Transcript Davaci_temperature_11.0

ДАВАЧИ
ТЕМПЕРАТУРЕ
Садржај

Увод

На принципу ширења

Термодинамички

Термометри промене стања

Биметални сензори температуре

Термопар

Отпорни термометри и термистори

Термометри са системом попуне

Полупроводнички претварачи температуре
Увод
Постоји много метода помоћу којих може
да се мери температура. Термометри се
могу поделити на следећи начин:
Tермодинамички термометри

Термометри на принципу ширења





Чврстих материјала
Течности
Гасова
Термометри промене стања
Електрично-претварачки термометри



Термометри променљиве отпорности
Полупроводнички термометри
Термоелектрични термометри
Термометри
Типови термометара који су најпогоднији за
контролна мерења су они који су у стању да
преносе електричну енергију на даљину без
приметних губитака који би затим изазвали
нетачност, те се с тога електрични термометри
обично користе када се захтева висока тачност.
Примарни сензори температуре (термометри
притиска) који конвертују промену температуре у
промену притиска, а који се затим детектује
претварачима притиска, користе се само понегде
пошто су поуздани и релативно јефтини мада су и
мање прецизни
Термометри


Најпознатији термометри чији се принцип рада
заснива на ширењу чврстог материјала су
биметалне траке. Овакви уређаји користе
различите коефицијенте ширења различитих
метала који су спојени тако да изазивају
деформацијху када се траке греју. Биметалне траке
могу бити праве, спиралне или хеликоидалне
Најпознатији термометри чији се принцип рада
заснива на ширењу течног материјала су стаклени
термометри са живом. Могу да се користе и за
високе температуре. Ови уређаји су повезани са
Бурдоновом цеви која мери притисак који ствара
жива услед термалног ширења
Термометри
Термометри чији се принцип рада заснива на
ширењу гасова користе ширење гасова које је
резултат повећања температуре. Постоје два
типа термометара (термодинамички
термометар):


Тип код кога је притисак константан
Тип код кога је константна запремина
Термометри
Остали термодинамички термометри:
1.Акустични термометар

p
RT
c


M
2.Термометри на бази шума
U Sef  4kRTf
3.Радијациони термодинамички пирометри
а) Планков закон зрачења црног тела
c1
L (T ) 

5
 0 
1
(e
c2
T
 1)
Термометри
б) Штефан-Болцманов закон
W  T 4
ц) Винов закон
mT  const.
Термометри


Термометри промене стања (притиска паре) су
уствари термометри који раде на принципу ширења
течности код којих течност делимично испарава
унутар термометра. Температура се тада мери
помоћу притиска испарења. Ови термометри су
јефтинији од живиних термометара и на њих не
утичу промене температуре околине.
Код електричних термометара темпартура се
претвара у електричну величину: отпорност, струју
или напон, а најпознатији су термопарови,
отпорни термометри и термистори као и
полупороводнички термометри који ће касније
бити објашњени
Биметални сензори температуре


Биметалне траке су направљене од два различита
метала, спојених заједно, који имају различите
вредности коефицијента ширења у зависности од
температуре. Два најчешће коришћена метала су
месинг који има релативно висок коефицијент
ширења и инвар (легура никла и челика) који има
релативно низак коефицијент ширења.
Трака је права на ‘нормалној‘ температури и
постепено се савија како температура расте, при
чему страна са месингом постаје конвексна. У
већини случајева, трака је направљена тако да
направи или прекине електрични контакт када се
постигне дата температура.
Термопар




Термопар уређаји су класификовани као
термоелектрични претварачи температуре.
Принцип рада се заснива на Зебековом ефекту који
каже да када год се два различита метала споје, а
њихови спојеви изложе различитим
температурама, генерише се електромоторна сила
(ЕМС).
Генерисана ЕМС је приближно пропорционална
разлици температура спојева.
Избор материјала за жице термопара зависи од
опсега температура које треба да се мере на
врелом крају, као и од физичког напрезања,
отпорности на корозију, електричне отпорности и
цене
Термопар


Због малог интензитета генерисане ЕМС, потребно
је водити рачуна на однос сигнал/шум. Када год је
то изводљиво, треба појачати напон у тачки што је
могуће ближе самом референтом споју, пре него
што се сигнал пренесе до температурског
контролера, индикатора или рекордера.
Због различитих техничких захтева и цене, често је
врло непрактично да се користе дуге жице у
термоспојевима. Из тог разлога, специјални
типови продужетака жице (са одговарајућим
изолационим материјалом) и заједно са бакарним
међувезама могу да се убаце између спојева
термопара.
Термопар
ПРЕДНОСТИ

Велики опсег температура
које могу да измере,
уколико су изабрани
одговарајући материјали

Мале су величине

Имају кратко време одзива


Имају линеарни излаз (дуж
датог опсега температура)
Ниска цена
НЕДОСТАЦИ

Низак ниво излазног сигнала

Ограничена тачност

Потреба за специјалним
продужецима за жицу у неким
ситуацијама
Отпорни термометри


Отпорни термометар је елемент који се састоји од
металне жице, и реагује на температуру на основу
дејства зависности отпорности метала у функцији
вредности температуре. Познати су под именом
електро-отпорни термометри (resistance
temperature detector RDT). Најчешћи материјали
који се користе у овим уређајима су никл, бакар,
легура никла и челика и платина.
RDT се најчешће производе у опсегу од 10  до
неколико к. Типично се ови уређаји
енкапсулирају у мале стаклене цеви производећи
тзв. отпорну сијалицу, а инсталирају се у унутар
металних или керамичких цеви
Отпорни термометри


На слици су приказане
калибрационе криве за три
отпорна материјала: види се
да платина даје најлинеарнију
карактеристику дуж широког
опсега температура и због тога
је овај материјал
најпопуларнији без обзира на
високу цену.
Отпорност елемента RΘ је
повезана са температуром Т
помоћу следећег закона
R  R0[1  T  T 2  T 3 ]
где су α, β и γ константе, R0 на
нула степени Целзијуса
Термистори
Термистори су мали уређаји од керамике која је
добијена синтеровањем смеше оксида хрома,
кобалта, бакра, гвожђа, мангана, никла, итд.
Производе се у различитим величинама и
облицима (диск, штап), а на крају се енкапсулирају
са бакарним изводима различитих боја у
зависности од материјала
Термистори
Номинална отпорност термистора може да варира
од 10  до неколико М, у зависности од типа
материјала и физичких димензија. Однос
отпорности и температуре је изразито нелинеаран
и дефинисан је експоненцијалним законом
RT  ae
bT
где су a и b константе унутар уског опсега
температура, а Т је апсолутна температура
Термистори

Већина термистора има
негативни температурни
коефицијент (NTC), код којих RT
нелинеарно опада са повећањем
температуре. Међутим, праве се
и термистори са позитивним
температурним коефицијентом
(PTC).

Отпорни термометри и
термистори су обично повезани
као један елемент и Wheatstoneовом мосту (слика).
Термистори
V0 је повезан са примењеним напоном Va и отпорношћу
сензора RΘ следећом законитошћу
VA
R1  r
V0 
 VA[
]
2
R1  2r  R
где је r отпорност прикључака.
На тај начин, V0 је (нелинеарна) мера разлике између RΘ и R1 .
У температурном конторлеру R1 се ручно постави да буде
једнак вредности RΘ који одговара жељеној вредности
температуре.
На нули, када је V0 = 0, RΘ ће бити једнако R1.
Кварцни термометар

Промена фреквенце осциловања
кварцног осцилатора при промени
температуре - читање на дигиталном
ФРЕКВЕНЦМЕТРУ.
Термометри са испуном



Бурдонова цев је уређај који претвара притисак унутар
цеви у померај на крају цеви. Када се користи као давач
температуре, притисак се ствара посредством
температуре резервоара унутар течности, гаса, паре или
живе који се користе да попуне систем.
На слици се види да притисак изазива физичку
деформацију Бурдонове цеви која као резултат има
померај x на слободном крају.
Ови уређаји су робустни и јефтини али нису нарочито
прецизни. Као материјал користе алкохол, живу, азот,
водоник, а покривају опсег температура од – 120 степени
Целзијуса до + 650 степени Целзијуса
Полупроводнички претварачи
температуре


Дуж одређеног опсега температуре (типично од
– 550C до + 1500C), полупроводнички уређаји са
силицијумским спојевима су веома погодни за
мерење температуре пошто су брзи, изразито
линеарни и јефтини. Потенцијал везе
силицијумских диода (Зенерова диода) и
транзистора се мења око 2.2 mV/степен целзијуса.
Типични сензор са два терминала је направљен од
транзистора (слика са правом калибрације)
Полупроводнички претварачи
температуре
Транзисторски
Диодни

Калибрациони график транзисторског сензора са напонским излазом
(BЕ) и типично коло са полупроводником диодом за мерење
температуре

КТ/q=Vt израз за термални напон код диоде, где је Т температура p-n
споја, К Болцманова константа и q наелектрисање електрона.
Динамичке карактеристике
температурских давача
dT T T f
 
(1)
dt 

mc

hS
Изједначавањем прве и друге једначине се има да је:
dQ  hS (Tf  T )dt
dQ  mcdT
Ако се на 1 примени Лаплас
T ( s)
1
G( s) 

T f ( s) 1   s
Ако се на улаз доведе одскочна функција облика (Т1-Т0)
dT T T1  T0 
 
dt 

T1 ( s )
1
sT ( s )  T ( s ) 
 T0

s
T0
T1
T (s) 

1
1

ss   s 

 
Инверзни Лаплас даје коначно
T (t )  T1  (T1  T0 )e
T  T1
t
r 
 e 
T1  T0
t
