11.5.2016

Snímače

Snímače teploty

  1. Odporové snímače

  2. Termoelektrické snímače

  3. Pyrometre


1. Odporové snímače

Rezistivita vodivých materiálov závisí od koncentrácie voľných nosičov náboja a od ich pohyblivosti. Pohyblivosť je parameter, ktorý zodpovedá za schopnosť nosičov náboja pohybovať sa viac alebo menej voľne cez atómovú mriežku. Ich pohyb neustále tlmia kolízie. Koncentrácia aj pohyblivosť sa menia s teplotou v miere, ktorá podstatne závisí od materiálu. 

V prirodzených (alebo čistých) polovodičoch sa elektróny viažu k svojim atómom pomerne silno. Len niekoľko z nich má dostatočnú energiu (pri izbovej teplote) na to, aby sa voľne pohybovali. Pri zvýšenej teplote získa viacej atómov dostatočnú energiu na uvoľnenie sa od atómu, takže so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje koncentrácia voľných nosičov náboja. Keďže teplota má omnoho menší vplyv na pohyblivosť nosičov náboja, rezistivita polovodičov sa so zvyšujúcou teplotou znižuje. Ide o záporný teplotný koeficient odporu.

V kovoch sa všetky dostupné nosiče nábojov môžu pohybovať voľne v mriežke, dokonca aj pri izbovej teplote. Zvýšená teplota neovplyvní ich koncentráciu. Avšak pri zvýšenej teplote sa vibrácie v mriežke zosilňujú, zvyšujúc šancu elektrónov na kolízie a tlmenie voľného pohybu v materiále. Preto sa rezistivita kovov pri zvýšenej teplote zvyšuje, ide teda o kladný teplotný koeficient odporu.

Teplotná zmena odporu predstavuje fyzikálny princíp odporových snímačov teploty. Používajú sa kovy aj polovodiče. Hovoríme tak o kovových odporových snímačoch teploty resp. o polovodičových odporových snímačoch teploty –termistoroch.

 

2. Termoelektrické snímače

Voľné nosiče nábojov majú v rôznych materiáloch rôzne energetické hladiny. Keď sa navzájom vodivo spoja dva rôzne materiály (vytvoria dvojicu), vďaka difúzii sa nosiče nábojov preskupia, čím sa na spoji vytvorí rozdiel potenciálov. Hodnota tohto rozdielu potenciálov závisí od typu materiálu a od teploty. Samozrejme ako celok ostáva konštrukcia neutrálna. Tento jav samovoľného generovania napätia sa nazýva Seebeckov jav a napätie sa nazýva Seebeckovo napätie.

Keď zapojíme do série určitý počet spojov (viď obr. 1), napätie Us na celej tejto sérii predstavuje súčet Seebeckovych napätí Ui,j na každom zo spojov:

                                                                                           

kde Ti,j je absolútna teplota spoja i,j. Všimnite si, že Ui,j = Uj,i.

obr.1 Séria termoelektrických napätí

 Seebeckovo napätie je osobitná vlastnosť materiálov, ktoré vytvárajú spoj. Seebeckovo napätie samostatného materiálu sa definuje ako termoelektrické napätie po pripojení k referenčnému materiálu, zvyčajne k olovu. Takže Seebeckovo napätie spoja dvoch materiálov a a b sa dá tiež zapísať ako Uab = Uar + Urb = UarUbr, pričom písmeno r označuje referenčný materiál.

Pretože Seebeckovo napätie závisí od teploty, táto vlastnosť sa dá využiť na vytvorenie snímača teploty, ktorý sa nazýva termočlánok. Základnú schému termočlánku uvádza obr. 2a. Termoelektrické napätie cez túto sériu spojov dosahuje hodnotu Us = Uab(T1) + Uba(T2). Samozrejme, ak sú teploty T1 a T2 rovnaké, napätia Uab a Uba sú takisto rovnaké, majú však opačné znamienko, takže Us = 0.

 

obr.2 Schémy termočlánku

a) základná schéma, b) teplý a studený spoj

Naopak, ak majú dva spoje rôzne teploty, termoelektrické napätia sa navzájom nevynulujú, na koncových bodoch dvojice vodičov sa dá namerať napätie Us = Uab(T1) + Uba(T2) = Uab(T1) – Uab(T2). Jasné je teda, že termočlánky merajú iba rozdiel teplôt, nie absolútnu teplotu. Na zistenie teploty jedného spoja treba poznať teplotu druhého spoja. Tento druhý spoj sa nazýva studený spoj. Udržiava sa na konštantnej, dobre známej teplote (napríklad 0 °C). Merací spoj sa nazýva teplý spoj a je vystavený prostrediu, ktorého teplotu chceme zistiť.

Túto schému znázorňuje obr. 2b, pričom T1 je teplota teplého spoja. Na meranie Seebeckovho napätia na tomto spoji treba pripojiť koncové body spoja k voltmetru, pričom sa použijú elektrické vodiče z materiálu c (to môže byť napríklad meď). Vytvorili sa tak dva nové spoje a tiež aj dve nové termoelektrické napätia.

Celkové napätie sa získa ako

   Us      = Uca(T3) + Uab(T1) + Ubc(T4) =

           = Uca(T3) + Uab(T1) + Uba(T4) + Uac(T4) =

           = Uab(T1) – Uab(T4) + Uca(T3) – Uca(T4)

Ak majú obidva spoje ac a bc takú istú teplotu (teda T3 = T4), posledné dva členy sa rušia a zvyšné napätie závisí od materiálov a a b, použitých v termočlánku. Toto napätie je mierou rozdielu teplôt 1T4­, pričom T4 je teplota na mieste pripojenia s materiálom c.

Pri pripájaní termočlánkov platia tri základné pravidlá:

1)  pravidlo vloženého vodiča – tretí kov, ktorý sa vloží medzi dva rozdielne kovy, nemá na výstupné termoelektrické napätie žiaden vplyv, pokiaľ majú jeho pripojovacie body rovnakú teplotu,

2)  pravidlo homogenity obvodu – ak sa medzi dva vodiče z toho istého materiálu vloží tretí vodič z takého istého materiálu, nemá na výstupné termoelektrické napätie žiaden vplyv, aj keď majú jeho pripojovacie body rôznu teplotu. Podmienkou je, že vložený vodič musí byť z rovnakého materiálu a musí mať aj rovnakú vnútornú štruktúru ako vodiče, medzi ktoré sa vkladá. Pri dlhodobom používaní totiž môže materiál termočlánku meniť svoju štruktúru a tak vnášať do obvodu parazitné termoelektrické napätie,

3)  pravidlo superpozície – keď sa zmení teplota referenčného bodu, posunie sa o rovnakú hodnotu celá krivka závislosti termoelektrického napätia od teploty.

Nerovnaké teploty na uzloch pripojovacích vodičov vnášajú do merania chybu. Môže sa to stať v prípade veľkej vzdialenosti medzi meracím spojom a vyhodnocovacím prístrojom, keď sa používajú dlhé pripojovacie vodiče. Najlepším spôsobom na zabránenie takýmto chybám je predĺženie vodičov termočlánku až k vyhodnocovaciemu prístroju. Vo všeobecnosti sú však tieto vodiče príliš tenké a krehké, než aby zaručili správnu prevádzku v priemyselných aplikáciách. Zväčšenie ich hrúbky by zvýšilo náklady. Riešením je vloženie vodiča, ktorý sa nazývakompenzačný vodič. Kompenzačné vodiče sú vodiče s iným zložením, priemerom (nižšou cenou a kvalitou), majú však také isté termoelektrické charakteristiky, ako má samotný termočlánok. Slúžia iba ako elektrické prepojenie medzi otvorenými koncami termočlánku a referenčnými spojmi (viď obr. 2c).

Obr. 2c Kompenzačné vodiče na diaľkové meranie teploty

 

Použitie vodičov samozrejme nevnáša chyby, ak:

–    spoje aa’ a bb’ majú takú istú teplotu, a

–    spoje ab a a’-b’ majú také isté Seebeckovo napätie.

Znamená to, že kompenzačné vedenie musí odpovedať typu termočlánku, použitému v danej aplikácii.

 

3. Pyrometre

Budeme sa zaoberať dvoma typmi pyrometrov – radiačnými pyrometrami a optickými pyrometrami.

V prípade radiačného pyrometra sa žiarenie sústreďuje na teplotne citlivý snímač, ktorý sa zohrieva vplyvom žiarenia (obr.3). Snímačom teploty v radiačnom pyrometre môže byť akékoľvek zariadenie, opísané v predchádzajúcom texte. Ak sa používa odporový snímač teploty, napríklad platinový snímač alebo termistor, zariadenie sa nazýva bolometer. Keď sa teplota meria pomocou termoelektrického snímača (jednoduchý termočlánok, viacnásobný termočlánok alebo pyroelektrický snímač), zariadenie sa nazýva pyrometer.  

Obr. 3 Radiačný pyrometer

1 – šošovka, 2 – ochranná clona, 3 – pozlátené (postriebrené) zrkadlo, 4 – citlivý prvok, 5 – prevod, 6 – nastavovací gombík, 7 – vstupná clona

 

Optický pyrometer obsahuje vlákno, ktoré sa dá elektronicky nahriať na známu teplotu. V prípade optického pyrometra na obr. 4 vidno vlákno žiarovky na pozadí meraného objektu. Teplota vlákna sa nastavuje dovtedy, kým sa nezdá, že vlákno zmizlo (má takú istú farbu ako pozadie). Takže v tomto okamihu má vlákno takú istú teplotu ako je teplota meraného objektu.

 

Obr. 4 Spektrálny pyrometer s premenlivou svietivosťou žiarovky

a) konštrukčná schéma, b) vlákno žiarovky jasnejšie ako meraný objekt, c) meraný objekt jasnejší ako vlákno žiarovky

1 – vstupná šošovka, 2 – okulárová šošovka, 3 – filter, 4 – pyrometrická žiarovka

Podobný prístup znázorňuje obr. 5. kde má žiarovka pevnú teplotu (intenzitu). V tomto prípade sa intenzita dopadajúceho žiarenia vyrovnáva s intenzitou žiarenia žiarovky pomocou otočného klina s premenlivou hrúbkou. Poloha klina pri rovnakej intenzite predstavuje mieru teploty vyžarujúceho telesa.

Obr. 5 Spektrálny pyrometer s pevnou intenzitou žiarenia žiarovky

a) konštrukčná schéma, b) sivý klin s premenlivou hrúbkou

1 – vstupná šošovka, 2 – šošovka okulára, 3 – filter, 4 – pyrometrická žiarovka, 5 – sivý klin, 6 – ukazovateľ

 Alternatívnu konštrukciu znázorňuje obr. 6 s dvoma manuálne nastaviteľnými klinmi – ide o farbový porovnávací pyrometer. Opätovne porovnáva žiarenie meraného objektu a pyrometrickej žiarovky, ktorú žeraví konštantný prúd. Toto porovnávanie sa vykonáva pri dvoch vlnových dĺžkach. Pyrometer pracuje vo viditeľnej časti spektra, takže sa najčastejšie využívajú vlnové dĺžky l1 = 0,65 mm (zodpovedá červenej farbe) a l2 = 0,55 mm (zodpovedá zelenej farbe). Obidve vlnové dĺžky sú doplnkové (komplementárne), teda sa dopĺňajú na bielu farbu.

Keď sa pozrieme na obr. 6, žiarenie, ktoré vychádza z meraného objektu, vchádza do pyrometra cez objektív 1. Prechádza cez dvojfarebný otočný klin 2. Tu sa oddelia dve farby, červená a zelená. Pozorovateľ si natáča dvojfarebný klin (teda mení pomer červených a zelených lúčov) dovtedy, kým sa mu nezdá, že dopadajúce žiarenie je biele. Žiarenie z meraného objektu ďalej prechádza cez neutrálny klin 3 a dopadá na polopriepustný optický hranol 4. Jeho stred je postriebrený. Pyrometrickú žiarovku 5 napája konštantný žeraviaci prúd. Jej žiarenie prechádza cez filter 6 a oko ho takisto vníma ako bielu farbu. Ďalej sa žiarenie z pyrometrickej žiarovky odráža od zrkadlovej časti deliacej plochy optického hranola 4. Cez výstupnú šošovku 7 sa dostáva k pozorovateľovi. Ten vidí v prístroji súčasne dve porovnávacie plôšky: lúče pyrometrickej žiarovky a lúče, ktoré prešli cez kliny. Aby sa vyrovnal jas obidvoch (pre pozorovateľa bielych) žiarení, pootáča sa sivý klin. Údaj o farebnej teplote uvádza stupnica 8 dvojfarebného otočného klina. Údaj o jasovej teplote sa odčíta na stupnici 9 neutrálneho sivého klina.

Obr. 6 Farbový porovnávací pyrometer

1 – šošovka, 2 – dvojfarebný rotačný klin, 3 – neutrálny rotačný klin, 4 – optický hranol, 5 – pyrometrická žiarovka, 6 – filter, 7 – výstupná šošovka, 8 – ukazovateľ, 9 – ukazovateľ

 V prípade predchádzajúcich pyrometrov sa nastavenie vykonáva manuálne. Obr.7 znázorňuje zariadenie, v ktorom sa dopadajúce žiarenie automaticky nastavuje pomocou pohyblivej clony 2. Intenzita žiarenia sa riadi polohou tejto clony a vyrovnáva sa so žiarením lampy 4. Aby sa získala lepšia citlivosť a lepšia odolnosť voči interferencii, žiarenie sa moduluje prerušovacím kotúčom 3. Prevádza nízkofrekvenčné spektrum žiarenia (až po 0 pri konštantnom žiarení) na omnoho nosnú frekvenciu, ktorej hodnota sa nastavuje frekvenciou otáčania prerušovacieho kotúča a počtu priesvitných oblastí, cez ktoré žiarenie prechádza pri jednej otáčke.

Obr. 7 Spektrálny pyrometer s automatickým porovnávaním svietivosti

1 – šošovka, 2 – clona, 3 – prerušovacie koleso, 4 – žiarovka, 5 – snímací prvok, 6 – motor, 7 – motor, 8 – okulár, 9 – demodulátor, 10 – zosilňovač, 11 – prevodník, 12 – meradlo

„Čas si vymysleli lidé, aby věděli, od kdy do kdy a co za to.“ Jan Werich