Senzori i Metode Mjerenja Temperature

UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET

Senzori i metode mjerenja neelektrični !eličina – mjerenje tem"erat#re Seminarski rad

Predmet:

Inteli$entni %enzori

Ime i prezime:

Alen &#%a$i'

Broj indeksa:

III()*+,+-

Odsjek:

Meatronika

Tuzla, maj 2014.

Sa.etak  U oom seminarskom radu !emo se "aiti na#inom mjerenja temperature koriste!i se senzorima za mjerenje temperature kao i nekim rstama termoelemenata. Senzore za mjerenje temperature mozemo podijeliti na: ekspanzione senzore temperature, otporni#ki senzori temperature, poluproodni#ki senzori temperature, senzore in$ra%reno& zra#enja i spe%ijalne senzore temperature. O"radit !emo saku podjelu pojedina#no kao zase"na  po&laalja i opisati opisati pojam,podjelu i na#ine na#ine $unk%ionisanja $unk%ionisanja sako& od nji'. nji'.

Klj#čn Klj#čnee riječi/ riječi/ ekspanzi ekspanzioni oni senzori senzori temperature temperature,, termoeleme termoelementi, nti, otporni#k otporni#kii senzori senzori temper temperatu ature, re, polupr poluproo oodni dni#ki #ki senzor senzorii temper temperatu ature, re, senzo senzori ri in$ra% in$ra%re reno& no& zra#en zra#enja ja i spe%ijalni senzore temperature.

Sa.etak  U oom seminarskom radu !emo se "aiti na#inom mjerenja temperature koriste!i se senzorima za mjerenje temperature kao i nekim rstama termoelemenata. Senzore za mjerenje temperature mozemo podijeliti na: ekspanzione senzore temperature, otporni#ki senzori temperature, poluproodni#ki senzori temperature, senzore in$ra%reno& zra#enja i spe%ijalne senzore temperature. O"radit !emo saku podjelu pojedina#no kao zase"na  po&laalja i opisati opisati pojam,podjelu i na#ine na#ine $unk%ionisanja $unk%ionisanja sako& od nji'. nji'.

Klj#čn Klj#čnee riječi/ riječi/ ekspanzi ekspanzioni oni senzori senzori temperature temperature,, termoeleme termoelementi, nti, otporni#k otporni#kii senzori senzori temper temperatu ature, re, polupr poluproo oodni dni#ki #ki senzor senzorii temper temperatu ature, re, senzo senzori ri in$ra% in$ra%re reno& no& zra#en zra#enja ja i spe%ijalni senzore temperature.

Sadr.aj 1. Uod................................. Uod........................................................ .............................................. .............................................. .............................................. ..........................1 ...1 2. (kspanzi (kspanzioni oni senzori senzori temperatu temperature... re........ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... ................ ...............2 .....2 ). Termoe Termoelemen lementi.... ti......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... ................ ................... .............* ....* ).1.

Termoe Termoelektri lektri#ne #ne pojae.. pojae....... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... ................ ................... .............* ....*

).2.

(mpirijski (mpirijski zakon zakonii termoelek termoelektri#ni tri#ni'' kola..... kola.......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ............. ................. ..................+ .........+

).).

Pro"lem Pro"lem 'ladno& 'ladno& kraja termoel termoelemen ementa.... ta......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .............. .............. .....

).4.

Izrada Izrada termoelem termoelemenata enata..... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ........... ........10 ..10

).-.

Stati#ke Stati#ke i dinam dinami#ke i#ke karakte karakteristik ristikee termoeleme termoelementa.. nta....... .......... .......... .......... .......... .......... ............. ...............12 .......12

).*.

Poluproo Poluproodni# dni#ki ki termoelemen termoelementi.... ti......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ............. .................. ................... ..........14 .14

4. Otporni#k Otporni#kii senzori senzori temperatu temperature.... re......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............... .................... ................... ..........1* .1* 4.1.

etalni etalni otporni#k otporni#kii senzori.. senzori....... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............. .........1* .1*

4.2.

Poluproo Poluproodni# dni#ki ki otporn otporni#ki i#ki senzori senzori tempe temperature. rature...... .......... .......... ......... ........... ................. ................... .............1 ....1

-. Poluprood Poluproodni#ki ni#ki senzori senzori temperatu temperature... re........ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............ ................. ...............2) .....2) -.1.

/ioda kao senzor senzor temperature. temperature...... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............. .................. ...........2) .2)

-.2.

Tranzi Tranzistor stor kao senzor temperatu temperature.... re......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .........2 ....2--

-.).

Inte&risan Inte&risanii senzori.. senzori....... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............... .................... ................... ..........2* .2*

*. Senzori Senzori in$ra%ren in$ra%reno& o& zra#enja. zra#enja...... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............... .................... ................... ..........2 .2 +. Spe%ijaln Spe%ijalnii senzori senzori temperatu temperature... re........ .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... ..............)0 ........)0 +.1.

In$ra%ren In$ra%renaa termoizi termoizija... ja........ .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ............ ................. ................... ...............)0 ......)0

+.2.

In$ra%ren In$ra%renii senzori senzori temperatu temperature re sa opti#kim opti#kim lakno laknom.... m......... .......... ......... ........... ................. .................)4 .......)4

+.).

ar%ni ar%ni senzor senzor temperatu temperature... re........ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... ..........)* ....)*

. 3U5 3U5.... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ............... ............)6 ..)6 6. 3IT(7 3IT(7T TU7....... U7............ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... .............40 .......40

0o"i% %lika Slik Slikaa 1. (ksp (kspan anzi zion onii senz senzor or temp temper erat atur ure: e: a8 &asn &asnii eksp ekspan anzi zion onii senz senzor or sa kompenza%ijom kompenza%ijom uti%aja temperature okoline, "8 ekspanzioni senzor sa te#no9!u..........4 Slika 2. (kspanzioni senzori temperature: a8 iz&led manometarsko& termometra sa sondom, "8 stakleni termometar sa te#no9!u, %8 "imetalni senzor..................................* senzor..................................* Slika ). Termoelektri#ni e$ekt: a8 nastanak termoelektri#no& poten%ijala, "8 zatoreno termoelektri#no kolo, %8 otoreno termoelektri#no kolo sa da.................................... da.....................................+ .+ Slika 4. (mpirijski zakoni termoelektri#ni' kola: a8 zakon 'omo&eno& kola, "8 zakon meumetala, %8 zakon aditinosti................................................. aditinosti........................................................................... .................................. ........ Slika -. 3a"oratorijsko mjerenje pri Tr;0: a8 mjerna 9ema, "8 ekialentna ekialentna 9ema......10 9ema.... ..10 Slika *. Termoelemenat sa produ
Slika 14. jerne 9eme: a8 termistor kao senzor apsolutne temperature, "8 termistor kao senzor razlike temperatura............................................................................................22 Slika 1-. >ema za priklju#ianje termistora na mikrokontroler...................................2) Slika 1*. /iodni senzor temperature: a8 karakteristika, "8 dioda u mjernom mostu....2Slika 1+. Tranzistor kao didni senzor temperature: a8 karakteristika i osnoni spoj, "8 9ema sa nezaisnim pode9aanjem poja#anja i nule....................................................2* Slika 1. Tranzistor kao senzor temperature: a8 osnona 9ema, "8 9ema sa  pode9aanjem nule........................................................................................................2+ Slika 16. Osnoa inte&risani' senzora temperature: a8 PTT prin%ip, "8 kolo za mjerenje temperature i do"ijanje re$erentno& napona..................................................2 Slika 20. aisnost &ustine zra#enja od talasne du
0o"i% ta1ela Ta"ela 1. Termoelektri#ni niz materijala u odnosu na platinu..................................12

+2

U!od

Temperatura jeste $izikalna eli#ina koja predstalja stepen za&rijanosti tijela. Temperatura  je poezana sa termi#kim kretanjem molekula ili atoma, tj. sa termodinami#kim stanjem tijela i nje&oom unutra9njom ener&ijom. Termi#ko kretanje u &asoima razlikuje se od termi#ko& kretanja u te#nostima i kristalima. Prema kineti#koj teoriji &asoa, apsolutna temperatura T tijela de$ini9e se kao mjera srednje ener&ije translatorno& kretanja molekula &asa:  E  K 

=

mv 2 2

&dje su:

=

) 2

kT 

 

A1.18

m @ masa molekula &asa,  @ srednja "rzina molekula, k @ Bol%manoa konstanta.

Pri datoj temperaturi kineti#ka ener&ija pojedini' molekula razlikuje se od srednje kineti#ke enere&ije, odakle proizilazi da je temperatura statisti#ka eli#ina, koja se odnosi na eliki "roj #esti%a koje se nalaze u toplotnoj ranote
)2

Ek%"anzioni %enzori tem"erat#re

(kspanzioni senzori temperature su termometri #iji se radni medij &rijanjem 9iri, a 'laenjem skuplja, tako da linearno mijenja soje &eometrijske dimenzije. Ukoliko je radni medij smje9ten u prostor sa konstantnom zapreminom, tada se umjesto promjene dimenzija  jalja promjena pritiska. Dasni ekspanzioni senzor temperature. Promjena pritiska kaptirano& &asa u zaisnosti od temperature (pri V = const.8, sa&lasno Dej@3isakoom zakonu je:  pt 

=  p0 A1 + α t 8

&dje su:

 

A2.18

 p0 @ pritisak &asa na temperaturi 0 E?,  pt @ pritisak &asa na temperaturi t α @

i

termi#ki koe$i%ijent pritiska, jednak 1=2+),1- ; 0,00)**@1 za idealni

&as. a realne &asoe a ima pri"li
senzora pritiska Vp, konstantna i nezaisna od temperature. Smatra se da je uslo

ispunjen ako je (Vp + Vk): Vb ≤ 1:100 . a potpunu kompenza%iju termi#ke ekspanzije zapremina Vp i Vk   primenjuje se di$eren%ijalni sistem sa mjernim i kompenza%ionim senzorom Aslika 1a8. Oni su u semu isti, jedino kompenza%ioni nema "alona. Cji'oi senzori pritiska Aspirale8 poezani su tako da se uti%aj temperature okoline u %jelosti elimini9e.

Tipi#ni parametri &asno& ekspanziono& senzora temperature su: pre#nik "alona 20 @ )0mm, du
E?, ta#nost F 0,- @ 2G mjerno& opse&a sa mo&u!no9!u prekora#enja do 1-0 @ )00G, remenska konstanta 4 @ +s, naj#e9!i &as je azot, te po#etni pritisak pri nominalnoj temperaturi  Pn = 1 - 3 MP . Parni ekspanzioni senzori temperature ispunjeni su zasi!enom parom neke lako isparljie te#nosti Ametil@'lorid, propan, a%eton, toluol, $reon8. Po konstruk%iji, oi senzori su sli#ni &asnim. eutim, te#nost Akondenzat8 na nominalnoj temperaturi ispunjaa samo do (0!" - 0!"#)Vb  , tako da je iznad njene por9ine zasi!ena  para. Pritisak zasi!ene pare izrazito je nelinearna $unk%ija temperature:  p

= T   $ −b = T 

 

A2.28

&dje su a i " konstante. a ta#nija mjerenja potre"na je lineariza%ija stati#ke karakteristike p ; $ AT8. Pritisak p  pri"li
Slika 1. (kspanzioni senzor temperature: a8 &asni ekspanzioni senzor sa kompenza%ijom uti%aja temperature okoline, "8 ekspanzioni senzor sa te#no9!u H1

(kspanzioni senzori sa te#no9!u rade na prin%ipu termi#ko& 9irenja te#nosti, koji opisuje  polinom:

V t 

=

&dje su:

V 0 [1 + α t  + β t 

2

V o @

+

γ  t )

+

...]

 

A2.)8

zapremina te#nosti na re$erentnoj temperaturi,

V t  @ zapremina na merenoj temperaturi t, α @ koe$i%ijent

zapreminsko& 9irenja te#nosti 1=E?.

apreminski koe$i%ijenti i9e& reda A %!&...8 eoma su mali i o"i#no se zanemaruju, tako da se polinom A48 aproksimira linearnom $unk%ijom: V t 

= V 0 (1 + α t )

 

A2.48

Tipi#ni ekspanzioni senzor sa te#no9!u je
dri$ta nule Adepresija nule8, koji nastaje kao rezultat termi#ki' sojstaa stakla i nje&oo& starenjaJ

•

nepotpune potopljenosti senzora u mjernom mediju, z"o& #e&a je nepotopljeni dio izlo
•

nejednakosti popre#no& presjeka staklene kapilare.

etrolo9ke karakteristike ekspanzioni' senzora sa te#no9!u sli#ne su karakteristikama &asni' i parni' ekspanzioni' senzora: ta#nost im je F 0,1 @ 2G, mo&u!nost prekora#enja opse&a do 1-0G, maksimalna rezolu%ija do 0,01 E? i remenska konstanta 4 @ -s. ajedni#ke oso"ine naedeni' ekspanzioni' senzora temperature su jednostanost,  pristupa#na %ijena i do"ra mo&u!nost u&radnje. Oi senzori upotre"ljaaju se &otoo isklju#io za indika%iju i la"oratorijska mjerenja temperature, a eoma rijetko za re&istra%iju ili re&ula%iju temperature. /ilata%ioni senzor  temperature radi na prin%ipu poe!anja dimenzija #rsto& tijela sa porastom temperature. U

odreenom temperaturnom interalu zaisnost du
= ' 0 (1 + α t )

&dje su:

 

A2.-8

' 0 @ du
i

α @ koe$i%ijent linearne dilata%ije A9irenja8 trdo& tijela.

/ilata%ioni senzori o"i#no se prae od "akra (α = 1#!3  10 -  1*,), mesin&a (α = 1!3  10-  -3!  10 -  1*, ), le&ure
@ inara (α = 0!/  10 -  1*,) i dr.

jerni opsezi senzora od naedeni' metala su: 0 @1-0 E?, 0 @ 400 E? , odnosno 0 @ 200 E? , rezolu%ija im je do 0,1 E?, a tipi#na ta#nost F 1,- @ 2-G mjerno& opse&a. /ilata%ioni senzori temperature primjenjuju se u &radnji termostata @ dopozi%iono& Arelejno&8 re&ulatora temperature.

Slika 2. (kspanzioni senzori temperature: a8 iz&led manometarsko& termometra sa sondom, "8 stakleni termometar sa te#no9!u, %8 "imetalni senzor H1

32 Termoelementi

32+2

Termoelektrične "oja!e

Pro"itna namjena termoelemenata "ila je mjerenje isoki' temperatura

-00 @ 1000 E?. I

danas je nji'o zna#aj naje!i u mjerenju ti' temperatura, ali je primjena uspje9no  pro9irena i na rlo niske temperature od 1, pa do isoki' do 4000E?. "o& do"ri' oso"ina termoelementi imaju mno&o"rojne prakti#ne primjene u mjerenju i re&ula%iji temperature. ada su krajei proodnika na razli#itim temperaturama T   T 1 izmeu nji' nastaje toplotni tok od toplije& prema 'ladnijem kraju Aslika )a8. Prenos toplote je, prema tuma#enju kantne teorije, usko poezan sa kretanjem slo"odni' elektrona. Cji'oa kon%entra%ija i pripadni poten%ijal neranomjerno su rasporeeni du< proodnika, pa se  jalja struja:  4 $

= − K $

13  12

 

A).18

Slika ). Termoelektri#ni e$ekt: a8 nastanak termoelektri#no& poten%ijala, "8 zatoreno termoelektri#no kolo, %8 otoreno termoelektri#no kolo sa da H2

Istoremeno se jalja i struja z"o& temperaturno& &radijenta:  4 T 

= − K T 

1T  12

 

A).28

oe$i%ijenti K $ i K T   ozna#aaju propor%ionalnost struja  4 $ i 4 T  sa &radijentom poten%ijala, odnosno sa &radijentom temperature. nak minus upu!uje na ne&atian prirast poten%ijala i temperature sa pozitinim prirastom rastojanja du< proodnika.

Budu!i da nije zatoreno nikako anjsko elektri#no kolo, ukupna struja kroz proodnik   jednaka je nuli, tj. 4 $ + ' T   = 0, odakle proizilazi da je:

  K T       1T   K    $  

13  = −

 

A).)8

 Capon koji nastaje kao rezultat temperaturne razlike T 2 K T1, izmeu krajea posmatrano&  proodnika nazia se termoelektri#ni napon, a nje&oa rijednost do"ija se inte&ra%ijom  jedna#ine A).)8: T 2

3 T 2

− 3 T  = ∫ K1T 

 

1

A).48

T 1

Termoelektri%ni koe$i%ijent K=-(K T *K    $ ) zaisi od materijala od koje& je izraen proodnik. a male promjene temperature mo
−

3 T 1

32)2

=

 K ( T 2

−

T 1 )

 

A).-8

Em"irij%ki zakoni termoelektrični kola

a prakti#na mjerenja i analizu termoelektri#ni' kola zna#ajna su empirijski zakoni, a odnose se na kola sa 'omo&enim proodni%ima, "ez primjesa i de$ekta. akon 'omo&eno& kola Azakon unutra9nje temperature8. Ca izlazni napon termoelementa #iji krajei imaju temperature T 1 i T  ne uti#e temperatura toplotno& izora koji djeluje izmeu krajea ako su upotrije"ljeni metali 'omo&eni Aslika 4a8. To zna#i da
Slika 4. (mpirijski zakoni termoelektri#ni' kola: a8 zakon 'omo&eno& kola, "8 zakon meumetala, %8 zakon aditinosti H2

akon meumetala predstalja umetanje
(

3  56 T 2 , T 1

) + 3  ( T , T ) + 3  ( T , T ) = 3  ( T 2 , T 1 )  6 , 

,6

 56

A).*8

To zna#i da se termoelementi mo&u spajati "ilo kojom
= 3  57 ( T 2 , T 1 ) + 3  76 ( T 2 , T 1 )

 

A).+8

To zna#i da se mo&u upotrije"iti i termoelementi sa nestandardnim kom"ina%ijama metala  pomo!u postoje!i' re$erentni' ta"ela.

3232

0ro1lem ladno$ kraja termoelementa

/a "i se izmerila temperatura T , neop'odno je poznaati temperaturu T 1 i termoelektri#nu konsatantu L za dati termoelement. Uo"i#ajeno je da se ta#ka na temperaturi T  ozna#aa kao topli, a ta#ka na temperaturi T 1 kao 'ladni ili re$erentni kraj termoelementa. Termoelement se "a
= 3  56 ( T 2 ,T 1 ) + 3  56 ( T ) ,T 2 )

 

A).8

ada je re$erentna temperatura T r= E?, tada je izlazni napon termoelementa   0  propor%ionalan mjerenoj temperaturi toplo& kraja T , odnosno   56 =αT  = 8 56(T). 7e$erentna temperatura odr
da je mjereni napon:

= 8 ,85 AT ) 8 + 8 56 AT 2 8 + 8 65 AT r  8 + 8 5,8 AT 4 8 = 8 65 AT 2 8

 

A).68

aista, "udu!i da su ta#ke ) i 4 na istoj temperaturi, naponi 8,85(T 3 ) i 8 5,8(T 9 ) isto& su iznosa i suprotno& predznaka, a u ta#ki 1 napon u BATr 8 jednak je nuli jer je temperatura u toj ta#ki T 1=Tr=0, . Oa 9ema po&odna je za la"oratorijska mjerenja &dje je rastojanje izmeu mjerno& instrumenta i re$erentne ta#ke malo. /u
temperatura trojne ta#ke ode u prikazanoj !eliji ne mo
Slika -. 3a"oratorijsko mjerenje pri Tr;0: a8 mjerna 9ema, "8 ekialentna 9ema H2

a poezianje termoelementa sa mjernom 9emom, koja je udaljena od termoelementa, upotre"ljaaju se produ
 

A).108

Ukoliko "i %ijelo kolo "ilo na istoj temperaturi T 1, tada "i, prema zakonu meumetala, ukupni napon kola "io: 8  56 AT 1 8 + 8 6; AT 1 8 + 8 ;,8 AT 1 8 + 8 ,8:  AT 1 8 + 8 :5 AT 1 8 = 0

 

A).118

Oduzimaju!i ou jedna#inu od polazne, do"ija se: 3  = 8 56 AT 2 8 − 8 56 AT 1 8 + 8 :; AT 1 8 − 8 :; AT r  8

A).128 ko se produ
Slika *. Termoelemenat sa produ
3  56 AT 1 ,T  r 8 = 3  :; AT 1 , T r  8

 

A).1)8

 

A).148

Ur9taanjem A).1)8 u jedna#inu A).128 do"ija da je termoelektri#ni napon: 3  = 3  56 AT 2 , T 1 8 + 3  56 AT 1 , T r  8 = 3  56 AT 2 , T r  8

a tipi#ni termoelement Aplatina=platina@rodijum8 produ
32*2

Izrada termoelemenata

a izradu termoelemenata naj"itnija su termoelektri#na sojsta materijala. a relatino  poreenje materijala koristan je tz. termoelektri#ni niz, koji pokazuje koliki je termoelektri#ni napon 
a prakti#na mjerenja o&rani#en je "roj kom"ina%ija jer se od materijala za'tjeaju odreena termoelektri#na i me'ani#ka sojsta:

•

sta"ilnost termoelektri#ni' parametara, jednozna#na i linearna zaisnost termoelektri#no& napona od temperature, isoka osjetljiostJ

•

'omo&enost materijala po du
Ta"ela 1. Termoelektri#ni niz materijala u odnosu na platinu H2

aterijal

MN=?

T(7I3

MN=?

T(7I3

MN=?

Bizmut

@+2

ia

0,*

Bakar 

+,*

onstantan

@)-

U&ljik 

)

Nol$ram



 Cikl

@1*,4

luminijum

),-

oli"den

12

o"alt

@1-,2

alaj

4,2

Do<e

1,-

lumel

@12,6

Oloo

4,4

 Ci'rom

2-

Pota9a

@6

Tantal

4,-

Qromel

2

7odijum

@*,4

Sre"ro

*,-

ntimon

4+

Paladijum

@-,+

lato

+,)

Dermanijum

)00

 Catrijum

@2

?ink 

+,-

Telur 

-00

Platina

0

admijum

+,-

Selen

600

Ozna#aanje termoelemenata je prema CSI@standardu ACSI @ meri%an Cational Standards Institute8. Proimenoani metal Ale&ura8 predstalja pozitini, a dru&oimenoani ne&atini priklju#ak. Termoelementi od tanje
Postoji i9e razli#iti' te'nika spajanja
•


•


•


•


•


Termoelementi su osjetljii na me'ani#ko i 'emijsko djeloanje radne sredine, pa se oko nji' stara za9titna armatura. Izola%iona o"lo&a naj#e9!e se prai od ma&nezijumoo&

oksida, "erilijuma, aluminijuma ili torijuma zato 9to su to do"ri izolatori, ne propu9taju &asoe, kompati"ilni su sa standardnim termoelementima i relatino su je$tini. Nanjska za9titna %ije od #elika sa isokom ta#kom topljenja zadr
Slika +. Termoelement: a8 konstruk%ija, "8 termoelement sa zaarenim
3242

Statičke i dinamičke karakteri%tike termoelementa

I pored so$tersko& prora#una re$erentne temperature ili 'arderske kompenza%ije njene nesta"ilnosti, prilikom mjerenja napona termoelementa jaljaju se &re9ke. One su, prije se&a, rezultat nelinearne stati#ke karakteristike, tj. nelinearne zaisnosti termoelektri#no& napona od temperature. Stati#ke karakteristike si' termoelemenata su nelinearne Aslika a8, 9to zna#i da je osjetljiost 5*5T , odnosno rijednost e"ekoo& koe$i%ijenta α, ezana za iz"or radne ta#ke. Samo u malom temperaturnom opse&u e"eko koe$i%ijent ima konstantnu

rijednost A"8. ato se karakteristika termoelektri#ni napon @ temperatura za ta#na mjerenja ta"elira sa rezolu%ijom i od 0,01 E?. a in
n

∑  3 

i

i

 

A).1-8

i =0

 Ca osnou izmjereno& napona U, pomo!u polinoma A218 izra#unaa se temperatura T. Ta#nost aproksima%ije starne stati#ke karakteristike pomo!u polinoma zaisi od stepena to& polinoma, tipa termoelementa i mjerno& opse&a. Pomo!u polinoma deeto& reda omo&u!ena je ta#nost aproksima%ije od F 0,1 E? do F 1 E? u odnosu na mjerni opse&.

Slika . Stati#ke karakteristike standardni' termoelemenata: a8 zaisnost termoelektri#no& napona od temperature, "8 zaisnost e"ekoo& termoelektri#no& koe$i%ijenta od temperature H2

a manje opse&e i "r
mc

1T 

= k= AT 0 − T 8

1t 

&dje su:

 

A).1*8

mc @ toplotni kapa%itet termoelementa H=E?, m @ masa termoelementa Hk&, c @ spe%i$i#ni toplotni kapa%itet za9titne armature H=k&E?,    @

anjska por9ina termoelementa, kroz koju se odija razmjena toplote Hm2,

k  @ koe$i%ijent prelaza toplote HR=m 2 E?.

3252

0ol#"ro!odnički termoelementi

Termoelektri#ni e$ekat jalja se kod poluproodnika dopirano& razli#itim primjesama ili kod kom"ina%ije da poluproodnika. Nrijednosti e"ekoo& koe$i%ijenta L mno&o su e!e ne&o kod metala. Ca primjer, amor$ni sili%ijum dopiran $os$orom Aa@Si:P8 ima α = -(0!" - ) mV*,   u

temperaturnom interalu )0 @ --0 E? , pri #emu i9e dopirani a@Si

ima manji L. Cajpoznatiji poluproodni#ki termoelementi su Bi=S", Ap8Si=l i Te=InS". Poluproodni#ki termoelementi slu
Slika 6. Poluproodni#ka termo"aterija: a8 u o"liku traka, "8 u&raena na Si konzoli,na mem"rani H2

Istoremeno elektroni prenose toplotu sa donje& spoja poluproodnika sa "akrenim kontaktom prema &ornjem spoju. a poluproodnik p@tipa nosio%i naelektrisanja su 9upljine i one se kre!u od pozitino& prema ne&atinom polu izora. >upljine !e zato toplotu prenositi u suprotnom smijeru od elektrona. Oaj e$ekat pumpanja toplote s jedno& na dru&i kraj termoelementa u praksi se primjenjuje za praljenje spe%ijalni' 'ladnjaka ili &rija#a. Prednost Peltijeoi' 'ladnjaka su male dimenzije, pa se koriste za 'laenje

laserski' dioda, inte&risani' kola ili samo odreeni' disipa%ioni' mjesta u kolu. edan  plo#asti termoelement prenosi malu koli#inu toplote. ultiplika%ija se posti
Slika 10. Termoelektri#ni 'ladnjak=&rija#: a8 prin%ip rada, "8 ilustra%ija primjene H2

*2 6t"ornički %enzori tem"erat#re *2+2

Metalni ot"ornički %enzori

aisnost otpora od temperature,  7t=7(T 8 pri je uo#io Q. /eji 121. &odine. Senzori koji rade na oom prin%ipu #esto se ozna#aaju akronimom 7T/ A7esistan%e Temperature /ete%tor8. Termootporni%i od metala prae se u o"liku kalema, po prailu sa "i$ilarnim naojima Aslika 118. Pre#nik
Slika 11. onstruk%ija industrijsko& metalno& termootporni#ko& senzora H1

 Celinearnost stati#ke karakteristike metalno& termootporni#ko& senzora manja je ne&o kod termoelementa. a njenu aproksima%iju slu
&dje su:

)  T  T  T  T               +  7>α T  − δ  − 1  − β  − 1      100  100  100   100    

 

A4.18

 7T  @ otpor na temperaturi T,  70 @ otpor na temperaturi T ; 0 α! % i ?  @

E? ,

temperaturni koe$i%ijenti otpora koji se odreuju parametarskim

mjerenjima, tj. testiranjem termootpornika na tri re$erentne temperature i  potom rje9aanjem sistema od tri jedna#ine A4.18.

Tenzoelementi u o"liku lijepljene $olije po&odni su za mjerenje temperature. Caj#e9!e se ozna#aaju akronimom TD ATemperature Da&e8. Po som iz&ledu, na#inu lijepljenja na  podlo&u, kao i po na#inu priklju#ianja na mjernu 9emu oni se ne razlikuju od o"i#ni' tenzoelemenata. U odnosu na termootpore od Pt, Ci ili ?u@
karakteristiku me'ani#ko naprezanje @ temperatura za dati $aktor osjetljiosti senzora. Senzor ima eliki odnos izmeu por9ine i zapremine, 9to omo&u!aa "rz odzi pri mjerenju por9inske temperature. Ceranomjerno nano9enje metalno& $ilma na podlo&u mo
Slika 12. Priklju#ianje termootporni#ki' senzora: a8 #etoro
5etero
*2)2

0ol#"ro!odnički ot"ornički %enzori tem"erat#re

Termistor je temperaturno osjetljii otpornik, koji se prai od #isto& &ermanijuma, oksida metala 'roma, ko"alta,
=  5T b $ 6 = T 

&dje su:

 

A4.28

T @ apsolutna temperatura u H, , " i B @ konstante zaisne od rste materijala i konstruk%ije termistora.

U u
=  70 $ 6A1 = T −1 = T  8

 

0

&dje je:

 70 @ otpor termistora na nominalnoj temperaturi od 20

A4.)8

E? A26) 8.

a razliku od
isoka osjetljiost na temperaturne promjene,

•

male dimenzije i elika "rzina odzia, od 1ms do 1-0s Anaj#e9!e )0s8,

•

elika rijednost nominalno& otpora na 20 E?, 10k@10,

•

neosjetljiost na otpor priklju#ni' odoa,

•

sta"ilnost sa starenjem, manje od 0,0)E?=&od za period od 12 &odina,

•

niska %ijena.

Slika 1). Termistor: a8 tipi#ne stati#ke karakteristike, "8 iz&led H1

3o9e oso"ine termistora su: •

izrazito nelinearna karakteristika.

•

elike arija%ije parametara, pa je eentualna zamjena dru&im termistorom uijek   pro"lemati#na,

•

mali temperaturni opse&,

•

nesta"ilnost na i9im temperaturama,

•

 poe!ano samoza&rijaanje z"o& eliko& otpora i mali' dimenzija, z"o& #e&a termistori rade sa manjom strujom ne&o
Standardne mjerne 9eme ne razlikuju se od 9ema za
termistora. Termistor u tz. #etrtinskom mostu mjeri apsolutnu temperaturu, a da termistora identi#ni' karakteristika u polumostu slu
+  72 7) − 2 71 7)  71 +  7) − 2 7 2

 71 72

&dje su:

 71!7 i 73

 

A4.48

@ otpori termistora na temperaturama T1, T2 i T)  , koje

 predstaljaju 0G, -0G i 100G dato& mjerno& opse&a.

7ezultati prora#una za tipi#ne mjerne opse&e prikazani su u ta"eli pored 9eme na sli%i 14a.

Slika 14. jerne 9eme: a8 termistor kao senzor apsolutne temperature, "8 termistor kao senzor razlike temperatura H1

aksimalno odstupanje od pra%a po prailu je naje!e u "lizini 2-G i +-G opse&a. Ispod 0G i iznad 100G opse&a nelinearnost se na&lo poe!aa. a prora#unatu rijednost otpora 7 izlazni napon je: 3 i

=

 7  7 +  7T 

3 r$@  

A4.-8

9to od&oara ekialentnom polo
 Ca sli%i 1-. prikazana je jednostana 9ema za priklju#ianje termistora na mikropro%esor. Izod sa V12 N naponsko& izora u ra#unaru spojen je na re&ulator napona koji na som izlazu daje sta"ilan napon V-N. (T opera%ioni poja#aa#i imaju eliku ulaznu impedansu, WT, tako da se kroz re&ulator $ormira mala struja

 4 = #*71 = # <5   kao

izor 

konstantne struje koja je manja od 100  i ne!e "espotre"no za&rijaati termistor. Izlazni  poja#aa#ki stepen daje potre"ni opse& napona za mjerni opse& temperature. Pomo!u od&oaraju!e& pro&rama mo
Slika 1-. >ema za priklju#ianje termistora na mikrokontroler H1

42 0ol#"ro!odnički %enzori tem"erat#re 42+2

7ioda kao %enzor tem"erat#re

Pri konstantnoj rijednosti napona polariza%ije N / struja diode I / zaisi od temperature:  4  ;

=

 4 =  $

&dje su:

A3  ; = η kT 

−

1

 

A-.18

A @ naelektrisanje elektrona i k  @

Bol%manoa konstanta.

aktor X zaisi od "rzine rekom"ina%ije nosila%a naelektrisanja usloljene temperaturnom zaisno9!u pokretljiosti manjinski' nosila%a. a sili%ijum se uzima B = 1  kada je napon  polariza%ije   ; = 0!" -1 V , a B =  kada je   ; C 0! V . Capon polariza%ije u praksi se uijek "ira da je e!i od termi#ko& 9uma:   ; 
 4  ;

=

 4 =  eYp( A3  ; = 2kT )

 

A-.28

 

A-.)8

Inerzna struja zasi!enja takoe se mijenja sa temperaturom:  4  ;

=

r 

 6T  $

&dje je:

 E D = η kT 

−

(D @ 9irina za"ranjene zone za Si na 0, B @ konstanta kojom se uzima u o"zir &eometrija diode i r ; 1,- temperaturni koe$i%ijent pokretljiosti manjinski' nosila%a.

Ur9taanjem jedna#ine A-.)8 u A-.28 do"ija se zaisnost   ; = @(T). O"i#ne komer%ijalne diode upotre"ljaaju se kao senzori temperature od @-0 E? do V1-0 E?. U tom opse&u $unk%ija   ; = @(T) pri"li
≈ k 1  − k 2T 

&dje je:

k1 =   ;(0) = 1!" V   ,

 

A-.48

a konstanta osjetljiosti k =  - 3mV*K  , zaisno od

 ja#ine struje  4;.  4; = 10 <5  osjetljiost je !9mV*,  , a za  4; = 1 m5 osjetljiost je !3 mV*,.

Slika 1*. /iodni senzor temperature: a8 karakteristika, "8 dioda u mjernom mostu H1

Pored o"i#ni' temperaturno osjetljii' dioda, upotre"ljaaju se i tranzistorske diode, koje se do"ijaju kada se kolektor tranzistora kratko spoji sa "azom. Tranzistorska dioda sadr
za o"i#ne diodne temperaturne senzore Aslika 1+a8. a temperaturni opse& 0 @100 E?, napon UB( opada od 0,+N do 0,4+ N , tj. @2,) mN=E?.

Slika 1+. Tranzistor kao didni senzor temperature: a8 karakteristika i osnoni spoj, "8 9ema sa nezaisnim  pode9aanjem poja#anja i nule H1

42)2

Tranzi%tor kao %enzor tem"erat#re

Porast temperature uti#e na smanjianje inerzne struje I ?B0 kroz spoj kolektor@"aza, na isti na#in kao na pn spoju diode. Tipi#ne rijednosti oi' struja za sili%ijumske tranzistore su 1 , a za &ermanijumske 100  na temperaturi od 20E?. One se udostru#aaju za porast temperature od 10E?, ali "ez o"zira na isoke rijednosti linearno& temperaturno& koe$i%ijenta struje I ?B0, te9ko je mjeriti tako male struje. Ne!u primjenu u mjerenju temperature ima zaisnost napona "aza@emiter U B( pri konstantnoj kolektorskoj struji I ?. Opadanje napona U B( sa porastom temperature T je nelinearno, ali se u dosta 9irokom opse&u od @-0 E? do 1-0 E? Aza Si8 mo
tranzistorom u poratnoj sprezi Aslika 1a8. Ceinertuju!i ulaz poja#ia#a je uzemljen, tako da je i poten%ijal inertuju!e& ulaza nula Ana irtualnoj masi8. ada tranzistor radi, napon kolektor@"aza pri"li
Slika 1. Tranzistor kao senzor temperature: a8 osnona 9ema, "8 9ema sa pode9aanjem nule H1

Sli#no kao i kod diodno& senzora neop'odno je nezaisno poja#anje i pode9aanje nule, kao i izlaz koji je propor%ionalan sa temperaturom. u datom mjernom opse&u. Pri stepen na sli%i 1". isti je kao na osnonoj 9emi: sta"ilni otpornik 7 1 "ira se da struja kolektora  "ude oko 100 , a izlaz iz 1 je napon @U B(.

4232

Inte$ri%ani %enzori

U poreenju sa termoelementima i otporni#kim senzorima, diode i tranzistori imaju manje dimenzije i znatno e!u osjetljiost na e!em opse&u, ali im je ponoljiost sla"ija. Ca  primjer, dana9nji tranzistori proizode se sa toleran%ijom N B( od F) mN, a nesta"ilnost NB( usljed termi#ki' %iklusa na mjernom opse&u unosi dodatnu &re9ku od F0,1- E?. Caedeni nedosta%i prakti#no se poni9taaju kada se primjenjuju da trazistora i mjeri razlika nji'oi' napona "aza@emiter koja je propor%ionalna apsolutnoj temperaturi:  H  6E =,T . Odatle akronim PTT AProportinal To t'e "solute Temperature8. PTT senzori zajedno sa  poja#ia#ima i kolima za pode9aanje opse&a inte&risani su u senzorske monolitne #ipoe: analo&ne ili di&italne I? Ainte&rated %ir%uits8 senzore temperature. Prin%ipijelna 9ema za do"ijanje napona  H  6E   propor%ionalno& apsolutnoj temperaturi prikazana je na sli%i 16a.

Sili%ijumski tranzistori T1 i T2 su identi#ni i na istoj temperaturi, a priklju#eni su tako da su im struje kolektora razli#ite. Struja "aze je zanemarljio mala u poreenju sa strujom kolektora, pa na osnou jedna#ine A)28 slijedi da je napon "aza@emiter:

∆ 6E  = 3  6E 1 − 3  6E 2 =

kT  A

ln

 4 , 1

 

 4 , 2

A-.-8

Se dok je odnos struja  4 ,1 *4 , konstantan, razlika  H  6E  je propor%ionalna apsolutnoj temperaturi i nezaisna od napona napajanja i karakteristika tranzistora. 7azlika  H  6E  ;   6E1 @   6E  71 4 , 2

mjeri se na otporniku 7 1 jer je:

= 3  6E 1 − 3 6E 2

A-.*8

Slika 16. Osnoa inte&risani' senzora temperature: a8 PTT prin%ip, "8 kolo za mjerenje temperature i do"ijanje re$erentno& napona H1

52 Senzori in8ra9r!eno$ zračenja Senzori in$ra%reno& zra#enja poznati su pod razli#itim naziima: I? senzori, senzori termi#ko& zra#enja, pirometri i opti#ki pirometri. Oni slu
 

A*.18

ir'o$o zakon zra#enja poznatiji je u relatinom o"liku: 1=

φ  φ 

&dje su:

+

φ r  φ 

+

φ  p φ 

i'i

1 = α 

+

α r  + α  p

La ; ]a=] koe$i%ijent apsorp%ije, Lr  ; ]r =] koe$i%ijent re$leksije i L p ; ] p=] koe$i%ijent propu9tanja.

 

A*.28

Planko zakon predstalja ezu izmeu apsolutne temperature T i spektralne &ustine zra#enja E(I!T)! tj. ener&ije koje %rno tijelo zra#i na talasnoj du
−

 E Aλ , T 8 =

&dje su:

, 1λ  $

 

, 2 = λ T −1

A*.)8

 E(I!T) @ spektralna &ustina zra#enja HR=m ), , 1 = Jc  = 3!"91#  10 - Lm pra i ,  = c*k = 0!0193" mK  @ dru&a ( = !0"##  10 -39 s) @

radija%iona konstanta

Plankoa konstanta,

k = 1!30#  10 -3 *K  @ Bol%manoa konstanta i c = //"/9# m*s  @ "rzina sjetlosti u akuumu8.

Nino zakon zra#enja je pose"an slu#aj Plankoo& zakona jer uzima u o"zir samo male rijednosti proizoda [T. ko je [T  0,002 m, jedna#ina A)48 mo
−

, 2 = λ T 

 

A*.48

Iz $amilije krii' (A[,T8 do"ijeni' na osnou Plankoe $ormule A)48 za razli#ite rijednosti temperature T, mo
spektralna &ustina zra#enja (A[,T8 zaisi od talasne du
•

u idljiom dijelu spektra A9ra$irana o"last na sli%i 20.8 spektralna &ustina raste znatno "r
•

sa smanjenjem temperature maksimumi krii' (A[,T8 pomjeraju se prema in$ra%renom podru#ju i e!im talasnim du
&dje je b = !/  10 -3 KmJ na sli%i 20. Nino zakon je prikazan

%rtkanom linijom. >te$an@Bol%mano zakon predstalja ezu izmeu temperature i &ustine zra#enja za se $reken%ije elektroma&netno& zra#enja %rno& tijela. To je tz. inte&ralna &ustina zra#enja i do"ija se inte&raljenjem Plankoe jedna#ine za talasne du
 

 E  = σ  T  4

A*.-8

&dje je: ^ ; -,**6* _ 10 @ R=m2 4 @ ASte$an@Bol%manoa konstanta8.

Slika 20. aisnost &ustine zra#enja od talasne du
:2 S"e9ijalni %enzori tem"erat#re :2+2

In8ra9r!ena termo!izija

utomatska re&ula%ija temperature o"i#no se r9i na osnou pretpostake da je temperatura re&ulirano& o"jekta ista u sim nje&oim ta#kama. a taku re&ula%iju dooljno je mjerenje temperature samo u jednoj ta#ki. 7ealni te'ni#ki o"jekti, meutim, imaju prostorne oso"ine, pa nji'oo stanje nije samo $unk%ija remena t, e! i sake ta#ke $izi#ko& prostora koji opisuje dati o"jekt. U tom slu#aju temperatura je raspodeljena po o"jektu #ine!i tako nje&oo temperaturno polje. Castanak temperaturno& polja o"ja9njaa se nejednakom raspodjelom primjesa i prisustom lokalni' e$ekata u strukturi materijala. In$orma%ije o temperaturnom polju do"ijaju se na osnou in$ra%reno& Atermi#ko&8 zra#enja o"jekta. ra#enje se prati istoremeno za se ta#ke o"jekta Aparalelni metod8 ili se  prati suk%esino od jedne do dru&e ta#ke Ametod skeniranja8. a re&istra%iju mjerne in$orma%ije o temperaturnom polju upotre"ljaaju se $otopapir, $ilmska traka, plo#e sa $otoelementima ili tankim slojem te#no& kristala, piroelektrika i dr. Castali zapis ozna#aa se kao termi#ka slika, a sam ureaj koji slu
termoizija. I?@senzori mo&u "iti aktini ili pasini. ktinim se naziaju senzori osjetljii na I?@zra#enje pose"no& izora koje je re$lektoano od mjerno& o"jekta. Pasini senzori re&istruju direktno zra#enje o"jekta. ao izor I?@zra#enja u eoma "liskom A[ ; 0,+*@1 m8, "liskom A[; 1@) m8 i srednjem A[ ; )@ m8 in$ra%renom podru#ju primjenjuju se sijali%e sa u
Pasini I?@senzori, kao 9to su in$ra%rene $otodiode, detektuju nailazak o"jekta na osnou nje&oo& zra#enja ili kao kontrast u odnosu na zra#enje pozadine. Ca sli%i 21. prikazana je zona oko 9ti!eno& o"jekta, koja je osjetljena spe%ijalnim I?@re$lektorima. 7e$lektorske  por9ine premazane su tankim slojeima koji omo&u!aaju da se I?@sjetlost usmjeri naprijed, dok se idljia i du&otalasna I?@sjetlost usmjeraa iza sijali%e.

Slika 21. In$ra%reni re$lektor: a8 konstruk%ija I?@re$lektora, "8 osjetljenost zona du< perimetra 9ti!eno& o"jekta H)

Prostiranje I?@zra#enja. Izmeu predajnika i prijemnika I?@zra#enja nalazi se medij koji apsor"uje, re$lektuje i rasipa dio zra#enja. Castale promjene u raspodjeli ener&ije u spektru zra#enja opisuje jedna#ina:

φ Aλ 8 = φ 0 Aλ 8$ −α 



A λ 8 N

A+.18 &dje su:

O0(I) @ intenzitet zra#enja na izoru, O(I) @ intenzitet zra#enja nakon prolaska kroz medij koji ima de"ljinu 3 i

koe$i%ijent apsorp%ije LaA[8. a izradu I?@senzora neop'odno je izu#aanje prolaska I?@zra#enja kroz azdu', staklo, kristale, te prozirne plasti#ne materijale. naliza spektralno& koe$i%ijenta apsorp%ije L aA[8 za azdu' pokazuje da on zaisi od molekularne apsorp%ije i raspr9enosti molekula &asoa koji ulaze u sasta atmos$ere, te od apsorp%ije aerosola. "o& to&a dolazi do selektine apsorp%ije, naro#ito u podru#ju iznad 1m. a izradu opti#ki' sistema u I?@senzorima upotre"ljaaju se pose"na stakla sa dodatkom oksida te9ki' metala, 9to omo&u!aa propu9tanje zra#enja u "liskom i srednjem in$ra%renom podru#ju. U oim podru#jima primjenjuju se i prozirni plasti#ni materijali. a du&otalasno A[ ;  @14 m8 i daleko in$ra%reno podru#je A[ ` 14 @ 40 m8 upotre"ljaaju se kristalni materijali Aod kar%a, &ermanijuma, sili%ijuma i dr.8. a izradu re$lektiraju!i' por9ina upotre"ljaaju se metali kao materijali sa elikom re$leksijom, pri #emu se presla#e slojem za za9titu od oksida%ije. Termoizijske metode zasniaju se na  primjeni optoelektronski' detektora

I?@zra#enja, i to kantni' A$otodioda, ??/,

$otootpornik, $otoelement8 i termi#ki' Atermoelement, termistor, "olometar @ temperaturno osetljii otpornik, piroelektrik8. Pri termoizijski sistemi napraljeni su na prin%ipu skeniranja temperaturno& polja. Pomo!u opti#ko& sistema, zra#enje o"jekta $okusira se na senzor. /o"ijeni elektri#ni si&nal sin'ronizuje se sa ureajem za skeniranje, tako da na ekranu indikatoru nastaje %rno "ijela ili kolor slika temperaturno& polja o"jekta. Ca sli%i 22. prikazan je sistem za automatsko otkrianje toplo& o"jekta, na primjer aiona. Pretra
  *7 i i = p) ,

koe$i%ijent inte&ralno& iziranja  P = (N + )*7  &de je 3 du
skeniranja, rezolu%ija skeniranja r = P*p, rijeme zadr
Slika 22. Prin%ip termoizijsko& sistema sa skeniranjem H)

Si&nal iz skenera odi se na displej, &dje se poja#aa i o"rauje kao ideo@si&nal. Ca teleizijskom ekranu do"ija se %rno@"ijela slika, a za sliku u "oji potre"an je pose"an konertor.

Slika 2). Temperaturno polje inte&ralno& kola: a8 prostorna raspodjela temperature, "8 temperaturna slika sa izotermama H)

Pomo!u nje&a se nijansama %rno@"ijele slike pridru
sistema omo&u!aa da se izu#aaju i prelazni pro%esi nesta%ionarni' temperaturni' polja, na primjer, pri uklju#ianju i isklju#ianju elektronsko& kola, te da se tako pro%jene mjesta otkaza. a analizu termoizijske slike neop'odna je spe%ijalna so$terska podr9ka, koja se sastoji iz e!e& skupa pro&rama. Osnoni pro&rami namjenjeni su: za manipula%iju mjernim poda%ima skenirano& temperaturno& polja i do"ijanje %rno@"ijele ili kolor slike, za dinami#ku analizu na osnou suk%esini' slika polja, te za analizu spektralni' karakteristika o"jekata i prenosni' medija Aatmos$ere8.

Pro&ram za di&italnu o"radu slike odreuje kontrast slike, izdaja konture posmatrano& temperaturno& polja, prai razli#ite 'isto&rame, r9i $iltra%iju slike, proodi aritmeti#ke opera%ije nad slikom, prai &eometrijske trans$orma%ije slike, odstranjuje 9um i dr. Termoizijski sistemi koji imaju mo&u!nost di&italne o"rade slike, pored kamere Askenera8 sastoje se od ra#unarske jedini%e, monitora i plotera Aslika 248.

Slika 24. Termoizijski sistem za snimanje termi#ki' slika inte&ralni' kola H)

:2)2

In8ra9r!eni %enzori tem"erat#re %a o"tičkim !laknom

Senzor temperature sa opti#kim laknom ini%ijalno je napraljen za upraljanje mikrotalasnom 'ipertermijom kod tretmana kan%ero&eno& tkia. eutim, termistor ili

termoelement odje ne daje do"re rezultate zato 9to mijenja upadno elektroma&netno zra#enje, pa se tkio neranomjerno &rije. "o& potpune neosjetljiosti na elektroma&netne smetnje, senzor sa opti#kim laknom pokazao se odje kao odli#no rije9enje. Iz isti' razlo&a nje&oa primena pro9irena je i na dru&e o"lasti &dje su prisutne take smetnje, na  primjer, upotre"ljaa se za mjerenje temperature namotaja &eneratora, trans$ormatora ili motora elike sna&e. ao primarni senzorski element slu
−

 4 At 2 8 =  4 0 ⋅ $

&dje je:

t 1 = τ  t 2 = τ 

−

AT 8 + ,  AT 8 + , 

,  @ o$set

 

A+.28

 

A+.)8

z"o& uti%aja pozadine i am"ijentno& zra#enja.

In$orma%ija o temperaturi do"ija se iz odnosa izmjereni' intenziteta  4 1 *4 : τ AT 8 =

t 2

− t 1

ln 4 1 =  4 2

luores%entni si&nal kre!e se kroz lakno za'aljuju!i i9estrukoj totalnoj re$lesiji koja nastaje z"o& e!e& indeksa prelamanja u jez&ru ne&o u omota#u lakna. ko se komad omota#a lakna zamjeni lumini$orom ADalInP, Si staklo dopirano rijetkim elementima8, tada !e se naru9iti usloi totalne re$leksije i jedan dio zraka !e se, zaisno od temperature,  pro"iti i raspr9aati u sloju, tako da do prijemnika sti
Slika 2-. Senzor temperature na "azi $luores%en%ije: a8 odzi na impulsnu po"udu, "8 konstruk%ija H)

jerni opse& senzora temperature sa opti#kim laknom i $luores%entnim primarnim elementom ima mjerni opse& od @-0E? do 2-0E?, ta#nost do F 0,1 E? i "rzinu odzia 0,- s. Odlikuje se malim dimenzijama, isokom pouzdano9!u i osetljio9!u, op9te otporno9!u na $izi#ka o9te!enja.

:232

K!ar9ni %enzor tem"erat#re

Termo$rekentni metod mjerenja temperature zasnia se na uti%aju temperature na $reken%iju me'ani#ki', &asni' ili atomski' rezonatora, zatim na "rzinu prostiranja zu#ni' i ultrazu#ni' os%ila%ija, te na parametre 7? i 73@kola sa termistorima. Stati#ka karakteristika $AT8 u op9tem slu#aju nelinearna je i mo
&dje su:

2

+

...

 

A+.48

 @ i @ 0 $reken%ije na temperaturama T1 i T0 , te α! %!

... koe$i%ijenti zaisnosti od $izikalni' i konstruk%ioni' oso"ina

rezonatora. ar%ni senzor temperature mijenja rezonantnu $reken%iju u $unk%iji temperature. U  praksi se primjenjuju i pijezokerami#ki materijali sa linearnom i nelinearnom temperaturno@$rekentnom karakteristikom. Pri su po&odniji jer se kali"ra%ija r9i samo u dije reperne ta#ke. 3inearni koe$i%ijent $rekentne zaisnosti kar%ni' senzora je elike rijednosti Ado 0,0001 1=8, pra& osjetljiosti je do 10 @*@10@4  Amaksimalno do 10@+8, osjetljiost 20@)000Qz= , linearnost 0,02E? na opse&u 0 @ 100 E? , $rekentni opse& sa ni
sekundi do nekoliko minuta, naji9e z"o& prelaza toplote od za9titno& oklopa do osjetljio& elementa. jerni opse& o&rani#en je irijeom temperaturom pijezomaterijala i iznosi od @*0 E? do 12- E?, a maksimalno mo&u!i dijapazon mjerenja je od @40 E? do 2)0 E?. /o"re oso"ine kar%no& senzora temperature su sla" uti%aj otpora priklju#ni' odoa i 9umoa z"o& $rekentno modulisano& izlaza, te isoka ta#nost. 3o9e oso"ine su e!e dimenzije, e!a %ijena i manja ta#nost ne&o kod otporni#ki' senzora ili termoelemenata. ar%ni Apijezokerami#ki8 senzor temperature smje9ten je u akuumskom "alonu radi e!e& $aktora do"rote i sporije& starenja Aslika 2*a8.

Slika 2*. ar%ni senzor temperature: a8 kar% u akuumskom "alonu, "8 kar% u kompaktnom ku!i9tu, %8  prin%ipijelna mjerna 9ema, d8 di$eren%ijalna mjerna 9ema H)

ompaktno ku!i9te omo&u!aa manje dimenzije rezonatora, ali je starenje e!e i $aktor  do"rote manji Aslika 2*"8. Qermeti#ki zatoreni "alon mo
rezonatora. eutim, z"o& nelinearnosti karakteristike i dri$ta nule primjenjuju se slo
Slika 2+. ar%ni di&italni senzor temperature H)

;2 Zaklj#čak  Temperatura jeste $izikalna eli#ina koja predstalja stepen za&rijanosti tijela. Pri datoj temperaturi kineti#ka ener&ija pojedini' molekula razlikuje se od srednje kineti#ke enere&ije, odakle proizilazi da je temperatura statisti#ka eli#ina, koja se odnosi na eliki  "roj #esti%a koje se nalaze u toplotnoj ranote
Parni

ekspanzioni senzori temperature ispunjeni su zasi!enom parom neke lako isparljie te#nosti Ametil@'lorid, propan, a%eton, toluol, $reon8. a prakti#na mjerenja i analizu termoelektri#ni' kola zna#ajna su empirijski zakoni, a odnose se na kola sa 'omo&enim  proodni%ima, "ez primjesa i de$ekta. a relatino poreenje materijala koristan je tz. termoelektri#ni niz, koji pokazuje koliki je termoelektri#ni napon N=E? za neki materijal u spoju sa platinom. I pored so$tersko& prora#una re$erentne temperature ili 'arderske kompenza%ije njene nesta"ilnosti, prilikom mjerenja napona termoelementa jaljaju se &re9ke. One su, prije se&a, rezultat nelinearne stati#ke karakteristike, tj. nelinearne zaisnosti termoelektri#no& napona od temperature. Termoelektri#ni e$ekat jalja se kod poluproodnika dopirano& razli#itim  primjesama ili kod kom"ina%ije da poluproodnika. Termistor je temperaturno osjetljii otpornik, koji se prai od #isto& &ermanijuma, oksida metala 'roma, ko"alta,
mikrotalasnom 'ipertermijom kod tretmana kan%ero&eno& tkia. ar%ni senzor  temperature mijenja rezonantnu $reken%iju u $unk%iji temperature. U praksi se primjenjuju i pijezokerami#ki materijali sa linearnom i nelinearnom temperaturno@$rekentnom karakteristikom.

<2 Literat#ra 1. .Popoi!: $nori i mQ$r$nQ, Sarajeo 2004. 2. .Popoi!: Pr$nosn svoQstv mQ$rnoR pr$tvrS t$mp$rt8r$! P8t$vi i ostiRn8, Sarajeo,161.

). D. /ankoi!: Uov M$8nron t$mp$rt8rn sk', Sarajeo, 1660. 4. .tellureY.%om, Principi r i konstr8kciQ$ t$mp$rt8rni s$nor -. .ome&a.%om, Principi r i konstr8kciQ$ t$mp$rt8rni s$nor *. .national.%om=appin$o=tempsensors=produ%ts.'tmbanalo&, 4, s$nori