Univerzitet u Tuzli Filozofski fakultet Tehnički odgoj i informatika
Seminarski rad
Temperaturni senzori
Uvod Temperatura (lat. temperatura – blaga toplina, ublažavanje) je fizikalna veličina koja predstavlja stepen zagrijanosti tijela.Temperatura je povezana sa termičkim kretanjem molekula , tj. sa termodinamičkim stanjem tijela i njegovom unutrašnjom energijom.Temperaturni senzori funkcionišu uglavnom na drugom zakonu termodinamike, koji objašnjava prelazak toplote sa tijela na tijelo. Prelaženje toplote vrši se kondukcijom, konvekcijom i radijacijom. Promjena toplotnog stanja praćena je popratnim efektima i fenomenima, kao što su dilatacija, ekspanzija, termoelektricitet, zračenje, itd. Popratni efekti mijenjaju određena fizička svojstva tijela (dužina, zapremina, termoelektrična sila, električni otpor i dr.). Senzor za mjerenje temperature naziva se termometrom, on se obično sastoji od dva elementa: - senzora (osjetila, davača) temeperature - pretvarača izmjerene vrijednosti u formu pogodnu za ljudsko ili mašinsko očitavanje. Termometar funkcioniše na principu ravnotežnog stanja temperature, tj. prema drugom zakonu termodinamike, a oblast koja se bavi mjerenjem temperature naziva se termometrijom. Smatra se da je prvi termometar konstruisao Galilej 1592. pod nazivom termoskop, koji je funkcionisao na principu širenja gasova. Farenhajt je 1711. umjesto alkohola upotrijebio živu i prvi definisao termometrijsku skalu (32°C – 212°C- ključanje vode). Reomir (1730.) je konstruisao termometar sa alkoholom (skala od 0° -mržnjenje vode do 80°- ključanje vode). Celzijus 1742. godine uzima iste fiksne tačke i označava ih sa 100° i 0°, da bi se tek 1845. ove vrijednosti obrnule i tako nastala centigradna skala ( 1948. ova skala se zvanično zove Celzijusova)
2
Temperaturni senzori Temperaturni senzori su senzori koji se koriste za mjerenje ili detektovanje temperature. Temperaturni senzori se dijele na: - Ekspanzioni senzori temperature - Termoelementi - Otpornički senzori temperature - Poluprovodnički senzori temperature - Senzori infracrvenog zračenja
1. Ekspanzioni senzori temperature Ekspanzioni senzori temperature su termometri čiji se radni medij grijanjem širi, a hlađenjem skuplja, tako da linearno mijenja svoje geometrijske dimenzije. Ukoliko je radni medij smešten u prostor sa konstantnom zapreminom, tada se umjesto promjene dimenzija javlja promjena pritiska. Ekspanzioni senzori temperature dijele se na: - Gasne ekspanzione senzore - Parne ekspanzione senzore - Ekspanzione senzore sa tečnošću - Dilatacione senzore - Bimetalne senzore
1.1. Gasni ekspanzioni senzori Gasni ekspnzioni senzori (slika 1.1.) sastoje se od balona kao rezervoara gasa, kapilare kao spojnog voda i senzora pritiska (manometarski termometar). Kod gasnog ekspanzionog senzora prečnik balona je od 20 do 30 mm, a dužina kapilare je od 250 do 500 mm. Mjerni opseg ovog senzora je od -150°C do 600°C. Tačnost mu je od 0,5 do 2 % sa mogućnošću prekoračenja od 150 do 300%. Vremenska konstanta, tj. vrijeme potrebno od postavljanja senzora u sredinu do njegovog očitavanja je 4 – 7 s. Kod gasnih ekspanzionih senzora najčešće se koristi azot kao gas.
1.1. Gasni ekspanzioni senzor
3
1.2. Parni ekspanzioni senzori Ovi termometri ispunjeni su zasićenom parom neke lako isparljive tečnosti (metilhlorid, propan, aceton, toluol, freon). Po konstrukciji oni su slični gasnim ekspanzionim senzorima. Mjerni opseg im je od -50°C do 350°C. Mjerno područje im zavisi od lako isparljivih tečnosti (kod helija od 0,5 do 5 K). Tipčna tačnost im je od ± 0,2 do 2% mijernog opsega.
1.3. Ekspanzioni senzori sa tečnošću Ekspanzioni senzori sa tečnošću rade na princpu termičkog širenja tečnosti. Tipični ekspanzioni senzor sa tečnošću je termometar. Korištene tečnosti kod ekspanzionih senzora sa tečnošću su: živa, toluol, etil-alkohol, pentan i dr. Kod ekspanzionih senzora sa tečnošću javljaju se sistematske greške zbog: - Drifta nule (nastaje kao rezultat termičkih svojstava stakla i njegovog starenja) - Nepotpune potopljenosti senzora u mjernom mediju - Nejednakosti poprečnog presjeka staklene kapilare Tačnost ovakvih senzora je od ±0,1 do 2% sa mogućnošću prekoračenja od 150%, a vremenska konstanta im je od 4 do 5 s. Građa ekspanzionog senzora sa tečnošću je data na slici 1.1.3.
1.3. Ekspanzioni senzor sa tečnošću
1.4. Dilatacioni senzori Dilatacioni senzori funkcionišu na principu povećanja dimenzija čvrstog tijela sa porastom temperature. Dilatacioni senzori se prave od : bakra, mesinga, legure željeza itd. Ovi senzori primjenjuju se u gradnji termostata (dvopozicionog regulatora temperature), što je prikazano na slici 1.4.
4
1.4. Dvopozicioni regulator temperature
1.5. Bimetalni senzori Bimetalni senzori se prave u obliku trake, spirale ili helikoide od dva sloja različitih metala (invar-mesing, invar-čelik i dr.). Zbog različitih koeficijenata linearnog širenja pri porastu temperature bimetalna traka se savija na stranu metala sa manjim koeficijentom linearnog širenja. Temperaturne oblasti ovog senzora su od -30°C do 300°C.
1.5.1. Bimetalna traka
1.5.2. Bimetalna spirala
5
2. Termoelementi Prvobitna namjena termoelemenata (termoparova) bila je mjerenje visokih temperatura (500 – 1000°C). I danas je njihov značaj najveći u merenju tih temperatura, ali je primena uspešno proširena i na vrlo niske temperature od 1K, pa do visokih do 4000C. Zbog dobrih osobina termoelementi imaju mnogobrojne praktične primjene u mjerenju i regulaciji temperature. Termoelementi djeluju na osnovi elektriciteta tj. na osnovi termoelektričnog efekta. Kada su dva različita metala spojena na krajevima s dva spoja te kada se jedan kraj grije na temperaturu T1, a drugi se drži na nižoj temperaturi T2, struja će poteći tim krugom.Efekt se dešava zbog porasta električnog potencijala na spojevima dva različitih metala.Napon struje ovisi o vrstama metala i temperaturama T1 i T2. Elektroni na višoj temperaturi T1 imaju više toplotne energije od onih na nižoj temperaturi T2, elektroni se kreću od T1 prema T2, pri čemu nastaje električni napon. U slučaju da su temperature jednake tj. ako je T1 = T2 nema napona struje u termoparovima.
2.1. Osnovni oblik termoelementa Materijali za izradu termoelemenata i njihovi termoelektrični naponi u odnosu na platinu:
6
2.2. Termoelementi: a)konstrukcija, b) termoelement sa zavarenim žicama na toplom kraju,c) termoelement sa zalemljenim žicama na toplom kraju, d) tankoslojni, e) izgled
3. Otpornički senzori temperature H. Dejvi 1821. je prvi uočio zavisnost otpora od temperature. Električni otpor većine metala raste linearno sa porastom temperature. Otpornički senzori se označavaju akronimom RTD (Resistance Temperature Detector). Otpor senzora na temperaturi T računa se preko jednačine: RT = R0(1 + αT) , gdje su RT – otpor na temperaturi T, R0 – otpor na temperaturi T=0°C, α – temperaturni koeficijent električnog otpora (platina α= 0,0039 1/°C, bakar α=0,0043 1/°C, nikl α=0,00586 1/°C). Ova jednačina važi za temperature od 0°C do 150°C. Specifikacija RTD – a data je temeljnim (fundamentalnim) intervalima (0 – 150°C).
3.1 Termootpornički senzor od Pt- žice (platinske) Platina je najbolji materijal za izradu termootpornika jer se može dobiti sa čistoćom od 99,999%. RTD od platine na temperaturi 0°C ima otpor od 100 Ω. Koristi se za mjerne opsege od – 260°C do 650°C (maksimalno do 1500°C) s tačnošću od ±0,5% do ±3%.
7
3.2. Termootpornički senzor od Ni- žice (nikl) Temperaturni koeficijent električnog otpora termootporničkog senzora od Ni-žice je α=0,00586 1/°C.Mjerni opseg ovog tipa je -50 do 250°C (maksimalno -200°C – 430°C).
3.3. Termootpornički senzor od Cu- žice (bakar) Temperaturni koeficijent električnog otpora senzora od Cu-žice je α=0,0043 1/°C. Mjerni opseg mu je -50 do 180°C (maksimalno -200°C – 260°C). Mana ovakvog tipa senzora je što se na višim temperaturama javlja se korozija i oksidacija.
3.3. a) Senzorske sonde i ručni displej, b) Površinski senzori
4. Poluprovodnički senzori temperature Poluprovodnici ostvaruju veliki, ali izrazito nelinearan, pad električnog otpora sa porastom temperature. Temperaturni senzori koji rade na principu poluprovodnika nazivaju se termistori. Termistori su različitih veličina i oblika, obično su manji od otporničkih senzora i imaju znatno brži odgovor. Poluprovodnički senzori nisu klasični senzori već su to poluprovodničke komponente (diode i tranzistori), kod kojih se jačine struja mijenjaju sa promjenom temperatura.
4.1. Dioda kao senzor temperature Mjerni opseg kod običnih komercijalnih dioda je od oko – 50°C do 150°C, sa tačnošću do ± 2°C kod običnih silicijumskih dioda (1N914, 1N4148), i ± 0,25 – 1°C kod namjenskih diodnih senzora (DT670, CY7, GA300). Najprostiji senzor sa standardnom diodom (1N914 ili 1N4148) se dobija kada se ona uključi u mjerni most. Postoji još i tranzistorska dioda koja se dobija kada se kolektor tranzistora kratko spoji sa bazom.
8
4.2. Tranzistor kao senzor temperature Tranzistori se obično prave od silicijuma i germanijuma. Kod tranzistora porast temperature utiče na smanjivanje inverzne struje. Tipične vrijednosti ovih struja su 1 μA za silicijumske tranzistore i 100 μA za germanijumske tranzistore na temperaturi od 20°C. Ove vrijednosti se udvostručavaju za svakih 10°C. Mjerni opseg je također od -50°C do 150°C. Postoje i integrisani senzori, oni objedinjuju temperaturne senzore sa još nekim komponentama. U odnosu na termoelemente i otporničke senzore, diode i tranzistori su manjih dimenzija, te su znatno osjetljiviji na većem mjernom opsegu, stoga se primjenjuju dva tranzistora i mjeri razlika njihovih napona baza-emiter koja je proporcionalna na apsolutnoj temperaturi. Odatle i dolazi akronim PTAT (Proportional To The Apsolute Temperature). PTAT senzori zajedno sa pojačavačima i kolima za podešavanje opsega integrisani su u analogne ili digitalne IC (Integrated Circuits) senzorske monolitne čipove.
5. Senzori infracrvenog zračenja Poznati i još kao: IC senzori, senzori termičkog zračenja, pirometri i optički pirometri. Koriste se za beskontaktno mjerenje površinske temperature tijela, bez narušavanja njegovog temperaturnog polja. Pri niskim temperaturama zračenje tijela se može osjetiti, a pri višim temperaturama zračenje postaje vidljivo, u obliku svjetlosti (slika 5.1.) Niža temperatura
Visoka temperatura
5.1. Vidljivost svjetlosti prema visini temperature Uređaj za mjerenje infracrvenog zračenja naziva se pirometar (slika 5.2.). Prednost pirometra je što može da mjeri temperaturu veoma udaljenih tijela. Zračenje tijela pada na temperaturni senzor pirometra, a to su najčešće serijski spojeni termoparovi. Pri udaljavanju objekta koji je izvor zračenja, smanjuje se i količina zračenja koja dolazi do pirometra. U isto vrijeme povećava se površina zračenja, tako da
9
se ova dva efekta poništavaju, pri čemu je zračenje na pirometru jednako bez obzira na udaljenost tijela koje zrači.
5.2. Pirometar
10
Zaključak Temperaturni senzori imaju široku upotrebu u svakodnevnom životu: u kućanstvima, u medicini, meteorologiji i drugim oblastima nauke. Koja će se vrsta senzora koristiti ovisi o temperaturnom području koje će se mjeriti i oblasti u kojoj će se primjenjivati. Mjerno područje temperaturnih senzora kreće se od veoma niskih temperatura ( -260°C) do veoma visokih temperatura (4000°C).
11
Literatura: Senzori i merenja – četvrto izdanje, Dr. Mladen Popović, Internet stranice: http://sr.wikipedia.org/wiki/Senzor http://en.wikipedia.org/wiki/Thermometer#Temperature http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple http://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor#Basic_operation http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%BC %D0%B5%D1%82%D0%B0%D1%80#.D0.A2.D0.B0.D1.87.D0.BD.D0.BE.D1.81.D1. 82 http://sr.wikipedia.org/wiki/Senzor#Tipovi_senzora http://en.wikipedia.org/wiki/Resistance_Thermometer#R_vs_T_relationship_of_various_ metals http://en.wikipedia.org/wiki/Bimetallic_strip#History
12
Sadržaj: Uvod...............................................................................................................................1 Temperaturni senzori.....................................................................................................2 1. Ekspanzioni senzori temperature...............................................................................2 1.1. Gasni ekspanzioni senzori.......................................................................................2 1.2. Parni ekspanzioni senzori........................................................................................3 1.3. Ekspanzioni senzori sa tečnošću.............................................................................3 1.4. Dilatacioni senzori..................................................................................................3 1.5. Bimetalni senzori....................................................................................................4 2. Termoelementi...........................................................................................................5 3. Otpornički senzori temperature.................................................................................6 3.1 Termootpornički senzor od Pt- žice (platinske)......................................................6 3.2. Termootpornički senzor od Ni- žice (nikl).............................................................7 3.3. Termootpornički senzor od Cu- žice (bakar).........................................................7 4. Poluprovodnički senzori temperature.......................................................................7 4.1. Dioda kao senzor temperature................................................................................7 4.2. Tranzistor kao senzor temperature.........................................................................8 5. Senzori infracrvenog zračenja..................................................................................8 Zaključak.....................................................................................................................10 Literatura.....................................................................................................................11 Sadržaj.........................................................................................................................12
13
