Senzori Temperature

Visoka tehnička škola strukovnih studija Zrenjanin Nastavni predmet: Automatizacija procesa

Senzori temperature Seminarski rad

Predmetni nastavnik:

Student:

Zrenjanin

The world's largest digital library

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.









200x









Sadržaj:

1. Uvod....................... Uvod................................... ........................ .......................... .......................... ......................... ......................... ......................... ................3 ...3 2. Kontaktni temperaturni pretvarači......................... pretvarači....................................... .......................... ......................... ..............4 .4 3. Termopar........................ Termopar.................................... ......................... ......................... .......................... .......................... ........................ ...................4 .......4 4. Otpornički detektori temperature (RTD)......................... (RTD)....................................... .......................... .................9 .....9 5. Termistori....................... Termistori................................... ......................... ......................... .......................... .......................... ........................ .................13 .....13 6. Diode...................... Diode.................................. ........................ .......................... .......................... ......................... ......................... ......................... ..............15 .15 7. Zaključak...................... Zaključak.................................. ......................... ......................... .......................... .......................... ......................... ....................18 .......18 Literatura.......................... Literatura....................................... ......................... .......................... .......................... ........................ ......................... ...............19 ..19









1. Uvod U ovom proučavanju ćemo se baviti senzorima temperature koje smo po osnovnim principima funkcioniranja podelili u dve grupe, kontaktne i nekontaktne senzore. Kontaktni temperaturni senzori mere svoju vlastitu temperaturu. To se odnosi i na temperaturu objekta s kojim je senzor u kontaktu, naravno pod pretpostavkom da se nalaze u termičkoj ravnoteži, tj. ne postoji tok toplote između ta dva objekta. Pri mere merenj nju u temp temper erat atur ure e ovim ovim senz senzor orim ima a možem možemo o naić naićii na mnog mnogob obro rojn jne e probleme, pogotovo pri merenju npr. temperatura površina koje se savijaju. U takv takvim im sluč slučaj ajevi evima ma jedn jednos osta tavn vnijije e bi bilo bilo koris koristitititi ne-d ne-dodi odirn rne e temp tempera eratu turn rne e senzore. Neki od najčešćih kontaktnih senzora su termoparovi, RTD-i, termistori, stakleni termometri, bimetalni termometri, poluvodički termometri itd. U ovom pregled pregledu u detalj detaljnij nije e ćemo ćemo se baviti baviti termop termoparo arovim vima, a, RTD-im RTD-ima, a, termis termistor torima ima i diodama dok će ostali senzori biti spomenuti. Ne-kont Ne-kontakt aktni ni senzori senzori tempera temperatur ture e imaju imaju široku široku primen primenu, u, ali je razumev razumevanj anje e njihov njihovih ih princi principa pa rada otežan otežano o jer zahteva zahteva veliko veliko predzna predznanje nje o zračenj zračenju, u, ili preciznije o spektralnom zračenju. Ovakvi senzori nisu još uvijek standardizovani u industriji u takvoj meri kao što su to termoparovi li RTD-i, ali se njihova primena sve više širi. Prisutni su u industriji metala, stakla, keramike, plastike i sl.









2. Kontaktni temperaturni pretvarači S obziro obzirom m da kontakt kontaktni ni tempera temperatur turnih nih pretva pretvarača rača ima 4 vrste vrste (poluvod (poluvodnič nički, ki, termopar, otpornički i termistor), dobro je znati i njihova svojstva. Tabela 1.

Svojstva kontaktnih temperaturnih pretvarača

3. Termopar (engl. Thermocouples-TCs) Termoparovi su jedni od najjednostavnijih i najkorištenijih temperaturnih senzora. Široko su korišteni u nauci i industriji. Baziraju se na Seebeck-ovom efektu koji se dešava u električkim vodičima u kojima se pojavljuje temperaturna gradacija (gradijent) po njihovoj dužini. Jednostavni su, mere u širokom rasponu temperatura, nisu im potrebne baterije. Seebeckov efekat: Razlika napona dV između krajeva otvorenog kruga načinjenog od para različitih metala, A i B, čija se dva spoja drže na različitim temperaturama, direktno je proporcionaln proporcionalna a razlici razlici temperature temperature dva spoja (hladni (c-cold) i topli (h-hot)) (h-hot)) Kh – Kc, i ne zavisi ni u kojoj meri od raspodele toplote na metalu između ta dva spoja. Faktor proporcionalno proporcionalnosti, sti, SAB, se zove relativni relativni Seebackov Seebackov koeficijent koeficijent,, term termo-e o-ele lekt ktri rična čna snag snaga a ili ili samo samo term termo-s o-sna naga ga bi-m bi-met etal alno nog g para. para. Uopš Uopšte teno no gledajući gledajući taj koeficijent koeficijent takođe varira visina visina temperatura temperatura na kojima kojima se pojavljuje pojavljuje ta razlika. Ako je krug zatvoren, struja će teći vodičima, što se može proveriti









Slika 1.

Seebeckov efekat

Termoparovi mere svoju temperaturu. Pre očitavanja merenja obavezno se moramo uveriti da ne postoji tok toplote između termopara i objekta čiju temperaturu merimo. Termoparovi mogu grešiti pri očitavanju svoje temperature, pogotovo ako su dugo u upotrebi, ili ako je izolacija između žica izgubila na otporu zbog vlage ili termičkih uslova. Ili možda postoje hemijska ili nuklearna radijacija ili mehanički efekti u okolini koji utiču na očitavanje. Pri korištenju termoparova se treba posebno paziti električnog udara npr. pri visokim temperaturama i u slučaju dodira s drugim izvorom elektriciteta. Prisutne su mnoge vrste termoparova ali samo mali broj njih je standardizovan do te tačke da za njih postoje tablice za kalibraciju, kodovi za boje i odvajanje oznake oznake u obliku obliku slova koje su prizna priznate te i prepozn prepoznatl atljiv jive e u celom celom svetu. svetu. ASTM ASTM Standar Standard d E230 E230 osigura osigurava va sve specifi specifikaci kacije je za najčeš najčešće će indust industrij rijske ske nivoe, nivoe, uključujući alfabetske oznake, kodove po bojama (jedino SAD), preporučene rokove ispravnosti ispravnosti i kompletne kompletne tablice zavisnosti zavisnosti napona od temperature temperature (ako je hladni spoj na konstantnoj temperaturi od 32 °F i 0 °C). Naravno postoje i ostali standardi širom sveta te njihove vrednosti i šeme boja variraju od mesta do mesta. Izbor optimalnog tipa termopara (metali koji se koriste u konstrukciji) se











se koristi ista vrsta materijala žice termopara ili produžetka sve do mernog instrumenta, inače može doći do vrlo velikih greški. Dužina žice termopara: Izbor dužine žice koja se koristi u senzoru zavisi u prvom redu od primene. Uopšteno, kada se zahteva duža primena za visoke temperature treba koristiti veće žice. Kada nam je najbitnija preciznost bolje je koristiti manju žicu. Tablice termopara: Tablice termopara ili kalibracijske tablice termopara su upravo to, tablice izlaznih dc milivoltnih napona za pojedini tip termopara. Obično su napravljene tako da su prikazane vrednosti koje se inkrementiraju za jedan °C ili °F od 0°C ili 32°F zavisno od prikaza u Fahrenheitovoj ili Celciusovioj skali. Tabela 2. je deo kalibracijske tablice termopara B tipa. Tabela 2. Deo kalibracijske tablice termopara B tipa °C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Termo-električni napon u mV 0 0.000 0.000 0.000 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.002 -0.002 -0.002 10 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 -0.003 -0.003 -0.003 20 -0.003 -0.003 -0.003 -0.003 -0.003 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 30 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 -0.002 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 0.000 40 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.001 0.001 0.002 0.002 0.002 50 0.002 0.003 0.003 0.003 0.004 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 0.006 60 0.006 0.007 0.007 0.008 0.008 0.009 0.009 0.010 0.010 0.011 0.011 70 0.011 0.012 0.012 0.013 0.014 0.014 0.015 0.015 0.016 0.017 0.017 80 0.017 0.018 0.019 0.020 0.020 0.021 0.022 0.022 0.023 0.024 0.025 90 0.025 0.026 0.026 0.027 0.028 0.029 0.030 0.031 0.031 0.032 0.033 100 0.033 0.034 0.035 0.036 0.037 0.038 0.039 0.040 0.041 0.042 0.043 110 0.043 0.044 0.045 0.046 0.047 0.048 0.049 0.050 0.051 0.052 0.053 120 0.053 0.055 0.056 0.057 0.058 0.059 0.060 0.062 0.063 0.064 0.065 130 0.065 0.066 0.068 0.069 0.070 0.072 0.073 0.074 0.075 0.077 0.078









Tipovi termopara termopara se dakle mogu razlikovati razlikovati i prema boji. Boje se definišu definišu prema razli različi čititim m stan standar dardi dima ma.. Slik Slika a 2. prik prikaz azuj uje e skalu skalu boja boja koja koja zavi zavisn snii od tipa tipa,, standarda i zemlje.









Slika 2.

Skala boja koja zavisni od tipa, standarda i zemlje

Tabela 4. Prikaz preciznosti termopara zavisno od tipa Temperature B type E type J type K type N type R type S type T type PRTD









Otpornički Otpornički detektori temperature temperature ili RDT su vrlo tanke žičane naprave koje mere temperaturu na temelju fizičkog principa pozitivnog temperaturnog koeficijenta električnog otpora metala. Dakle, što su topliji to im je otpor veći. U glavnom se koristi platina kao materijal za njihovu izradu. Najpopularniji tipovi su PRT i PRT100. Gotovo da su linearni preko širokog područja temperatura, a neki toliko mali da daju odziv u deliću sekunde. Oni su među najpreciznijim najpreciznijim temperaturnim temperaturnim senzorima s rezolucijom i mernom nesigurnošću do ±0.1 °C ili čak i bolje u posebnim uslovima. Obično dostupni oklopljeni u sonde za osetnike temperature i merenje s vanjskim indikatorom, kontrolorom ili transmiterom, ili se nalaze unutar drugih naprava gde mere temperaturu kao deo funkcije te naprave npr. termostat.









Prednosti RTD-a uključuju stabilni izlaz na duže vreme, lagana re-kalibracija i tačna očitavanja za relativno male promene temperature. Njihovi nedostatci u odnosu na termopar su: manji raspon temperatura koji mogu pokrivati, viši početni trošak i manja otpornost na okruženja s velikim vibracijama. To su aktivne naprave tako da zahtevaju električnu struju da bi izazvali pad napona na senzoru koji se tada može meriti preko kalibriranog uređaja za čitanje. Izvori grešaka kod RTD-a Žice koje se koriste da povežu RTD do sklopa za očitavanja mogu doprineti grešci, posebno kada su ti delovi dugački, što se često zna desiti kada imamo udaljeno merenje temperature. Da bi se izbegle takve greške postoje posebni dizajni sa 3 ili 4 žice koji sprečavaju ili minimalizuju takve greške. Takve greške mogu se minimaliziovati i korištenjem temperaturnih transmitera koji su spojeni blizu RTD-a. Transmiteri Transmiteri konvertuju konvertuju merenje otpora u analognu analognu struju ili serijski digitalni signal koji se može slati na velike udaljenosti preko žice ili RF do kontrolnog sistema i indikatora. RTD-i, kao što smo već rekli rade u relativno malom temperaturnom opsegu, uspoređeno s termoparom. Obično je to raspon od -200 °C do praktičnog maksimuma od oko 650 to 700 °C. Neki proizvođači tvrde da su postigli veći raspon dok drugi koriste i manji raspon nego je to uobičajno. Otpor izolacije je uvek funkcija temperature i na relativno visokoj temperaturi šunt otpor izolatora izolatora unosi grešku u merenje. merenje. Takve greške se isto tako mogu ukloniti ako se poznaju termička svojstva izolatora. Kao izolatori se koriste pažljivo obrađeni materijali kao što su praškasti magnezijum (MgO), aluminijum (Al2O3) i sl. Definisani su i standardi koji određuju karakteristike i izvedbu takvih oklopljenih sondi. Na primer E 1652-00. Drugi RTD-i osim platinastih











ASTM Standard E 1137 za Industrijske platinske RTS-e određuje odnos otportemperatura za takve naprave u rasponu od 0 °C to 650°C. Odnos je dakle definisan jednačinom: R(t) = R(0)[1 + At +Bt^2]

Gdje je: t = temperatura (ITS-90), °C, R(t) = otpor na temperaturi t, R(0) = otpor na 0°C A = 3.9083 * 10^-3(°C), i, B = -5.775 * 10^-7(°C^-2). Callendar-Van Dusen jednačina i ostale se koriste za ispravke nelinearnosti odnosa otpor-temperatura za vrlo velike točnosti koje se zahtevaju na primer u meteorologiji ili u kalibracijskim laboratorijama. Preporučene granice korištenja i tolerancije: U SAD-u, ASTM Specifikacija E1137 daje puno detalja i specifikacija za RTD-e u rasponu od -200 °C do 650°C.









A ±[0.15 + 0.002*|t|] °C B ±[0.30 + 0.005*|t|] °C C ±[1.20 + 0.005*|t|] °C

Slika 5.

Germanijski RDT-i firme LakeShore

Slika 4.

Platinski RDT-i firme LakeShore

















5. Termistori Termistori su specijalni čvrsti temperaturni senzori koji se ponašaju kao temo temoera eratu turn rno-o o-oset setljljiv ivii elek elektr trič ični ni otpo otporn rnic ici.i. Post Postoj oje e dva dva osno osnovn vna a tipa tipa,, NTCNTCNegat Negativ ivni ni Temp Tempera eratu turn rnii Koef Koefic icijijen ent, t, koji koji se koris koristiti u glav glavnom nom za meren merenje je temperature, i PTC-Pozitivni Temperaturni Koeficijent koji se koristi u glavnom za kontrolu električne struje. Termistori tipično rade u relativno malom temperaturnom području, u poređenju s ostalim temperaturnim senzorima. Mogu biti vrlo tačni i precizni unutar datog opsega. Terminologija Termistor je termički osetljivi otpornik koji pokazuje promene u otporu s

promenom njegove temperature. Otpor se meri puštanjem male, merene istosmerne struje kroz termistor i merenjem pada napona kojeg ona uzrokuje. Standardna referentna temperatura je temperatura tela termistora kod

koje je definisan nominalni otpor (najčešće je to 25°C). Nominalni otpor (nulte snage) je iznos otpora termistora merenog na









Otporničko-temperaturna karakteristika je veza između nazivnog otpora

termistora i njegove telesne temperature. Temperaturno-Wattna karakteristika termistora je veza u određenoj

tempera temperatur turnoj noj okolin okolinii između između tempera temperatur ture e termis termistor tora a i primen primenjen jene e snage snage u mirnom stanju. Struja-vreme karakteristika termistora je veza u određenoj temperaturi

okoline između struje kroz termistor i vremena od priključenja ili isključenja napona na termistor. Stabilnost termistora je sposobnost da zadrži specifičnu karakteristiku

nakon podvrgavanja rubnim okolinskim ili elekrtičnim uslovima. Standard

E879-01..Standard Specification for Thermistor Sensors for Clinical Laboratory Temperature Measurements. Raspon temperatura u kojem NTC termistori daju zadovoljavajuću tačnost je od -258oC do 600oC s tačnošću koja od ±0.3 K i ±0.75% (za B razred).











izlaz samo 100 mV na 273 K. Slika 11. pokazuje tipični temperaturni senzor sa diodom. Klasifikovani su u različite grupe po toleranciji gdje je najbolja postignuta tačnost ±0.25 K od 2 K do 100 K i ±0.3 K od 100 K to 300 K. Veliki temp temper erat atur urni ni rasp raspon on,, gotov otovo o lin linearn earna a osetl setlji jivo vost st,, ve veli lik k signa ignall i jednostavna instrumentacija čine diode korisne u aplikacijama koje zahtevaju bolju tačnost nego termoparovi.

























7. Zaključak U sklopu ovog seminarskog rada objašnjeni su samo najosnovniji ili bolje rečeno najkorišteniji senzori temperature. Područje merenja temperature je toliko široko da ga je nemoguće u celosti proći u seminarskoj radnji. Ostali senzori temperature koji su izostavljeni kao na primjer stakleni termometri, punjeni sistemi, bimetali, kondenzatori pa sve do nekontaktnih senzora kao što su IR termometri, optička pirometrija i sl. otvaraju sasvim nova područja i smerove u kojima se razvija industrija senzora temperature. U popisu literature nalaze se korisni internet linkovi koji pružaju pristup dodatnim informacijama koje se tiču najrazličitijih senzora temperature.









Literatura 1. Tehn Tehnič ička ka encik enciklop loped edijija a 2. Senzor Senzorii i merenj merenja, a, dr Mlad Mladen en Popovi Popovićć 3. www.temperatures.com 4. www.lakeshore.com 5. www.ussensors.com

Senzori Temperature

Recommend Documents