U ovom poglavlju biće obrađena posebna grupa senzora koja omogućava merenje temperature električnim putem. Temperatura je najčešće merena veličina u industriji. Procenjuje se da oko 60 % svih merenja u tehnološkim procesima otpada upravo na merenja temperature. 9.1. Termootporni senzori od referentnih materijala Ovo su senzori načinjeni od referentnih materijala, koji imaju tačno određene vrednosti otpornosti na određenim temperaturama. Zavisnost promene otpornosti sa temperaturom posledica je zavisnosti promene specifične otpornosti materijala sa temperaturom: l l R 2 3 0 S 1 (9.1) S gde je ρ 0 specifična otpornost na 0 C. Koeficijenti α, β, γ itd. nazivaju se temperaturnim koeficijentima promene specifične otpornosti datog materijala. α se naziva linearni koeficijent jer stoji uz θ. β se naziva kvadratni koeficijent jer toji uz θ 2. I tako redom. Najčešće se termootpornici prave od platine jer je se platina može dobiti u veoma čistom stanju, hemijski je neutralna i ima relativno veliki linearni temperaturni koeficijent α. Platinski senzori otpornosti proizvode se sa različitim nominalnim vrednostima otpornosti na 0 C, prema čemu i dobijaju ime. Npr. Pt-100 ima otpornost 100 Ω na 0 C, Pt-1000 ima otpornost 1000 Ω na 0 C, itd. Ovi senzori imaju izuzetno linearnu karakteristika u širokom opsegu. Koeficijenti platine u relaciji 9.1 su: α = +3,9083 10-3 C -1 β = -5,775 10-7 C -2 γ = +4,183 10-10 C -3 δ = -4,183 10-12 C -4 Osetljivost: Pt-100 ima osetljivost od 0,354 Ω/ C, a Pt-1000 od 3,54 Ω/ C, odnosno 10 puta veću. Selektivnost: Veoma je selektivan ako ne trpi mehanička naprezanja, jer se tada menjaju l i S u izrazu 9.1. Opseg: Od -200 C do 850 C Rezolucija: Oko 0,15 C u blizini nule, ali je na punom opsegu temperatura nešto manja i iznosi oko 1,5 C. Ofset Mora postojati po definiciji. Na nula stepeni celzijusa on je ili 100 Ω ili 1000 Ω. Nelinearnost Izuzetno je linearan (±2,21 %), pa se koristi kao etalon temperature. 9 1
Slika 9.1. Odziv termootpornika Pt-100 Šum: Da bi se izmerila otpornost, kroz senzor se mora propustiti struja. Ova struja dodatno zagreva otpornik. Parazitno povećanje odziva proporcionalno je termičkom šumu. Reverzibilnost: Ime malo vremensko kašnjenje i ne podnosi dobro nagle promene spoljašnje temperature. Mora se koristiti u sredini sa sporopromenljivom temperaturom. 9.2. Termistori Termistor je temperaturno osetljiv otpornik koji se pravi od poluprovodničkih materijala germanijuma, oksida hroma, kobalta, gvožđa itd. Promena otpornosti sa temperaturom izrazito je nelinearna i u širem temperaturnom opsegu od -50 C do +100 C može se opisati jednačinom: B R e C / (9.2) A gde su θ apsolutna temperatura, a A, B i C konstante, koje zavise od materijala od koga je termistor napravljen. U užem temperaturnom opsegu promena otpornosti termistora opisuje se eksponencijalnom jednačinom: B 1/ 1/ 0 R (9.3) R e gde je R 0 otpornost termistora na nominalnoj sobnoj temperaturi od 20 C. 0 Većina termistora ima negativni temperaturni koeficijent B (NTC - Negative Temperature Coefficient), što znači da im sa povećanjem temperature opada otpornost. Postoje i termistori koji imaju pozitivan temperaturni koeficijent, tj. kod kojih sa porastom temperature raste otpornost (PTC - Positive Temperature Coefficient). Dobre osobine termistora su visoka osetljivost na temperaturne promene, male dimenzije, velika brzina odziva, velika vrednost otpornosti na 20 C (reda 10 kω do 10 MΩ), neosetljivost na otpornost priključnih vodova, stabilnost sa starenjem i niska cena. 9 2
Loše strane su izrazito nelinearna karakteristika, velike varijacije parametara (što predstavlja problem kod zamene termistora), mali temperaturni opseg, nestabilnost na visokim temperaturama i povećano samozagrevanje zbog velike otpornosti i malih dimenzija. 9.3. Termoparovi Sastoje se od žica načinjenih od različitih metala spojeih na jednom kraju. Taj kraj na kome su žice spojene dovodi se na temperaturu koja se meri i zove se vrući kraj ili merni kraj. Drugi kraj svake od žica nalazi se na referentnoj (poznatoj) temperaturi i naziva se hladan kraj. Treba imati na umu da se hladan kraj kraj se može naći i na višoj temperaturi od one na kojoj je vruć kraj, ali se iz tradicionalnih razloga ovi krajevi i dalje ponekad tako nazivaju. Žice su na hladnom kraju razdvojene, a za referentnu temperaturu se obično uzima trojna tačka vode, odnosno 0 C, jer se ona veoma lako rekonstruiše. Dakle, napon na termoparu je proporcionalan razlici temperatura vrućeg i hladnog kraja Princip rada se zasniva na tzv. Sibekovom (Seebeck) efektu. Koncentracija slobodnih elektrona u nekoj tački kristalne rešetke metala zavisi od temperature. Ako se suprotni krajevi provodnika drže na različitim temperaturama, duž provodnika će se javiti gradijent temperature, a samim tim i gradijent koncentracije nosilaca naelektrisanja, odnosno razlika potencijala. Ta razlika potencijala se naziva termonapon ili termogeni napon. Iako bi se priključenjem voltmetra samo na jednu žicu mogla detektovati razlika temperatura, to bi bilo veoma nepraktično, jer bi se i samo merilo moralo izložiti temperaturi koja se meri. Umesto toga koristi se još jedna žica, ali od drugog materijala. Ako bi se koristio isti materijal termonaponi bi se u povratku do hladnog kraja poništili. U principu, spoj bilo koja dva različita metala će proizvesti električni potencijal proporcionalan temperaturnoj razlici. Međutim, termoparovi za praktična merenja se prave kao spojevi posebnih legura sa predvidivim i ponovljivim odnosnima temperature i napona. Različite legure imaju različite temperaturne opsege. Termoparovi se obično označavaju oznakama hemijskih elemenata koji ga čine. Na primer, Au-Pt, Pt- Pd itd. Kada je neki od materijala legura, onda se češće koriste slovne skraćenice. Na primer termopar tipa N označava kombinaciju nikrozila i nisila, a termopar tipa K hromela i alumela. Posebna svojstva kao što su otpornost na koroziju u agresivnim sredinama mogu biti važni za izbor odgovarajućeg tipa termopara. Kada je merno mesto daleko od instrumenta, konekcija se može ostvariti umetanjem žica od jeftinijeg materijala u odnosu na one koji se koriste za izradu senzora, kao na slici 9.2. hromel θref bakar θinstr θmer V alumel θref bakar Slika 9.2. Termopar u postupku merenja i način priključenja na voltmetar Osetljivost: Reda 10 μv/ C. Npr. za termopar K tipa: 37 μv/ C Selektivnost Izuzetno selektivni, osim u slučaju spoljašnjih promenljivih magnetskih polja koji mogu indukovati EMS. Zato se žice termopara obavezno upredaju kako bi se poništio fluks eventualnog spoljašnjeg polja. 9 3
Opseg: Tipično od -270 C do 1370 C Rezolucija: Maksimalna rezolucija je u okolini nule i iznosi 1,1 C, ali u punom opsegu je nešto lošija, 2,2 C. Ofset: Zavisi od temperature hladnog kraja, jer senzor ne meri apsolutne vrednosti. Nelinearnost: Na punom opsegu iznosi oko ±3,3 %, ali ako se posmatra samo odziv za pozitivne vrednosti temperature u stepenima celzijusa, nelinarnost pada na svega ±1,2 %. Jedan primer je dat na slici 9.3. Slika 9.3. Odziv i linearnost termopara K tipa. Šum: S obzirom na veoma male napone koji se dobijaju, termopar je osetljiv na struju voltmetra i termički šum u žicama. Reverzibilnost: Oporavak senzora je trenutan jer se električno polje u provodniku uspostavlja brzinom svetlosti, a koncentracija elektrona se menja nešto sporije od brzine drifta elektrona u metalu. To sprečava inertnost sistema, pa je ponovljivost prolaska kroz iste vrednosti temperature veoma velika. 9.4. Termografija 9.4.1 Principi beskontaktnog merenja temperature Prema Vinovom zakonu pomeranja, telo koje apsorbuje 100% zračenja koje na njega pada (apsolutno crno telo) i koje se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži, emituje zračenje čiji je maksimum na talasnoj dužini obrnuto proporcionalnoj termodinamičkoj temperaturi: b (9.4) T 9 4
Konstanta b zove se Vinova konstanta i iznosi 2,8977721 10 3 Km. Zakon se zove zakon pomeranja, zato što se za veću termodinamičku temperaturu, maksimum energije zračenja pomera ka manjim talasnim dužinama (većim učestanostima). Ovo pomeranje direktna je posledica Plankovog zakona zračenja apsolutnog crnog tela, čijim diferenciranjem se direktno dobija Vinov zakon pomeranja. Izraz 9.4 ukazuje na to, da ako postoji ovakva veza između temperature i talasne dužine, onda je temperaturu nekog tela moguće odrediti beskontaktnim merenjem talasne dužine svetlosti koju to telo zrači. Uređaj kojim se obavlja ovakvo beskontaktno merenje temperature naziva te termograf, a dobijena dvodimenzionalna ili trodimenzionalna slika rasporeda temperatura naziva se termogram. Međutim, u prirodi ne postoji tako nešto kao što je apsolutno crno telo koje bi apsorbovalo svu energiju okolnog zračenja i emitovalo samo zračenje koje zavisi od njegove temperature. Realna fizička tela uvek reflektuju i propuštaju neki deo energije koji zrače druga tela u njihovoj blizini. Zato je snaga zračenja koja se detektuje sa nekog realnog tela kombinacija tri snage: snage sopstvene emisije (P emitovano ), snage reflektovanog okolnog zračenja od svih ostalih tela u blizini (P reflektovano ) i snage propuštenog okolnog zračenja (P propušteno ) za koje je dato telo delimično ili potpuno transparentno. P mereno P P P (9.5) emitovano reflektovano propusteno Količnik emitovane i merene snage zračenja naziva se koeficijent emisije, a reflektovane i merene snage koeficijent refleksije. Slično, količnik propuštene i merene snage naziva se koeficijent transmisije. O ovim koeficijentima se mora voditi računa prilikom interpretacije rezultata merenja dobijenih na termogramu. Moguće su sledeće greške: realna tela kojima se meri intenzitet zračenja imaju uvek manji udeo sopstvene emisije u ukupnom zračenju (P emitovano < P mereno ), pa senzor meri višu temperaturu od stvarne (one koja bi se dobila kontaktnim merenjem); hladnija mesta na termogramu znače samo da posmatrano telo efikasnije apsorbuje energiju emitovanu od strane bliskih toplijih izvora zračenja, a ne nužno i da je ono hladnije od svoje okoline; tela koja imaju velike koeficijente refleksije ili transmisije mogu, zbog velikog P reflektovano ili P propušteno, lažno biti prikazana kao toplija na termogramu, ukoliko u njihovoj blizini postoje druga tela koja ka njima zrače. Ona će tada reflektovati ili propuštati temperaturu drugog tela ka senzoru kao sopstvenu. Da bi se merenje temperature nekog objekta obavilo sa minimalnim uticajem zračenja okolnih tela, svi termografski uređaji moraju imati mogućnost unošenja koeficijenata emisije i refleksije. Algoritam u procesoru termografskog uređaja će koristiti unete koeficijente za korekciju rezultata merenja, kako bi se dobila temperatura koja je bliža stvarnoj kontaktnoj temperaturi objekta. Koeficijenti emisije i refleksije se određuju empirijski. 9.4.2. Infracrveni senzori Ako se u obzir uzme spektar elektromagnetskog zračenja talasnih dužina koje se kreću od dugih talasa do gama zraka, dobija se opseg temperatura koji odgovara relaciji 9.4 kao na slici 9.4. Sa slike 9.4 se vidi da praktično ceo opseg temperatura od interesa za industrijska merenja (od 250 ºC do +1000 ºC) odgovara talasnim dužinama infracrvenog dela spektra (IC). Zbog toga svi senzori od praktičnog interesa za beskontaktno merenje temperature moraju u osnovi biti detektori infracrvenog zračenja. Izuzetak od ovog pravila su jedino specijalni senzori koji se koriste u npr. visokim pećima, zatim za osmatranje vulkanskih erupcija ili se ugrađuju u radioteleskope namenjene istraživanjima dubokog kosmosa. 9 5
0 ºC -273 ºC 1 bil. ºC 1 mlrd. ºC 1 mil. ºC 1000 ºC -250 ºC -273,15 ºC θ (ºC) γ zraci X zraci UV IC Mikrotalasi Radio talasi FM AM Dugi radio talasi 10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 λ (m) Slika 9.4. Grafički prikaz zavisnosti talasne dužine maksimuma zračenja od temperature površine tela prema Vinovom zakonu pomeranja Infracrveni senzori se najčešće prave od piroelektričnih materijala, koji generišu napon na svojim krajevima kada se izlože toploti (ili u ovom slučaju toplotnom zračenju). Materijali koji se koriste za izradu piroelektričnih senzora su galijum-nitrid (GaN), cezijum-nitrat (CsNO 3 ), polivinil fluorid, kobalt ftalocianin i derivati fenilpiridina. Tela koja zrače na temperaturama bliskim temperaturi samog senzora su nevidljiva za termograf, jer je on zaslepljen sopstvenim zračenjem. Osim toga, predaja energije zračenja sa tela na nižoj temperaturi na senzor koji se nalazi na višoj temperaturi nije moguća prema drugom zakonu termodinamike. Ukoliko se žele meriti temperature ispod ambijentalnih, senzori se moraju hladiti, jer merenje temperature bliske temperaturi samog senzora sadrži neprihvatljivo veliku grešku. Stoga je neophodno unapred znati koji se opseg temperatura želi meriti, kako bi se izabrao adekvatan termografski uređaj. Treba imati na umu da je hlađenje senzora zahtevno i u pogledu vremena i u pogledu potrošnje energije. Kvalitetni savremeni senzori imaju rezoluciju merenja temperature od ±0,001 ºC pa čak do ±0,0001 ºC. Nešto češće se, zbog niže cene, sreću i senzori sa manjom rezolucijom od oko ±0,1 ºC, a veoma retko od ±1 ºC. Ovi jeftini senzori se najčešće koriste u industrijskoj dijagnostici instalacija i grubom nadzoru proizvodnih procesa. 9.4.3. Termalne kamere Da bi se dobila termalna slika određenog prostora potrebno je združiti veći broj infracrvenih senzora i povezati ih u pravougaonu matricu. Svaki senzor u matrici definiše jednu tačku (jedan piksel) prostora ispred sebe. Što je veći broj senzora koncentrisan na manjem prostoru, to će prostorna rezolucija takvog uređaja biti veća. Kada se na matricu senzora dodaju grafička memorija, procesor za obradu slike i displej, dobija se termografski uređaj pod nazivom termalna kamera (slika 9.5). Slika 9.5. Primeri različitih termalnih kamera Procesor termalne kamere primenjuje niz matematičkih postupaka da zračenje nevidljivo ljudskom oku pretvori u sliku u RGB formatu. Pri tome kamera obavlja i preračunavanje stvarne temperature posmatranog objekta u skladu sa unetim koeficijentima emisije i refleksije. Neke kamere imaju veoma sofisticirane senzore i korekcione algoritme uzimajući u obzir čak i temperaturu okolnog vazduha kroz koji se zračenje prenosi od tela do senzora. 9 6
9.4.4. Primena Pomoću termografskih uređaja najčešće se detektuju temperaturni profili na površini objekata koji odstupaju od normalnih, čime se ustanovljavaju mogući problemi. Neki od primera primene u industriji odnose se na održavanje električnih i mehaničkih sistema koji trpe naprezanja ili velika opterećenja (slike 9.6, 9.7 i 9.8). Slika 9.6. Provera ispravnosti vara termalnom kamerom. Prve tri slike su primeri varova sa greškama, dok je desno prikazan ispravan var Slika 9.7. Inspekcija dalekovoda pomoću termalne kamere radi provere mesta pregrevanja Slika 9.8. Primeri neravnomerne raspodele temperatura kao posledica naprezanja sistema pri radu U oblasti uštede energije, termografija može pomoći u uočavanju mesta termalnih curenja ili regiona koji se pregrevaju. Ukoliko je reč o bezbednosnom nadzoru, termografijom će se lako uočiti mesta koja imaju skrivene pukotine ili propuštaju vlagu, čime se omogućava pravovremena reakcija, pre nego što dođe do katastrofe. U održavanju objekata, termografijom se pretražuju skrivene ili nepoznate zidne instalacije, otkrivaju mesta curenja vodovodnih i kanalizacionih cevi, detektuju putanje slivanja vode i prodiranja vlage i analiziraju se spoljašnje termoizolacione karakteristike (slika 9.9). Termografija se široko koristi i u optimizaciji proizvodnje mašinskih delova. Termogram naprezanja sistema tokom rada ukazuje na mesta koja su prilikom projektovanja nepotrebno pojačana, a u realnosti 9 7
ne trpe značajna opterećenja. Uočavanjem takvih pojava, mogu se redizajnirati pojedini delovi, kako bi se ostvarile uštede u potrošnji materijala i snizila cena proizvoda bez uticaja na njegove performanse. Slika 9.9. Primeri primene termografije na održavanje objekata U biomedicini, primena termografije zauzima značajno mesto u dijagnostici pojedinih tipova oboljenja, od mehaničkih trauma tkiva do malignih tumora, kod kojih, zbog poremećene funkcije tkiva, dolazi do narušavanja uobičajenog površinskog temperaturnog profila. 9.4.5. Aktivna termografija Princip merenja opisan u dosadašnjem delu poglavlja koristi isključivo sopstveno zračenje tela radi merenja njegove temperature. Zbog toga što je senzor/detektor pasivan, ovakva merenja se svrstavaju u pasivnu termografiju. Osnovna pretpostavka kod pasivne termografije jeste da je objekat merenja ujedno i dominantan izvor zračenja, odnosno da najveći deo snage merenog zračenja čini sopstvena spontana emisija. Pored toga, u pasivnoj termografiji, objekat čiji temperaturni profil se analizira mora imati višu ili nižu temperaturu od svoje okoline, inače ga neće biti moguće razlikovati na snimku. Međutim, postoje i sistemi koji koriste isključivo merenje snage reflektovanog zračenja tela P reflektovano kao osnovu merenja. Da bi to bilo moguće, snaga reflektovanog zračenja mora nadjačati sopstvenu emisiju, što će biti slučaj jedino ako se objekat osvetli dodatnim snažnim izvorom svetlosti. Takvo aktivno osvetljavanje objekata obavlja se u infracrvenom delu spektra, u opsegu talasnih dužina od 700 nm do 1400 nm (neposredno ispod dela spektra vidljivog ljudskom oku, engl. Near Infrared - NIR) ili ređe, u opsegu talasnih dužina od 1400 nm do 3000 nm (tzv. kratkotalasno infracrveno zračenje, engl. SWIR Short-wavelength infrared). Takav postupak, koji uključuje veštačko osvetljenje prilikom merenja, naziva se aktivna termografija. Aktivna termografija kao rezultat daje sposobnost tzv. noćnog vida (engl. night vision). Naziv noćni vid je usvojen po analogiji sa sposobnošću nekih životinja (npr. mačke, glodari, sove, hobotnice) da vide u naizgled potpunom mraku. Pored toga što imaju senzorske ćelije veoma osetljive na infracrvenu svetlost, ove životinje pozadinom svojih očnih šupljina fokusiraju i reflektuju spontano prisutno infracrveno zračenje i njime dodatno osvetljavaju scenu ispred sebe, povećavajući na taj način rezoluciju noćne slike. Dobijena scena, inače nevidljiva ljudskom oku, u uređaju za aktivnu termografiju se prevodi u monohromatski termogram, prilikom ispisa na displeju. S obzirom da sistemi za aktivno infracrveno osvetljavanje najčešće koriste osvetljavače velike snage, dobijeni snimci su mnogo veće rezolucije nego oni koji se mogu dobiti pasivnom termografijom. Osim toga, uočavanje dubine i trodimenzionalnosti objekata je moguće čak i kada dolazi do preklapanja objekata iz različitih planova, koji imaju bliske koeficijente refleksije, zahvaljujući tome što se njihove površine nalaze pod različitim uglovima, pa imaju različite stepene refleksije. Kako između snage aktivnog osvetljavača i temperature osvetljenog tela (količine reflektovanog zračenja) ne postoji jasna matematička zavisnost, aktivna termografija i nije prava termografska metoda, u smislu da ne omogućava merenje temperature, već samo služi za dobijanje 2D projekcije ambijenta upotrebom istih senzora koji se koriste u pasivnoj termografiji. 9 8