu je proporcionalan razlici temperatura vrućeg i hladnog kraja
Princip rada se zasniva na tzv. Sibekovom (Seebeck) efektu. Koncentracija slobodnih elektrona u nekoj
tački kristalne rešetke metala zavisi od temperature. Ako se suprotni krajevi provodnika drže na
različitim temperaturama, duž provodnika će se javiti gradijent temperature, a samim tim i gradijent
koncentracije nosilaca naelektrisanja, odnosno razlika potencijala. Ta razlika potencijala se naziva
termonapon ili termogeni napon. Iako bi se priključenjem voltmetra samo na jednu žicu mogla
detektovati razlika temperatura, to bi bilo veoma nepraktično, jer bi se i samo merilo moralo izložiti
temperaturi koja se meri. Umesto toga koristi se još jedna žica, ali od drugog materijala.
Ako bi se koristio isti materijal termonaponi bi se u povratku do hladnog kraja poništili. U principu, spoj
bilo koja dva različita metala će proizvesti električni potencijal proporcionalan temperaturnoj razlici.
Međutim, termoparovi za praktična merenja se prave kao spojevi posebnih legura sa predvidivim i
ponovljivim odnosnima temperature i napona. Različite legure imaju različite temperaturne opsege.
Termoparovi se obično označavaju oznakama hemijskih elemenata koji ga čine. Na primer, Au-Pt, Pt-
Pd itd. Kada je neki od materijala legura, onda se češće koriste slovne skraćenice. Na primer termopar
tipa N označava kombinaciju nikrozila i nisila, a termopar tipa K hromela i alumela.
Posebna svojstva kao što su otpornost na koroziju u agresivnim sredinama mogu biti važni za izbor
odgovarajućeg tipa termopara. Kada je merno mesto daleko od instrumenta, konekcija se može ostvariti
umetanjem žica od jeftinijeg materijala u odnosu na one koji se koriste za izradu senzora, kao na slici
9.2.
Slika 9.2. Termopar u postupku merenja i način priključenja na voltmetar
Osetljivost:
Reda 10 μV/°C. Npr. za termopar K tipa: 37 μV/°C
Selektivnost
Izuzetno selektivni, osim u slučaju spoljašnjih promenljivih magnetskih polja koji mogu indukovati
EMS. Zato se žice termopara obavezno upredaju kako bi se poništio fluks eventualnog spoljašnjeg polja.
θmer
θref
θref
θinstr hromel
alumel
bakar
bakar
V
9. Merenje temperature
9 – 4
Opseg:
Tipično od -270 °C do 1370 °C
Rezolucija:
Maksimalna rezolucija je u okolini nule i iznosi 1,1 °C, ali u punom opsegu je nešto lošija, 2,2 °C.
Ofset:
Zavisi od temperature hladnog kraja, jer senzor ne meri apsolutne vrednosti.
Nelinearnost:
Na punom opsegu iznosi oko ±3,3 %, ali ako se posmatra samo odziv za pozitivne vrednosti temperature
u stepenima celzijusa, nelinarnost pada na svega ±1,2 %. Jedan primer je dat na slici 9.3.
Slika 9.3. Odziv i linearnost termopara K tipa.
Šum:
S obzirom na veoma male napone koji se dobijaju, termopar je osetljiv na struju voltmetra i termički
šum u žicama.
Reverzibilnost:
Oporavak senzora je trenutan jer se električno polje u provodniku uspostavlja brzinom svetlosti, a
koncentracija elektrona se menja nešto sporije od brzine drifta elektrona u metalu. To sprečava inertnost
sistema, pa je ponovljivost prolaska kroz iste vrednosti temperature veoma velika.
9.4. Termografija
9.4.1 Principi beskontaktnog merenja temperature
Prema Vinovom zakonu pomeranja, telo koje apsorbuje 100% zračenja koje na njega pada (apsolutno
crno telo) i koje se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži, emituje zračenje čiji je maksimum na talasnoj