Prezentacja pracy dyplomowej

TECHNIKA SENSOROWA
4 Wyspecjalizowane
przetworniki temperatury,
detektory podczerwieni
zastosowanie 2h.
Program:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Jednostki, podział widma fal elektromagnetycznych
Cieczowe, bimetaliczne, termopary
Scalone czujniki temperatury
Czujniki piroelektryczne
termometry światłowodowe
Pirometry na przykładzie pirometru radiacyjnego Raytek PM3
Pirometry fotoelektryczne, charakterystyki spektralne
Metody pomiaru rozkładu temperatury na powierzchni obiektów
Przetworniki CCD
Zakłócenia toru w pomiarach pirometrami
Sensor do pomiaru strumienia ciepła z przetwornikiem
tensometrycznym
Literatura:
1.Michalski L., Termometria przyrządy i metody, Politechnika Łódzka
1998,
2.Rylski A., Sensor strumienia ciepła z przetwornikiem
tensometrycznym,
materiały
VI
Międzynarodowego Seminarium Naukowego Rzeszów,1998, Metody
i technika przetwarzania sygnałów w pomiarach fizycznych.str.126-130
Oficyna
Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej Rzeszów 1998r
3.FLIR SYSTEMS , kamery termowizyjne, karty reklamowe, 2003
4.Texecom, Piroelektryczne systemy zabezpieczeń, karty reklamowe,
2003
5.Raytek, kamery termowizyjne, karty reklamowe, 2003
Zero absolutne
Punkt topnienia lodu
Punkt wrzenia wody
Jednostki temperatury,
podział
widma fal elektromagnetycznych
2
TC =
25
TK =
10
promienie kosmiczne (składowa)
1X
10
20
1A
1 mm
promienie X
15
1m
promienie g
10
promienie nadfioletowe
promienie widzialne
promienie podczerwone
1 cm
10
10
fale radiowe krótkie
1m
1 km
fale radarowe - mikrofale
10 5
fale radiowe długie
telefonia
10 km
0
10
prąd zmienny
5
(TF - 32)
9
5
(TF + 459,67)
9
hc 2
 ( , T )  5

 hc 
exp 
 1

kT


Dokładność – dane techniczne



1°C,  2K
0,5% wz (wartości zakresu)
 0,1% wm (wartości mierzonej)
Termometry cieczowe
Zakres
Dokładność
-200,00 do
0,00°C
0,22°C (0,11% zakresu)
-56,00 do
0,00°C
0,01°C
0,00 do 100,00
0,02°C
315,00 do
510,00°C
0,44°C
Temperatury stosowania w termometrach cieczowych
Temperatura minimalna
Temperatura
maksymalna
Rtęć
-39°C
528°C
Xylen
-40°C
400°C
Alkohol
-46°C
150°C
Skala
Bimetal
Termometry cieczowe
Rurka
Bourdona
Obudowa
Bańka
Kapilara
Bańka
Rurka
Obudowa
V 2 = V 1 (1 +  ( T 2 - T 1 ))
Gdzie
Kapilara
Rurka
Bourdona
Para
nasycona
Ciecz
pośrednicząca
V1: wartość w momencie T1
V2: wartość w momencie T2
Ciecz
-1
: współczynnik rozszerzalności [K ]
Obudowa
Termometry bimetaliczne
Kształt U
Belka
Membrana
Rurka spiralna
Rurka Bourdona
=
1
)]
m.n
6 (  A -  B ).( T 2 - T 1 ).(1 + m )2
t [3 (1 + m )2 + (1 + m.n).( m2 +
W którym
=
2.t
3.(  A -  B ).( T 2 - T 1 )
: promień krzywej
t: całkowita grubość paska (praktycznie 12m<t<3,5mm)
n: stosunek modułów elastyczności EB / EA
m: stosunek grubości tB / tA
T2 – T1: zmiana temperatury
Zakres
Dokładność
0 tot 50°C
0,5°C
0 tot 100°C
1°C
-10 tot 110°C
1°C
0 tot 200°C
2°C
0 tot 300°C
5°C
100 tot 500°C
5°C
Termopary
•Napięcie Thomson’a
•Efekt Peltier’a
•Efekt Seebeck’a
Termopara
Termopara
Woltomierz
dE =  .dT
Gdzie:
dE = generowane napięcie [V]
dT = różnica temperatur [K]
 = współczynnik Thomson’a [V/°C]
np.: Cu 2,2 V/°C
Fe –8,4 V/°C
E = TT BA  .dT
Termopara
Amperomierz
Prawa termoelektryczne
Rys. Pierwsze prawo termoelektryczne
Rys. Drugie prawo termoelektryczne
Rys. Trzecie prawo termoelektryczne
Rys. Czwarte prawo termoelektryczne
Rys. Piąte prawo termoelektryczne
Realizacja pomiaru przy użyciu termopary
Blok izolacyjny
Na
pię
cie
Se
ebe
ck’a
Woltomierz
Lut
Temperatura oC
Rysunek 8.26. Współczynniki Seebeck’a
Rysunek 8.25. Realizacja pomiaru przy użyciu termopary.
mikro
procesor
Mil
iw
olt
Izotermiczny blok
Rys. Kompensacja
izolacyjny programowa
Temperatura oC
Rysunek 8.27. Napięcie w funkcji temperatury
Realizacja pomiaru przy użyciu termopary
Rys. Kompensacja sprzętowa
Instalacyjne błędy systematyczne
Izolacja
Nadlew
Ciśnienie
2 bar
Pozycja
Odczyt [°C]
Błąd pomiarowy
[°C]
A
341
45
B
386
0
C
385
1
D
384
2
E
371
15
Scalony czujnik temperatury
- z wyjściowym sygnałem analogowy(TMP01)
-z wyjściowym sygnałem cyfrowym(AD7814)
Zakres pomiarowy układu TMP01
Obejmuje przedział temperatury od -55ºC do +125ºC
Błąd czujnika
Zależy od podzakresu temperatury oraz od warunków obciążenia układu
i wynosi od ± 0,5ºC do ±2,5ºC.
Napięcie referencyjne
jest to napięcie generowane wewnątrz układu wynosi +2,5V
Scalony czujnik temperatury TMP01 z wyjściem analogowym w układzie
dwustanowego regulatora temperatury (firmy Analog Devices)
Obliczenia typowych wartości czujnika
Napięcie na wyjściu analogowym układu:

Określa zależność Uwy = 5mV/K * Tx [K], co dla temperatury nominalnej Tx=25ºC=298K daje
nominalną wartość napięcia wyjściowego
1,490V.
Sygnały programujące górną i dolną temperaturę

Dla komparatora okienkowego są ustalane za pomocą rezystorów R1,R2,R3 dołączanych
zewnętrznie; Wartości rezystorów oblicza się dla żądanych progów TH i TL oraz założonej
histerezy komparatora THis.
Scalony cyfrowy czujnik temperatury AD7814 w połączeniu
z mikroprocesorem (produkcji Analog Devices)
Opis wyprowadzeń czujnika
Układ scalony AD7814 w obudowie miniaturowej typu
SOT23 ma 6 wyprowadzeń:
DOUT( ang. data output ) dostępne są szeregowo bity słowa
wyjściowego( 10 bitów) z zakodowaną wartością mierzonej
temperatury. Bity te są podawane w takt impulsów sygnału
zegarowego doprowadzonego do wyprowadzenia SCLK.
SCLK (ang. Serial clock input).
CS (ang. chip select) służy do wybrania określonego czujnika,
DIN (ang. data input). można szeregowo wprowadzić dane do
rejestru sterującego układem.
Odkrycie promieniowania podczerwonego
Promieniowanie podczerwone zostało odkryte w 1800 roku
przez angielskiego astronoma J.F. Herschela. Gdy Hertz odkrył fale elektromagnetyczne w 19-stym stuleciu
krok do termografii był łatwy do zrobienia, Od 1960 ta technika jest używana także do przepowiadania
pogody, zwalczania ognia, szukania zaginionych osób przy pomocy helikoptera itd.
Rys. Rozszczepienie w pryzmacie strumienia światła białego
Promieniowanie podczerwone
Obecnie znanych jest ok. 300 związków i ok. 1500 stałych roztworów ferroelektrycznych.
Najbardziej rozpowszechnionym materiałem na detektory piroelektryczne jest siarczan
trójglicyny
(NH2CH2COOH)3 * H2SO4,
którego temperatura Curie wynosi 49ºC. Padając na powierzchnię ferroelektryka strumień
promieniowania ogrzewa kryształ, powodując zmianę polaryzacji i przenikalności elektrycznej,
czemu towarzyszy impuls prądu. Po ustaleniu się temperatury ładunki elektryczne znikają.
Największe zmiany polaryzacji występują w pobliżu temperatury Curie i wtedy czułość
czujnika jest największa, wadą jego jest konieczność detekcji w układzie pomiarowym zmian
bardzo małych ładunków elektrycznych, co narzuca konieczność stosowania wzmacniaczy o
bardzo dużej rezystancji wejściowej.
Właściwości promieniowania podczerwonego
Prawo Planck’a pozwala na obliczenie intensywności emisji
W ciała czarnego:
C1
W=
C2
 5 .( e  .T - 1)
W: spektralna intensywność radiacji [Watt/cm2. µm]
C1: 37,413 [(Watt. µm4)/cm2]
C2: 14,388 [µm.K]
: długość fali promieniowania [µm]
T: temperatura absolutna [K]
2,891
[ m]
T
-12
2
4
W t = 5,67.10 .T [Watt/ cm ]
p=
Właściwości ośrodka i budowa pirometru z termoelementem
•Pomiar całkowitego promieniowania:
•Pomiary w standardowym paśmie: 500 a 1000 nm.
•Środkowo-przepustowe
Budowa termoelektrycznego czujnika promieniowania
a) układ pomiarowy termostosu, b) usytuowanie termostosu w obudowie,
c) ogólny widok czujnika.
Czujnik podczerwieni wykonany w technologii
cienkowarstwowej z elementami technologii CMOS.
Budowa pirometru z termoelementem
Rys. Schemat blokowy
piroelektrycznego czujnika
temperatury
Pirometr Raytek PM3
Średnica plamki pomiarowej [cm]
1.9
2.0
2.8
4.2
6.0
6.9
7.6
9.1
20
60
100
140
160
190
220
260
Rodzaj materiału
wartość
współczynnika
emisyjności
azbest
0.95
asfalt
0.95
bazalt
0.7
karborund
0.9
ceramika
0.95
glina
0.95
żwir
0.95
gips
0.8-0.95
woda
0.93
drewno
0.9-0.95
gleba
0.9-0.98
śnieg
0.9
plastik
0.95
papier
0,95
wapno
0.98
Pirometr MID
SPECYFIKACJA POMIAROWA

Zakres spektralny: LT: 8..14mm, G5: 5mm, MTB: 3,5..4mm

Zakres pomiarowy LT: -40..600C G5: 150..850 CMTB: 200..1200C

Rozdzielczość optyczna: 2:1 lub 10:1G5 i MTB tylko 10:1

Dokładność: ±1% wartości mierzonej lub ±1ºC

Powtarzalność: ±0,5% wartości mierzonej lub ±0,5ºC

Wpływ temperatury otoczenia: 0,15K/K 0,05K/K dla modeli MIC

Czas odpowiedzi 150 ms

Emisyjność 0,100..1,00 co 0,001
Metody pomiaru rozkładu temperatury na powierzchni obiektów
Przenośna, niechłodzona kamera
termowizyjna z kolorowym
wyświetlaczem LCD
CECHY CHARAKTERYSTYCZNE:
-kamera nie wymaga chłodzenia ciekłym azotem
-dokładny obraz dzięki macierzy 320x240 detektorów
-częstotliwość odświeżania: 30 obrazów na sekundę
-wbudowany wyświetlacz kolorowy 5”
-karta pamięci mini PCMCIA na 50 termogramów i
komentarz słowny
-wysoka rozdzielczość termiczna – 0,1C
-dostępne dwa różne obiektywy
-wyjście wideo PAL/NTSC
-niewielka masa i wymiary
-dwa modele o różnych zakresach pomiarowych
-mały pobór mocy
-proste w obsłudze oprogramowanie pod Windows
-różnorodność wbudowanych funkcji analizy obrazu
Schemat ideowy detektora ruchu z przetwornikiem piroelektrycznym
100k
120k
47u
100
10k
104
1k
WY
15k
100u
10k
104
2,7k
14
8
13
1
7
2
12
11
10
9
68
E929B
KA324
3
4
220u
5
4,7k
6
47u
10
7
208
+
220n
47u
104
7808PI
68
203
10k
470k
21k
104
620k
Modulacja za pomocą wibrującego
zwierciadła odchylanego przy użyciu
elektromagnesu
b
)
D
R1
+
R2
+
2
1
-
C4
F
+
U
1
C1
R4
S
1
5
R8
a
)
3
1
0
R3
C2
C3
R9
F+
8
A
R5
E
4
6
C7
¼ U2
R6
+
C5
D
-
R11
7
1
1
P1
+
A
¼ U2
9
A
R
7
+
C6
R13
R1
0
P2
¼ U2
+
+
R12
C8
Widok zewnętrzny termometru piroelektrycznego
Płyta czołowa
Tylny panel
Widok wewnątrz obudowy:
Wyniki pomiarowe
Współczynniki regresji liniowej oblicza się ze wzorów
Po podstawieniu otrzymujemy następujące wyrażenie:
y = 1,6x – 50,9
Tabela wartości funkcji aproksymującej
Zależność temperatury od napięcia termometru RH-1 wraz z liniową
charakterystyką aproksymującą
Producenci:
TERMOAPARATURA Wrocław
Czujniki rezystancyjne
Czujniki termoelektryczne
Czujniki termoelektryczne płaszczowe
Złącza
Przewody kompensacyjne i druty termoparowe
Producenci
BUDOWA I PARAMETRY WYBRANEGO
CZUJNIKA PIROELEKTRYCZNEGO
(HPS E09E)
Tabela 3.1. Parametry czujnika
Rozmiar elementu aktywnego
Apertura
Rodzaj filtru
Czułość napięciowa
Szumy (dla 10Hz)
Wykrywalność (dla 10Hz)
Napięcie niezrównoważenia
Napięcie pracy
Obudowa
Rys.3.1.Budowa mechaniczna
czujnika
i
oznaczenia
wyprowadzeń
2mm ×2mm
5mm
Ge lub Si (8 – 14 μm)
>300 V/W
<150 nV/Hz
4·108 cm√Hz/W
0,4 – 1,5 V
2 – 18 V
TO 39
Temperatura pracy
-20 do 60ºC
Temperatura przechowywania
-20 do 60ºC
BUDOWA I PARAMETRY WYBRANEGO
CZUJNIKA PIROELEKTRYCZNEGO
(HPS E09E)
Rys.3.2. Układ elektroniczny detektora oraz charakterystyki
przepuszczalności dla filtru germanowego i krzemowego
Rys.3.3. Czułość,
szum i
wykrywalność
czujnika w funkcji
częstotliwości[8]