Czujniki temperatury

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Pomiar temperatury • Pomiar temperatury jest jednym z najczęściej wykonywanych pomiarów wielkości nieelektrycznej w gospodarstwach domowych jak i w przemyśle. • Do pomiaru temperatury można zastosować bardzo wiele typów czujników, działających na różnych zasadach. • Czujniki mogą być stykowe (dotykowe) lub bezstykowe. • Do bezstykowych zaliczymy pirometry i kamery termowizyjne Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

1

Pomiar temperatury Pomiar dotykowy (pomiar stykowy, kontaktowy) - czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy. Pomiar bezdotykowy (pomiar bezkontaktowy) - poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało (promieniowanie cieplne) np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt. W zależności od wykorzystanych do pomiaru własności fizycznych czujnika pomiarowego, wyróżnić można pomiar z wykorzystaniem zjawiska: • odkształcenia bimetalu, • wytwarzania napięcia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w różnych temperaturach, • zmiany rezystancji elementu (czujnik typu RTD), • zmiany parametrów złącza półprzewodnikowego (spadek napięcia na złączu n-p) • zmiany objętości cieczy, gazu lub długości ciała stałego (termometr cieczowy), • parametrów promieniowania cieplnego ciała np. Pirometr, • zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor pod wpływem temperatury, • stożki Segera.

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Pirometr

Pirometr - przyrząd pomiarowy służący do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała. Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Proste pirometry mierzą ilość energii emitowanej poprzez pomiar temperatury elementu, na który pada promieniowanie. Do pomiaru temperatur powyżej 600 °C używane są pirometry optyczne, w których jasność świecenia badanego obiektu jest porównywana z jasnością obiektu wzorcowego (np. żarnika). W pirometrach najwyższej klasy mierzących w zakresie niskich temperatur stosuje się optykę zwierciadlaną, analogiczną do stosowanej w aparatach fotograficznych - tzw. lustrzankach. W niektórych rozwiązaniach na czas pomiaru włącza się wskaźnik laserowy. Problem z właściwym ustawieniem pirometru nie występuje w pirometrach światłowodowych, w których promieniowanie wnika do światłowodu przy powierzchni promieniującej. W pirometrach stosuje się dwie grupy detektorów: termiczne i fotoelektryczne. Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

2

Kamera termowizyjna – termowizor, kamera termiczna, termograficzna lub kamera podczerwieni

Termowizor – optoelektroniczne urządzenie obrazowe analizujące tzw. temperaturowe promieniowanie podczerwieni. Zakres czułości widmowej kamery termowizyjnej obejmuje pasma 3-5 lub 8-13 mikrometrów.

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Podział czujników temperatury stykowych

Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury

Czujniki Rezystancyjne

Termorezystory

Termoelektryczne

Termistory

Półprzewodnikowe czujniki temperatury

Dyskretne analogowe czujniki

Scalone analogowe i cyfrowe czujniki

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

3

Porównanie czujników temperatury Termorezystory (RTD)

• Ciało termometryczne: Drut metalowy (platyna – Pt, nikiel- Ni, miedź - Cu) • Właściwość termometryczna: Opór elektryczny Termistory (NTC i PTC) • Ciało termometryczne: Rezystor półprzewodnikowy • Właściwość termometryczna: Opór elektryczny

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Porównanie czujników temperatury Termoelektryczne (Termopary) • Ciało termometryczne: Termoelement (platynorod-platyna, żelazo-konstantan, …) • Właściwość termometryczna: Siła termoelektryczna (zjawisko Seebeck'a) Półprzewodnikowe i scalone czujniki elektroniczne • Ciało termometryczne: Złącze p-n diody lub tranzystora • Właściwość termometryczna: spadek napięcia na diodzie (Uf), spadek napięcia złącza baza-emiter tranzystora

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

4

Porównanie czujników temperatury Maksymalne zakresy pomiarowe różnych typów czujników

Termorezystory Termistory Termoelektryczne Scalone

(-200°C ÷ 850°C) (-80°C ÷ 200°C) (-270°C ÷ 1800°C) (-55°C ÷ 125°C) 0

500

1000

1500

2000

2500

Temperatura [K]

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Charakterystyki czujników typu: termistor NTC i rezystor Pt, Ni

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

5

Czujnik Rezystancyjny - RTD • Zasada działania czujników rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zjawiska zmiany rezystancji metali wraz z temperaturą. • Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co ze względu na hamowanie ruchu elektronów powoduje wzrost rezystancji.

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Czujniki platynowe PT i niklowe NI Metale stosowane na rezystory termometryczne powinny mieć następujące właściwości: • • • • • • • • •

możliwie duży cieplny współczynnik zmian rezystancji możliwie dużą rezystywność zapewniającą wykonanie rezystorów o małych wymiarach możliwie wysoką temperaturę topnienia stałość własności fizycznych odporność na korozję łatwą odtwarzalność metali o identycznych własnościach ciągłość zależności rezystancji od temperatury bez wystąpienia histerezy dostateczną ciągłość i wytrzymałość Metalem, który najlepiej łączy w sobie wyszczególnione powyżej własności jest platyna (Pt –> czujnik PT100). Ponadto do wykonania rezystorów termometrycznych stosujemy również nikiel (Ni -> czujnik NI100) lub miedź (Cu).

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

6

Budowa czujnika RTD

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Charakterystyka czujnika PT100 • Równania określające zależność między temperaturą a rezystancją w platynowych rezystorach termometrycznych są następujące: - w zakresie od –200 oC do 0oC • Rt = Ro [ 1 + At + Bt2 + C ( t - 100oC ) t3 ] - w zakresie od 0 oC do +850 oC • Rt = Ro (1 + At + Bt2 ) • •

Według normy PN-EN 60751 przy temperaturze 0oC nominalna wartość rezystancji wynosi 100.00Ω. Dostępne są również czujniki rezystancyjne o nominalnych wartościach 500Ω (Pt500) oraz 1000Ω (Pt1000) przy temperaturze 0oC. Charakteryzują się one znacznie większą dokładnością (większa rozdzielczość rezystancji w stosunku do temperatury).

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

7

Charakterystyka czujnika PT100 • • • • • • •

Dla platyny o jakości zwykle stosowanej w przemysłowych czujnikach rezystancyjnych wartości stałych w tych równaniach są następujące: A = 3,9083 x 10-3 oC-1 B = -5,775 x 10-7 oC-2 C = -4,183 x 10-12 oC-4 W przypadku termometrów rezystancyjnych podaje się również współczynnik temperaturowy a, definiowany jako: a = ( R100 - R0 ) / ( 100 x R0 ) = 0,00385°C-1 R100 - rezystancja w 100°C R0 - rezystancja w 0°C Do obliczeń stosuje się dokładną wartość 0,00385055 °C-1

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Dokładność czujnika PT100 Tolerancje błędów •

Dopuszczalne tolerancje błędów dla platynowych czujników rezystancyjnych zostały dokładnie opisane w normie PN-EN 60751:1997+A2. Norma ta rozróżnia dwie klasy dokładności: A i B. Poniżej zostały podane wzory na obliczanie dopuszczalnej odchyłki. Klasa A: t = ( 0.15 + 0.002 x |t| ) Klasa B: t = ( 0.30 + 0.005 x |t| ) t = temperatura w oC

•

Istnieje również możliwość zastosowania rezystorów platynowych o podwyższonej dokładności, tj. klasy 1/3 DIN B oraz 1/10 DIN B. Jednak rezystory te są ograniczone zakresem temperatury stosowania . Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

8

Pomiar temperatury za pomocą PT100 • • • •

W czujniku rezystancyjnym rezystancja elektryczna zmienia się z temperaturą. W celu określenia sygnału temperatury prąd o stałej wartości przepuszczany jest przez rezystor oraz mierzony jest spadek napięcia. Dla tego spadku napięcia prawo Ohma stwierdza: Up = R x Ip Prąd pomiarowy powinien być tak mały jak to możliwe w celu uniknięcia samonagrzewania się rezystora. Można przyjąć, że prąd pomiarowy o wartości Ip=1 mA nie wnosi istotnych błędów. Prąd ten daje spadek napięcia 0,1 V dla PT100 przy 0⁰C. Sygnał pomiarowy, przy minimalnych zmianach, musi być teraz przekazany do punktu pomiarowego za pomocą przewodów, które mają swoją rezystancję (która też się zmienia od temperatury). Do tego celu stosowane są trzy różne typy układu połączeń czujnika: 2-przewodowe, 3przewodowe i 4-przewodowe. Zasilanie układu pomiarowego może być napięciowe lub prądowe.

Schemat zastępczy rezystancyjnego czujnika temperatury Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Pomiar temperatury za pomocą PT100 Układ 2-przewodowy • Jest to najprostszy pomiar rezystancji czujnika. Można wykorzystać do tego celu tzw. metodę techniczną lub mostkową. Jako układ zasilania można zastosować napięciowe źródło odniesienia lub prądowe źródło odniesienia, które poprawia dokładność pomiarową. • Przy długich przewodach połączeniowych jest wyraźny wpływy rezystancji przewodów oraz ich zmian z temperaturą. • Aby uniknąć wpływu rezystancji połączeń można zastosować czujnik o dużo większej rezystancji np. PT1000, które rezystancja (Rt=1000Ω dla t=0⁰C) jest dużo większa od rezystancji przewodów.

Pomiar 2-przewodowy: pomiar rezystancji metodą techniczną z dokładnym napięciem odniesienia i dokładnym prądem odniesienia

Pomiar rezystancji metodą mostkową 2-przewodowy

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

9

Pomiar temperatury za pomocą PT100 Układ 3-przewodowy • Wpływy rezystancji przewodów oraz ich zmian wraz z temperaturą są redukowane do minimum w układzie 3-przewodowym. W takim układzie dodatkowa końcówka jest doprowadzana do kontaktu z czujnikiem rezystancyjnym. Daje to efekt w postaci dwóch obwodów pomiarowych, z których jeden jest używany jako odniesienie. •

Układ 3-przewodowy umożliwia kompensację zarówno wartości, jak i zależności temperaturowej rezystancji doprowadzeń. Ale wymaga się, by wszystkie trzy żyły miały identyczne właściwości i były w tej samej temperaturze. W większości przypadków jest to spełnione z wystarczającym stopniem dokładności, tak więc układ 3-przewodowy jest obecnie jednym z najczęściej stosowanych. Nie jest wymagana kompensacja doprowadzeń.

Pomiar rezystancji metodą mostkową, 3-przewodowy i pomiar 3-przewodowy z wykorzystaniem źródła prądowego Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Pomiar temperatury za pomocą PT100 Układ 4-przewodowy • Optymalną formą połączenia dla czujników rezystancyjnych jest układ 4-przewodowy. Wynik pomiaru nie zależy ani od rezystancji doprowadzeń, ani od ich zmian temperaturowych. Nie wymaga się kompensacji doprowadzeń. Rezystor dostaje prąd pomiarowy Ip poprzez zaciski zasilania. Spadek napięcia Up na rezystorze PT100 jest pobierany przez końcówki pomiarowe. •

Jeśli rezystancja wejściowa układu pomiarowego jest wielokrotnie większa niż rezystancja przewodów pomiarowych, to można ją pominąć.

Pomiar rezystancji metodą 4-przewodową z zasilaniem źródłem prądowym

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

10

Przykłady czujników PT100 – czujnik podstawowy

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Obudowane czujniki PT100

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

11

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Układ pomiarowy dla PT100 z linearyzacją

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

12

Termistory

Podział termistorów • NTC – o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature coefficient) – wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji; • PTC – (pozystor) o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. positive temperature coefficient), wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji; • CTR – o skokowej zmianie rezystancji (ang. critical temperature resistor) – wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowną zmianę wzrost/spadek rezystancji. W termistorach polimerowych następuje szybki wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe), a w ceramicznych, zawierających związki baru, spadek. Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Pomiar temperatury za pomocą termistora NTC lub PTC • • •

Rezystancje termistorów do pomiaru temperatury są rzędu kΩ i dużo większe od czujnika PT100 i od rezystancji przewodów pomiarowych. Termistory raczej nie podłącza się do długich przewodów. Są najczęściej zlokalizowane blisko układu pomiarowego. Niestety, charakterystyka termistora w szerokim zakresie temperatur jest wybitnie nieliniowa i wymaga linearyzacji.

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

13

Czujniki półprzewodnikowe temperatury W czujnikach półprzewodnikowych wykorzystuję pomiar napięcia na złączu n-p. Napięcie to zmienia się prawie liniowo od temperatury złącza i dzięki temu bardzo łatwo można zmierzyć temperaturę w zakresie od -50⁰C do +150 ⁰C. Czujniki półprzewodnikowe wykonywane są jako: • czujniki analogowe dyskretne (dioda, tranzystor, półprzewodnik) • czujniki analogowe scalone: – z wyjściem napięciowym – z wyjściem prądowym

•

czujniki scalone z wyjściem cyfrowe: – z interfejsem szeregowym (I2C, SPI, 1-Wire) – z interfejsem szeregowym plus sygnał włącz/wyłącz (termostat)

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Czujniki półprzewodnikowe, złącze n-p • Dioda półprzewodnikowa może pracować jako czujnik temperatury. • Spadek napięcia VF na przewodzącej diodzie zmienia się prawie liniowo z zmianą temperatury (współczynnik wynosi około -2mV/⁰C).

Tranzystor npn jako czujnik temperatury Zmiana spadku napięcia na złączu n-p od temperatury

Pomiar temperatury za pomocą diody półprzewodnikowej, zasilanie układu stabilnym napięciem lub prądem Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

14

Czujniki półprzewodnikowe, złącze n-p

Charakterystyka czujnika półprzewodnikowego opartego o złącze n-p na diodzie 1N4148

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Analogowy scalony czujnik temperatury LM135

Właściwości: • Wyskalowany w ⁰ Kelvina • Wstępna dokładność 1⁰C • Zakres prądu pracy 400 µA do 5 mA • 1Ω impedancja dynamiczna • łatwość kalibracji • Szeroki zakres temperatury -50 ⁰C - +120 ⁰C • Niski koszt

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

15

Prosty regulator temperatury na LM135

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

Scalone cyfrowe czujniki półprzewodnikowe z interfejsem szeregowym

Przykład czujnika ADT7302 w postaci układu scalonego z wyjściem szeregowym typu SPI

Scalone czujniki temperatury najczęściej wykorzystują interfejs I2C, SPI lub 1-wire do komunikacji z mikrokontrolerem Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

16

Scalone cyfrowe czujniki półprzewodnikowe z interfejsem szeregowym

Układ LM75 to cyfrowy czujnik temperatury z interfejsem I2C

Semestr zimowy 2014/2015,WIEiK-PK

17