Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva Zavod za osnove elektrotehnike i električka mjerenja MJERENJE TEMPERATURE MUTP Prof.dr.sc. Roman Malarić Dr.sc. Alan Šala Dr.sc. Petar Mostarac Zagreb, 2016. 1
Uvod Temperatura je posljedica kinetičke energije molekula, a istražuje ju, kao i ostale toplinske varijable, posebna grana fizike nazvana termodinamika. Temperatura je vjerojatno najčešće mjerena i upravljana procesna veličina. Radi jednoobraznosti mjerenja temperature potrebno je definirati temperaturnu razliku između dviju čvrstih temperaturnih točaka. To je zapravo definicija temperature pomoću mjerenja temperaturne razlike, slično kao što se i prostor definira pomoću mjerenja razmaka, dviju točaka bez da se ulazi u bit prostora, ili vrijeme koje se definira kao interval između dva trenutka. 2
Temperaturne ljestvice Kao temeljni temperaturni razmak ranije se uzimala razlika između ledišta i vrelišta vode određenog kemijskog sastva. I ledište i vrelište definiraju se u odnosu na normalni tlak 101325 (Pa). Ako se navedeni temperaturni raspon podijeli na sto dijelova, dobije se veličina stupnja celzija ( C). Pridjeljivanje nule temperaturne ljestvice stvar je dogovora, međutim postoji i stvarna donja granica temperature koja je i teorijski najniža dostiživa temperatura. Taj novi način predložio je lord Kelvin, pa se njemu u čast od 1954 jedinica u SI sustavu zove kelvin (K). Kelvin je 273,16-ti dio termodinamičke temperature trojne točke vode. 3
Temperaturne ljestvice Apsolutni prikaz temperature Rankin-ova ( o R) (1859.) i Kelvin-ova (K) skala (1848.) T(K) = (5/9) T( o R) Relativni prikaz temperature Celsius i Fahrenheit T ( o F) = T ( o R) - 459.57 T ( o C) = T (K) - 273.15 T ( o F) = 1.8 T ( o C) + 32 4
Temperaturne ljestvice 1. Fahrenheit (F) - 1724 ~ Imperijalni sustav jedinica ~ Točka vrelišta vode : 212 o ~ Točka ledišta vode : 32 o 2. Celsius (C) - 1742 ~ Metrički sustav jedinica ~ Točka vrelišta vode: 100 o ~ Točka ledišta vode: 0 o 5
Trojna točka Trojna točka neke tvari je točka u faznom dijagramu određena temperaturom i tlakom na kojoj tvar istovremeno postoji u tri agregatna stanja (plin, kapljevina i krutina) u međusobnoj termodinamičkoj ravnoteži. Trojna točka vode koristi se za definiranje kelvina, osnovne jedinice SI za termodinamičku temperaturu tako da je njezin iznos utvrđen kao točno 273,16 K. 6
Ledište vode Ledište vode je temperaturna točka u kojoj se voda nalazi u samo dvije faze: krutoj i tekućoj. Nalazi se kod termodinamičke temperature 273,15 K tj. oko 10 mk ispod trojne točke vode. Temperaturni interval od 1K odgovara intervalu od 1 C. 7
Višekratnici Za razliku od metra i sekunde za koje se jednostavno mogu izvesti višekratnici, tako da se pouzdano i točno mogu mjeriti ogromni rasponi veličina, kod temperature je to mnogo složenije. Kako bi se pouzdano mogle mjeriti temperature između dviju definicijskih točaka kao i one iznad trojne točke vode, potrebno je definirati još nekoliko fiksnih točaka. 8
Višekratnici Iz tog razloga 1927 uvedena je međunarodna temperaturna ljestvica (ITS-27), koja se nekoliko puta mijenjala, a danas je na snazi ITS-90. ITS-90 pokriva područje od 0,65 K do 1357,77 K unutar kojeg je definirano još dvadesetak čvrstih točaka, uglavnom ledišta ili trojnih točaka kemijskih elemenata. 9
Uvod 10
Temperaturni opseg Između tih točaka vrijede interpolacijske jednadžbe, kojima se mogu opisati ponašanja slijedećih termometara: Temperaturni Tip termometra opseg 0,65 K- 5 K Manometarski termometri na načelu tlaka para helijevih izotopa 3K- 24,5561 K Plinski termometri na načelu konstantnog volumena izotopa helija 13,8033K - Platinasti otpornički termometar 1234,93 K 1234,93 K - Radijacijski termometri na načelu Planckova zakona 11
Mjerni pretvornici temperature Temperatura utječe na mnoga fizikalna svojstva plinova, tekućina i krutih tijela, a u vezi s tim postoji veliki broj mjernih pretvornika s različitim mjernim signalima: gibanja produljenje, širenje sile tlak, napon (struja) termoelemenata električnog otpora otpornički pretvornici zračenja radijacijski, itd. 12
Osjetila temperature Kontaktno mjerenje temperature Termistori (poluvodiči na bazi keramike) Otporna osjetila (na bazi čistih metala ili slitina) Termoparovi (spojišta dvaju različitih materijala) Poluvodička osjetila (PN spojevi kao osjetila temp. ) Beskontaktno mjerenje temperature IC Poluvodička osjetila (fotodiode, fotootpornici...) Bolometri Piroelektrička osjetila Termovizija (CCD osjetila) 13
Temperaturni koeficijent Označava se oznakom TC ili α te označava promjenu otpora ili napona po C. Predstavlja nagib pravca dobiven pravcem regresije kroz točke izmjerenih pravih vrijednosti. Može biti negativan ili pozitivan. Primjer: Platinski RTD (Pt100): R 100 = 138,5 Ω R 0 = 100,0 Ω α = 0,00385 K -1 (prema IEC ili DIN) 1 dr R100 R0 R dt 100 C R C 0 0 α Nikal RTD ima TC ~ 0,005 K -1 Bakar RTD ima TC ~ 0,0039 K -1 14
Kontaktno mjerenje termistorima Termistori Temperaturno promjenjivi otpornici na bazi metalnih oksida (Fe 2 O 3, MgCr 2 O 4 ) NTC (eng. Negative Temperature Coefficient) koriste se samo za mjerenje temperature Napajanje 220 V AC R PTC (eng. Positive Temperature Coefficient) koriste se samo kao element za zaštitu zbog vrlo strme karakteristike (npr. zaštita elektromotora) S M 0 PTC Zavojnica releja S 24 V DC ω 15
Kontaktno mjerenje termistorima Fe 2 O 3, MgCr 2 O 4,... Ostvaruje se kontakt s površinom čiju temperaturu želimo mjeriti Nazivna vrijednost im se obično daje kao R 25 (otpor na 25 C) Mjerni opseg temperature od 50 C do +150 C Negative Temp. Coefficient 16
Termistori + Velika osjetljivost odnosno promjena otpora s temperaturom pa se u nekim primjenama otpori spojnih vodova mogu zanemariti Male dimenzije Brzi odziv na promjenu temp. zbog male mase Jeftini R / 700000 600000 500000 400000 300000 prikladna exp. Data: Data1_C aproksimacija Model: Exponencijalni pad R = R 0 + a*e (-T/b) R 0 0 a 25597.2 b 15.4 Nelinearna karakteristika (linearizacija polinomima ili log krivuljama) Široke granice pogrešaka (± 10 %) osim za specijalne izvedbe (± 0,1 %) Mali opseg mjerenja temperature od 50 C do +150 C 200000 100000 R = 132568,84-1451,92*T pravac regresije neprikladan za čitav temp. opseg -50 0 50 100 150 T / C za manje promjene temperature, promjene otpora se ipak pokušavaju koliko je to moguće aproksimirati pravcem regresije 17
Kovinska osjetila ili RTD (Resistor Temperature Detector) RTD osjetila temperature Kovine (Platina, Nikal, Bakar, Volfram, Iridij) čiji je otpor s promjenom temperature dan linearnim izrazom. 2 R R 1 T T T za većinu čistih kovina vrijedi približenje: R R T 0 1 R 0 otpor osjetila pri referentnoj temperaturi 0 C. imaju svojstvo dobre linearnosti i postojanosti u čitavom temperaturnom opsegu za razliku od termistora. 3 0.. 18
Kovinska osjetila u pogledu pogrešaka, podijeljena su u dva razreda: A, za temperaturni opseg od 200 C do 650 C (pr 0 = ±0,15 Ω) i B, za opseg od 200 C do 850 C (pr 0 = ±0,30 Ω). oznaka platinskih osjetila sastoji se od otpora R 0, razreda, načina spajanja i mjernog opsega: npr. Pt 100/A/3-100/+200 za mjerenje se koristi Wheatstoneov most u dvožičnom, trožičnom i četverožičnom spoju ili neka od metoda za mjerenje otpora 19
Kovinska osjetila + Linearna karakteristika Uske granice pogrešaka Izuzetno postojani na starenje Širok opseg mjerenja temperature Materijal Tempera turni opseg TC/K -1 Standardne vrijednosti otpora pri 0 ºC, R 0 Manja osjetljivost odnosno promjena otpora s temperaturom pa se otpori spojnih vodova ne smiju zanemariti Spori odziv na promjenu temp. zbog velike mase Relativno skupi Većih dimenzija, a moraju se i dodatno oklopiti Zahtijevaju strujni izvor Platina (Pt) Nikal (Ni) Bakar (Cu) -200 do +850 ºC -80 do +320 ºC -200 do +260 ºC 0.00385 25, 50, 100, 200, 400, 500, 1000, 2000 0.00672 50, 100, 120 0.00427 10 Ω pri 20 C 20
Termoparovi Termoelektrička osjetila Temelje svoj rad na načelu Seebeck-ovog efekta. Služe za relativno mjerenje temperature jer se mora znati temperatura referentnog spojišta. Termoelektrični napon (TEMS) E koji se može izmjeriti milivoltmetrom približno je razmjeran razlici temperatura (T 2 T 1 ) toplog spojišta i hladnih krajeva termopara načinjenog od dvaju kovina A i B : * samo za male promjene E ( T2 T1) temperatura I 21
Tipični spojevi termoparova kada se termopar spoji izravno na mikrovoltmetar, mikrovoltmetar će mjeriti razliku napona proporcionalnu razlici temperatura hladnog i toplog spojišta. To znači da ne možemo odrediti temperaturu T 1 ako ne znamo apsolutnu vrijednost T 2. ako se u sljedećem koraku spoj J 2 stavi u ledenu kupku dobiti će se pokazivanje direktno proporcionalno temperaturi T 1. 22
Tipični spojevi termoparova no ipak želimo izbjeći stavljanje ledene kupke pa će se spajanje u sljedećem koraku obaviti prema sljedećoj slici: ovdje se mjerenje referentne temperature T ref ili T 2 izvodi pomoću termistora. Ovo je jedan od načina kompenzacije temp. referentnog spojišta jer za sobne temperature termistori imaju vrlo stalne i ponovljive karakteristike. Mjeriteljski instituti nam daju tablice napona iz kojih se za spoj dvaju različitih metala dade iščitati karakteristični napon pri temperaturi od 0 C. ovdje se kompenzacija referentne temperature T ref ili T 2 izvodi pomoću malog izvora napona. Ovo je najčešći način kompenzacije temp. referentnog spojišta jer se u voltmetrima takav sklop dade vrlo jednostavno realizirati. 23
Termoparovi različiti spojevi materijala daju različite osjetljivosti na promjene temperature linearniji od termistora ali nelinearniji od RTD-a 24
Termoparovi + Ne trebaju dodatno napajanje Izuzetno postojani na starenje Širok opseg mjerenja temperature Jeftini i vrlo robusni Vrlo mala osjetljivost Zahtijevaju kompenzaciju referentnog spojišta Spori odziv na promjenu temp. zbog velike mase Mijenjaju karakteristiku tokom vremena Tip termopara Temperaturno područje / ºC B 1370 do 1700 C 1650 do 2315 E 95 do 900 J -40 do 850 K -200 do 1100 R -50 do 1350 S 980 do 1450 T -250 do 400 25
Termoparovi 26
Poluvodička osjetila temperature Integrirani sklopovi Analogni i digitalni Vrlo linearan izlaz ovisan o temperaturi Najčešći tipovi AD594, DS1624, DS18B20... Mogućnost povezivanja na mikrokontroler (putem RS232) digitalnom vezom Načelo rada temelje na temperaturnoj ovisnosti PN spoja baza-emiter. Temp. koeficijent im se kreće u rasponu od 2 do 10 mv/ C. Osjetljivost je mala i ima vrijednost od 0,4 C. Vrlo jeftini Linearniji od RTD i termoparova Točnost im je osrednja i kreće se 2% u rasponu od -25 C do +100 C. Nisu namijenjeni za visoke temperature Integrirana kompenzacija referentne točke u slučaju spajanja termoparova. 27
Poluvodička osjetila temperature Primjer analognog poluvodičkog osjetila temperature: AD590 radi kao strujni izvor i daje na svom izlazu struju od 300 μa pri 25 C koja se linearno povećava ili smanjuje za 1μA / K. 28
Poluvodička osjetila temperature Primjer analognog osjetila temperature AD594: 29
Poluvodička osjetila temperature Primjer digitalnog osjetila temperature: 30
Usporedba kontaktnih osjetila temperature SVOJSTVO Poluvodički Termoparovi RTD Termistori Temperaturni opseg Točnost mjerenja apsolutne temparature Točnost mjerenja malih temperaturnih razlika -50 do +180 C Osrednja -270 do +3500 C Srednja zbog referentnog spoja -260 do +1000 C Visoka -50 do +150 C Visoka Osrednja Visoka Osrednja Osrednja TC 2 10 mv/k 0,05 1 mv /K 0,4 %/K 5 %/K Linearnost Linearan Linearni Linearan Nelinearni Izlazna veličina Napon Napon Otpor Otpor 31
Tipični problemi Termistori NTC i PTC Uslijed samozagrijavanja dolazi do pogreške mjerenja temperature. Pobudna struja iz omometra ne bi trebala prelaziti 1 ma ili ako je veća treba ju puštati kroz NTC u vrlo kratkim vremenskim intervalima (~20ms). Podložni su promjeni karakteristika uslijed procesa starenja. Kovinska osjetila Također pate od problema samozagrijavanja mjernom strujom. Imaju manju promjenu otpora u ovisnosti o temp. od termistora, pa je potrebno uračunati i pogrešku zbog otpora spojnih vodova od mjernog uređaja do osjetila. Termoparovi Treba pripaziti na promjene temperaturne karakteristike ovisno o vremenu jer su podložni starenju. Prilikom mjerenja upotrijebiti galvanski izolirano mjerno mjesto (izolacijski transformatori i izolacijska pojačala) prema voltmetru zbog velike osjetljivosti na šum (u idealnom slučaju se mjere vrlo mali istosmjerni naponi pa svaka smetnja jako utječe na pogrešku mjerenja). Potrebno je često pratiti ukupan otpor termopara jer se na taj način provjerava i uočava moguć kratki spoj između dolaznih vodiča. Svi spojevi moraju biti čisti od oksida jer se inače unose dodatni termonaponi. Impedancija dolaznih vodova zbog induciranja mogućih smetnji također mora biti što manja. 32
Pirometri Pirometri su instrumenti za mjerenje visokih temperatura (od crvenog žara pa nadalje). Neposredan kontakt mjernog osjetila i vrućeg tijela u tim slučajevima često nije moguć pa se za mjerenje koristi svojstvo objekta da zrači elektromagnetske valove čija energija i valna dužina ovisi o temperaturi. U bilo kojem objektu svaki atom i svaka molekula vibrira. Prosječna kinetička energija vibrirajućih čestica predstavlja temperaturu. Svaki atom sadrži jezgru i elektronski oblak, koji je zapravo električni naboj u orbiti. Prema zakonima elektrodinamike, električni naboj koji se kreće stvara promjenjivo električno polje koje stvara promjenjivo magnetsko polje. 33
Pirometri Tako je vibrirajuća čestica izvor elektromagnetskog polja koje propagira brzinom svjetlosti i za koje vrijede zakoni optike, tako da se, elektromagnetski valovi mogu reflektirati, filtrirati, fokusirati, itd. Elektromagnetsko zračenje povezano s toplinom naziva se toplinsko zračenje. Elektromagnetski valovi koji potječu od mehaničkog gibanja čestica mogu se opisati pomoću intenziteta i valne duljine. Ove karakteristike su usko povezane sa temperaturom, što je toplije tijelo, kraća je valna duljina zračenja koje emitira. 34
Pirometri Veoma vrući objekti zrače elektromagnetsku energiju u vidljivom dijelu spektra valnih duljina od 0.4μm (plavo) do 0.7 μm (crveno). Na primjer, wolframova nit u žarulji je tako vruća da emitira vidljivu svjetlost. Pretpostavimo da možemo kontrolirati intenzitet svjetla promjenom struje žarulje pomoću potenciometra. Smanjivanjem intenziteta vidimo da svjetlost poprima najprije žućkaste nijanse, pa crvenkaste, i na kraju nestaje. U tom trenutku, dok potenciometar kojim kontroliramo intenzitet još nije na nuli, možemo osjetiti da je žarulja još vruća na dodir, ali ne svijetli, zato što emitira infracrveno svjetlo koje ne vidimo (iznad 0.8 μm). 35
Beskontaktno mjerenje temperature Slika prikazuje ukupno spektar zračenja od gama zraka do radio valova. Toplinsko zračenje pretežno se nalazi u srednjem i dalekom infracrvenom (IC) području spektra. Veći dio zračenja tijela na temperaturama manjim od 3000K pripada infracrvenom području. Pri sobnim temperaturama 300K cijeli spektar je u infracrvenom području (2 25 m) s maksimumom oko 10 m. 36
Wien s displacement law 37
Pirometri Hladniji objekti zrače elektromagnetske valove u infracrvenom dijelu spektra, koje ne možemo vidjeti. Kada bi mogli vidjeti infracrveni dio spektra, svi bi ljudi (ljudska koža zrači svjetlost valnih duljina 5 do 15 μm) svijetlili u mraku, i mogli bi raspoznati one sa povišenom temperaturom, koji bi svijetlili intenzivnije. 38
Pirometri Kako je temperatura mjera prosječne kinetičke energije atoma, a gibanje subatomskih čestica izaziva emisiju elektromagnetskih valova, možemo zaključiti da je moguće mjeriti temperaturu nekog objekta tako da mjerimo intenzitet emitiranog elektromagnetskog zračenja ili njegove spektralne značajke. Ova pretpostavka je osnova beskontaktnog mjerenja temperature. Beskontaktno mjerenje temperature možemo podijeliti na dvije veće cjeline: Pirometrija, riječ koja dolazi od grčkog pyr, što označava vatru, odnosi se na mjerenja većih temperatura i infracrvena termometrija, termin koji se koristi za mjerenja nižih temperatura. 39
Pirometri Pirometri se mogu podijeliti na: Radijacijski pirometri mjere energiju koju zrači vruće tijelo. A mogu se podijeliti na: pirometre ukupnog zračenja (mjere ukupnu emitiranu energiju) pirometre parcijalnog zračenja (reagiraju samo na zračenje unutar određenog opsega valnih dužina). Optički pirometri uspoređuju vidljivo svjetlo koje zrači vruće tijelo sa svjetlom standardnog izvora poznate temperature. 40
IC Beskontaktno mjerenje temperature Definicija pirometra: Svaki instrument koji mjeri visoke temperature (600 C do 3000 C) po načelu kvantiziranja izračene energije vrućeg tijela Optički IR pirometar DVIJE VRSTE PIROMETARA Laserski pirometar Planckov zakon: ovisnost spektralne gustoće zračenja o valnoj duljini λ i apsolutnoj temperaturi crnog tijela T: gdje je c brzina svjetlosti, k Boltzmanova konstanta (k = 1.38*10-23 JK-1) i h Planckova konstanta (h = 6.626*10-34 Js) 41
IC Beskontaktno mjerenje temperature Infra-crveno beskontaktno mjerenje ima i svoje mane: - Valna duljina izračene energije ovisi o temperaturi, dok njezin intenzitet ovisi i o svojstvu površine tijela. Pogreška mjerenja ovisi o koeficijentu emisije ε i refleksije ρ koji ima sivo tijelo (nijedno tijelo nije idealno crno). Koeficijent emisije ε i refleksije ρ može biti između 0 i 1 (bijelo i crno tijelo). Za svaku neprozirnu površinu ε + ρ = 1. - npr. polirani bakar ili aluminij ima ε 0,09 crno bojano željezo ima ε 0,9 - Pogreška mjerenja je najmanja kada je ε = 1, odnosno kada imamo idealno crno tijelo i nema refleksije. - Pogrešku često unose i prašina, dim jer maskiraju izračenu energiju s površine. 42
Termovizija ili termografija Dvodimenzionalni prikaz raspodjele temperature po površini. Nije dovoljan jedan osjetnik, nego se osjetnici slažu u matrice sa ukupnim brojem elemenata koji prelazi 8000. Svaki osjetnik tada predstavlja jedan temeljni element ili piksel (engl. pixel). Tipičan predstavnik mikroosjetnika za 2D prikaz raspodjele temperature jest mikrobolometar. To je u većini slučajeva mali temperaturno osjetljivi poluvodič ili pak temperaturno osjetljivi otpornik. 43
Termovizija FLIR sensor Forward looking infrared cameras 44
Termovizija Kiowa Warrior 45
Termovizija 46
Termovizija 47