pretvaraci_temperature

download report

Transcript pretvaraci_temperature

dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
1
PRETVARAČI
TEMPERATURE
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
2
UVOD
 Uređaj koji fizičku veličinu pretvara u oblik pogodan za
merenje se naziva SENZOR ili PRETVARAČ
 Senzori treba da zadovolje sledeće zahteve:
• Linearnost
• Osetljivost
• Brzina odziva
• Dugovečnost
• Neosetljivost na spoljašnje uticaje
• Male dimenzije
• Niska cena
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
3
UVOD
 Tehnika razvoja senzora se odvija u tri pravca:
1. Smanjenje dimenzija i veći stepen integracije
1. Realizacija višestrukog delovanja
(temperatura, vlažnost, pritisak)
1. Proširenje funkcionalnih mogućnosti (pametni
senzori)
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
4
MERENJE TEMPERATURE
 Oko 50% svih merenja u industriji čine merenja
temperature i protoka
 u nekim granama industrije kao sto su elektrane,
toplane, hemijska postrojenja i sl. ova merenja
čine i do 80% svih merenja
 Temperatura je fizička veličina koja predstavlja
stepen zagrejanosti tela i povezana je sa
termodinamičkim stanjem tela i njegovom
unutrašnjom energijom
 Pri uzajamnom delovanju dva tela sa različitim
temperaturama dolazi do prelaska toplote sa tela
sa višom temperaturom na telo sa nižom
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
5
 Promena toplotnog stanja tela praćena je
propratnim efektima kao sto su promena
zapremine tela, pojava termoelektriciteta, zračenje
 Temperaturu tela moguće je izmeriti samo
posredno preko takvih veličina koje se još nazivaju
termometarskim i koje su u funkcionalnoj vezi sa
temperaturom a podložne su direktnom merenju
 Oblast merenja temperature se naziva
Termometrija i neprekidno se razvija oko 5
vekova
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
6
MERENJE TEMPERATURE
 Smatra se da je prvi termometar konstruisao Galilej u XVI veku i
sastojao se od stalene posude sa cevčicom u kojoj je bio alkohol.
Takav termometar je služio samo za indikaciju promene temperature
pošto nije imao skalu
 1711. Farenhajt (Holandija) je umesto alkohola upotrebio živu i
definisao skalu. Za najnižu temperaturu je uzeo smesu leda i soli i
označio je sa 32 stepena a za najvišu tačku je uzeo temperaturu
ključanja vode i označio je sa 212 stepeni
 1790. Reomir (Francuska) je konstruisao sličan termometar sa
alkoholom sa istim krajnjim tačkama ali je taj opseg podelio na 80
podeoka
 1742. Celzijus (Švedska) je isti opseg sa istim fiksnim tačkama
podelio na 100 podeoka i donju tačku označio sa 100° a gornju sa 0°
 1845. ove vrednosti su obrnute i tako je nastala skala kakvu danas
poznajemo a od 1948. ona se zvanično zove Celzijusova skala
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
7
PODELA TEMPERATURNIH SENZORA

U okviru različitih senzora za merenje temperture
razlikujemo dve grupe senzora i to:
1) NEELEKTRIČNI SENZORI kod kojih se promena
temperture manifestuje promenom fizičkih dimenzija
senzora
- Tečni (ekspanzioni) termometri(-120 °Cdo+320 °C)
- Manometarski termometri (-160 do +600 °C )
- Dilatacioni termometri (0 °C do +400 °C )
- Bimetalni termometri ( -30 °C do +300 °C )
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
8
2) ELEKTRIČNE SENZORE kod kojih se sa
promeno temperature menja neki električni
parametar senzora
- Termoelektričmi termometri (-200°C
do +1600°C)
- Otporni termometri (-268°C do +1064°C)
- Poluprovodni termometri
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
9
 Ekspanzioni termometri svoj rad baziraju na
pojavi da se telo širi sa porastom temperature a
skuplja sa padom temperature. Na ovom
principu radi i živin termometar koji najčešće
srećemo sa opsegom (-38.8°C÷357°C) (tačka
mržnjenja i tačka ključanja žive),
kerozin(0°C÷80°C)
alkohol(-80°C÷80°C)
Pored navedenih, mogu da se koristi gas (azot)
i lako isparljive tečnosti metal-hlorid, acetone,
freon
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
10
 Manometarski pretvarači zasnivaju rad na
zavisnosti pritiska tela (pri stalnoj zapremini)
od temperature. Sastoji se od termičkog
balona, osetljivog manometra i spoljnog
kapilara preseka nekoliko
milimetra.Najčešće se primenjuje gasni
termometar čiji je zatvoren sistem ispunjen
inertnim gasom.
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
11
Dilatacioni termometri svoj rad zasnivaju
na principu povećanja dimenzije čvrstih tela
sa porastom temperature gde je zavisnost u
određenom opsegu linearna. Prave se od:
• bakra (opseg 0 °C ÷ 150 °C)
• mesinga (opseg 0 °C ÷ 400 °C)
• legure gvožđa i nikla (opseg 0 °C ÷ 200
°C)
Koriste se za izradu termostata i imaju
relativno nisku cenu
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
12
Bimetalni senzori temperature se prave u
obliku traka od dva sloja materijala sa
različitim koeficijentom linearnog širenja gde
se traka, prilikom porasta temperature,
savija u stranu materijala sa manjim
koeficijentom linearnog širenja. Koriste se
takođe za izradu termostata za opseg
-30 °C ÷ 300 °C
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
13
ELEKTRIČNI SENZORI TEMPERATURE
Termoelementi su se prvo koristili za
merenje visokih temperatura (0 °C ÷ 1000
°C) ali je kasnije njihova upotreba
proširena i na vrlo niske temperature čak
do 1K
Svoj rad zasnivaju na jednom od
termoelektričnih efekata u provodnicima:
• Zibekov efekat
• Tompsonov efekat
• Peltijev efekat
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
14
 Za izradu termoparova se u principu mogu
upotrebiti bilo koja dva čista metala ili legure ali je
u praksi ograničen broj kombinacija jer se od
termopara zahteva:
• Stabilnost i ponovljivost termoelektričnog
svojstva
• Što linearnija zavisnost termoelektričnog
napona od temperature
• Visoka osetljivost
• Mogućnost mehaničke obrade
• Pristupačna cena
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
15
 Termopar
– naponski izvor male izlazne otpornosti, reda
10 Ω
– neophodno pojačavanje signala
– relativno mala osetljivost
– nelinearan, potrebna linearizacija
– problem temperature hladnog kraja, pa je
potrebna kompenzacija
– širok merni opseg, (–200 – +1600°C).
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
16
ANSI klasifikacija
 Pl – Rd (0 °C ÷ 1300 °C)
 Fe – Constntan (-200 °C ÷ 1000 °C)
 Ni – Cr Ni (0 °C ÷ 1200 °C)
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
17
Princip rada
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
18
 U nazivu termoelementa stoje dva metala pri čemu prvoimenovani
metal predstavlja pozitivni a drugoimenovani metal negativni priključak
 Prednosti termoparova su:
• Rad bez spoljašnjeg izvora energije jer je aktivan senzor
• Jednostavna i kompaktna konstrukcija
• Širok temperaturni opseg (-270 °C ÷ 4000 °C)
• Visoka tačnost (±0.25% ÷ 0.75% mernog opsega za standardnu
izradu, odnosno ±0.1%÷0.4% mernog opsega za specijalnu izradu)
 Nedostatci termoparova su:
• Nizak nivo izlaznog signala (do 100 mV)
• Mala osetljivost (10 ÷ 70 mV/°C) što otežava merenje malih
temperaturnih promena
• Nelinearna statička karakteristika
• Osetljivost na hemijsko delovanje radne okoline
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
19
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
20
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
21
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
22
OTPORNI PRETVARAČI
Zasnivaju rad na promeni električne otpornosti
radnog tela u zavisnosti od promene
temperature.
R(o )  R(o ) (1   ( o ))
R( ) Otpornost na temperaturi 
R( )  Otpornost na temperaturi o
 Temperaturni koeficijenat otpornosti
o
o
 Referentna temperatura 0°C
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
23
ELEKTRIČNI SENZORI TEMPERATURE
 Otporni senzor od Ni-žice
U odnosu na platinu Nikl ima:
• veći linearni temperaturni koeficijent otpora
• veći odnos otpora na 100 °C i 0 °C
• statička karakteristika je nelinearnija i još nestabilna i
nereproduktivna
• opseg temperature je manji jer se pri višim temperaturama
javljaju korozija i oksidacija
• Imaju nižu cenu i koriste se u tehnici grejanja, hlađenja i
klimatizacije za merenje temperature vazduha
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
24
ELEKTRIČNI SENZORI TEMPERATURE
 Otporni senzor od Cu-žice
Bakar je jeftin metal koji se može dobiti sa visokim procentom čistoće
i ima:
• linearni koeficijent otpora =0.0042÷0.0427 1/°C
• odnos R100/R0=1.426 ÷ 1.428
• stabilnu i reproduktivnu karakteristiku koja je nešto nelinearnija u
odnosu na karakteristiku platine
• Koristi se za opseg temperature -50 °C ÷ 180 °C dok se na
višim javlja oksidacija i korozija
 Otporni senzori se najčešće prave od namotane žice a mogu se
praviti naparavanjem metala (najčešće platine) na keramičku ili
staklenu podlogu. Ovakvi senzori imaju veliki odnos površine i
zapremine što omogućava veoma brz odziv pri merenju površinske
temperature. Nedostatak je neravnomerno nanošenje metalnog filma
na podlogu (ukoliko se javi) što uzrokuje lošiju statičku karakteristiku
u odnosu na žičani otpornik
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
25
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
26
 Platinski otporni senzori
– širok merni opseg, –260 do +850°C.
– pozitivan temperaturni koeficijent dobra linearnost
RT = R0 [ 1 + aT + bT2 ]
– mali temperaturni koeficijent, zato se vezuje u mostnu
šemu
– Standard
– Pt100 – otpornost 100Ω na 0°C i 138Ω na 100°C
– Pt1000 – optornost 1000Ω na 0°C
Pored platine mogu se koristi Cu i Ni
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
27
Platinski otporni termometarPt100
 Za Pt100 važi:


R(t )  R0  1    t    t 2    t 3  (t 100C) ,   0, t  0
Koristi se pojednostavljeni linearni model:
R  R0  1   t  t0 
R0  100 na t0  0C
 Pt100 se povezuje u jednu granu mosta.
 200C do 750C
 Opseg primene
 Osim platine mogu da se koriste i bakar (-50ºC do
200ºC) i nikl (-60ºC do 150ºC).
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
28
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
29
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
30
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
31
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
32
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
33
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
34
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
35
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
36
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
37
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
38
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
39
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
40
Poluprovodnički temperaturni senzori
 Otporni silicijumski senzori
– relativno uzak merni opseg, –50 – +150°C.
Koriste se u mnogim oblastima koje ovaj
pokriva ovaj opseg: prohrambena industrija,
klimatizacija, meteorologija, kućni aparati,
automobili, silosi
– pozitivan temperaturni koeficijent
R(t )  R25 (1  t  t 2 )
– osetljiviji od platinskih senzora, nisu neophodni
merni mostovi
– potrebna linearizacija ili digitalna obrada
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
41
POLUPROVODNI SENZORI TEMPERATURE
Teremistori
 Promena otpora sa temperaturom je velika,nelinearna i aproksimira se eksponencijalnom
jednačinom
RT=AeB/T˙
 Kod većine termistora otpornost opada sa porastom temperature NTC
 Postoje i PTC
 Postoje i termistori sa linearnom k-kom
 Prednosti termistora:
– Velika osetljivost na sobnoj temperaturi
– Male dimenzije
– Velika nominalna vrednost otpora na sobnoj temperaturi
 Nedostatci termistora su:
– Izrazito nelinearna karakteristika
– Velike varijacije parametara pa je zamena drugim termistorom problematična
– Mali temperaturni opseg
– Rade sa manjom strujom nego žičani otporni senzori temperature zbog
samozagrevanja
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
42
Termistori
 Termistori su nelinearni otpornici kod kojih se
specifična električna otpornost menja sa promenom
temperature.
– NTC imaju negativan temperaturski koeficijenat
– PTC imaju pozitivan temperaturski koeficijenat
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
43
NTC termistori
 Glavna prednost u odnosu na druge temperaturske
pretvarače je velika osetljivost.
 Proizvode se od smeše oksida metala (Fe,Cr,Mn,Co,Ni)
u prahu koji se sinteruju na temperaturama većim od
1000ºC čime se formiraju otpornici oblika loptice, diska
ili cilindra.
 Max radne temperature iznose 300ºC do 350 ºC.
 U poslednje vreme se izrađuju i termistori sa max
radnim temperaturama do 700ºC, pa i do 1000 ºC.
R(T )  A  e
(B /T )
 Osetljivost opada sa porastom temperature.
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
A,B-const
karakteristične
za pojedine
termistore
44
Termistori
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
45
NTC termistori
A typical disc thermistor
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
46
PTC termistori
 PTC se koriste kao senzori koji pri određenoj
temperaturi daju diskretan signal. Retko se koriste
za merenje temperature, nego kao elementi za
zaštitu.
 Merni opseg je uzak, ali je osetljivost deset puta
veća u odnosu na NTC.
 Proizvode se od barijum-titanata (BaTiO3) koji je
izolator, ali se dopiranjem smanjuje njegova
otpornost. Dobija se sinterovanjem mlevenog
materijala slično kao NTC.
R  A e
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
B (T Tc )
Tehnička škola Zaječar
47
POLUPROVODNI SENZORI TEMPERATURE
 Tranzistor kao senzor temperature. Porast temperature utiče na
promenu inverzne struje ICB0 kroz inverzno polarisani spoj kolektorbaza. Tipične vrednosti ovih struja su 1 mA za silicijumske tranzistore i
100 mA za germanijumske tranzistore na temperaturi 20 °C. Sa
porastom temperature za 10 °C ova se struja udvostručava ali je i
dalje teško meriti tako male struje.
Veću praktičnu primenu ima promena napona baza-emitor UBE ,koja
je generalno nelinearna, ali se u opsegu -270 °C ÷ 200 °C može
aproksimirati linearnom funkcijom
 Dioda kao senzor temperature je jednostavnija u odnosu na
tranzistor, manji su joj gubitci i ima brži odziv. Za praktičnu primenu se
koriste i direktna i inverzna polarizacija diode s tim što je, pri direktnoj
polarizaciji, opseg temperatura veći.
Pored klasičnih dioda upotrebljavaju se i tzv. tranzistorske diode koje
nastaju spajanjem kolektora i baze tranzistora
 Tranzistori i diode se najčešće koriste za izradu temperaturnih relea
minijaturnih dimenzija tako da mogu da se ugrade direktno u
elektronske uređaje i čipove gde uključuju zaštitu od pregrevanja.
dipl.ing.elek. Dejan Nikolić
Tehnička škola Zaječar
48