fiziČko-tehniČka merenja: senzori...

FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA:SENZORI TEMPERATURE

FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA 2009, Marko Barjaktarović

UVOD• Merenje temperature predstavlja jedno od najčešćih merenje, jer je temperaturu

potrebno odrediti ne samo zbog upravljanja određenim procesom, već mnogi senzori drugih veličina koriste podatak o vrednosti temperature kako bi se izvršila kompenzacija promene temperature. Temperatura, skoro uvek, menja karakteristiku pretvarača koja se koristi pri merenju posmatrane fizičke veličine.

• Jedan od najstarijih principa merenja temperature zasnovan je na promeni dimenzije tela sa varijacijom temperature.

• Određivanje temperature uvek je zasnovana na konverziji jednog dela termalne energije objekta (čija se temperatura određuje) u električni signal. Bilo da je u pitanju kontaktno ili beskontaktno merenje, dolazi do razmene toplote između objekta i pretvarača. Odnosno, svaki senzor remeti temperaturno polje koje meri, bez obzira daje li princip merenja zasnovan na kondukciji, konvekciji ili radijaciji. To uvek dovodi do greške pri merenju temperature, bez obzira koliko ona bila mala. Zadatak svakog inženjera je da tu grešku svede na minimum, bez obzira da li radi na realizaciji senzora ili na izboru i postavljanju senzora za konkretnu aplikaciju.

• Pri merenju temperature, koriste se dva osnovna principa:– ravnotežni – temperatura se očitava kada ne postoji uočljivi tempraturni gradijent

između objekta i senzora, tj. kada senzor i objekat imaju istu temperaturu.


UVOD– prediktivni – kada nema dovoljno vremena da bi sistem senzor–objekat postigao

stanje ravnoteže, temperatura objekta se određuje na osnovu brzine promene temperature senzora.

• Pri merenju kontaktnim senzorom, senzor skoro nikad nije u dodiru samo sa objektom, već je kablom povezan sa ostatkom mernog sistema. Kabl je najvećim delom na temperaturi okoline (T0), koja ne mora bitu ista kao temperatura objekta (TB). Neka je temperatura senzora (TS). Osim električnog signal kabl provodi i deo termalne energije senzora. Termalna otpornost je obrnuto srazmerna termalnoj provodnosti, i predstavlja mogućnost materijala da spreči provođenje toplote. U ravnoteži termalna energija koja se prenosi sa objekta na senzor jednaka je termalnoj energiji koja se prenosa sa senzora na okolinu:

0 1 10

1 2 2 2

B S SS B B B

T T T T r rT T T T T Tr r r r


UVOD• Temperatura senzora se uvek razlikuje od temperature objekta, osim kada objekat i

okolina nemaju istu temperaturu.• TS = TB samo kada je r1/r2 = 0, što nikad nije slučaj. Ipak, za smanjenje greške

neophodno je maksimalno povećati toplotnu provodnost između senzora i objekta, dok treba minimizovati toplotnu provodnost između senzora i okoline.

• Takođe, potrebno je voditi računa i o dinamičkoj grešci. Često se temperatura senzora menja, jer je tek priključen na merni objekta, ili se menja temperatura ili okoline ili samog objekta u toku merenja.

• Kada se senzor i objekat nađu u kontaktu, termalna energija koja se, u jedinici vremena, prenese sa objekta na senzor srazmerna je temperaturnom gradijentu:

1 1 1, gde je 1/ termalna provodnost spoja objekat-senzor.B SdQ T T dt r

• Absorbovana toplota povećava temperaturu senzora za dT: , gde je specifična toplota senzora.dQ mcdT c

• Izjednačavanjem prethodna dva izraza dobija se diferencijala jednačina čije rešenje opisuje ponašanje senzora u toku vremena:

/ , gde je (0) i vremenska konstanta.tS B B ST T Te T T T


UVOD• Vremenska konstanta predstavlja vreme potrebno da se inicijalni temperaturni

gradijent (TB – TS(0)) smanji za 63.2 %.• Što je manja vremenska konstanta senzor brže dostiže krajnju temperaturu.• Ako objekat i okolina nisu na istoj temperatu (što je čest slučaj), senzor pokazuje nešto

manju temperaturu.• Teorijski posmatrano senzor nikada ne dostiže temperaturu objekta, međutim, u

realnim aplikacijama može se smatrati da je nakon 5τ, razlika samo 0.7% početnog gradijenta, a nakon 10τ svega 0.005%.


UVOD• Kontaktni senzor se sastoje od sledećih elemenata:

– senzorski element – materijal čija se određena karakteristika menja sa promenom temperature. Potrebno je da poseduje malu specifičnu toplotu, malu masu, veliku termalnu provodljivost i veliku i predvidljivu osetljivost na promenu temperature.

– Kontakti između senzorskog elementa i spoljašnjeg elektičnog kola. Potrebno je da posuduju malu termalnu provodljivost i zanemaljivu električnu otpornost.

– Zaštitno kućište koje štiti senzor od okolnih uticaja. Neophodno je da kućište poseduje dobru termalnu provodljivost i da je u električnom pogledu dobar izolator.

kontaktni beskontaktni


UVOD• Bezkontaktni senzori takođe poseduje senzorski element čija se određena

karakteristika menja sa promenom temperature. Da bi se smanjilo vreme odziva radijacionog senzora potrebno je da njegova debljina minimalna, a površina što je moguće veća. Uobičajeno je da se kućište beskontaktnog senzora ispuni suvim vazduhom ili azotom.

• Svi temperaturni senzori se mogu podelita u dve kategorije – na relativne i absolutne. Primer absolutnih senzora su termistori i otporni temperaturni detektori (resistance temperature detectors – RTD), dok je primer relativnih termopar.


OTPORNI SENZORI TEMPERATURE• Prednosti otpornih senzora temperature su jednostavna električna kola i dugotrajna

stabilnost. Svi ovi senzori se mogu podeliti u tri grupe:– otporni temperaturni detektori (RTD),– otporni termometri od Si,– termistori.

• Otporni temperaturni detektori se obično proizvode od metala, u obiku žice ili tankog filma. Iako se skoro svi metali mogu koristi, najčešće se upotrebljava platina, zbog predvidljivog odziva, dugotrajne stabilnosti i izdržljivosti. Za temperature preko 600 °C upotrebljava se volfram.

• Filmovi se proizvode od platine i nanose na subtrat, najčešće silicijum.• Žičani RTD se realizuju namotavanje žice od platine na visokotemperatureno staklo

koje se nalazi unutar staklene, keramičke ili metalne tube. Ovakva realizacije se upotrebljava u industriji ili u istraživačke svrhe.

• Otpornost platinskog otpornika može se predstaviti sledećim izrazom:

3

2 30 01 100 1 1 1 1

100 100 100 100tt t t tR R At Bt Ct t R


OTPORNI SENZORI TEMPERATURE• gde je t temperature u °C, a A, B i C konstante za koje važi:

4 81 , 10 i 10100

A B C

• vrednost δ se određuje kalibracijom na visokim, a β na negativnim temperaturama, dok α iznos 0.002923 °C–1.

• Da bi se zadovoljila ITS-90 temperaturna skala (ITS – International Temperature Scale), potrebno je izvršiti korekciji predhodnog izraza (videti standard). Kalibracija se vrši na tačno definisanim tempraturama koje predstavljaju osobine određenih materijala.


OTPORNI SENZORI TEMPERATURE

• U industrijskoj upotrebi često se koristi reazalizacija sa 3 žice, dok za precizna laboratorijiska merenja četvorožilno merenje je neophodno.

laboratorijski

industrijski


OTPORNI, SILICIJUMSKI SENZORI TEMPERATURE

• Provodna svojsta Si se uspešno koriste za proizvodnju senzora temperature sa PTC (Positive temperature coefficient) karakteristikom. Takođe, silicijumski temperaturni senzori se često koriste u MEMS strukturama za temperaturnu kompenzaciju ilidirektno merenje temperature.

• Jedan od najzastupljenijih je KTY detektor temperature, koji poizvodi Philips. Poseduje dobru linearnost, koja se može poboljšati korišćenjem jednostavnog električnog kola, i dobru dugotrajnu stabilnost (± 0.05 K po godini). Koriste se za temperature do 200 °C.

• Čist Si se ponaša kao NTC. Međutim, ako se dopira donorima, u određenom temperaturnom opsegu se ponaša kao PTC. To je rezultat opadanja pokretljivosti nosilaca na nižim temperaturama. Na temperaturam iznad 200 °C raste broj termalno generisanih nosilaca i dolaze do izražaja NTC karakteristike Si.

• Dimenzije KTY senzora su 500x500x240 µm, i on je metalizovan sa jedne strane, dok je kontaktna površina na drugoj strani. To dovodi do efekta širenja otpornosti, odnosno struja je sferno distribuirana kroz senzor što smanjuje uticaj proizvodne tolerancije senzora. KTY može biti osetjiv na smer struje, što se rešava kostrukcijom dualnog senzora, odnosno spajanjem dva senzora kojima su polariteti suprotno poveza. KTY je veoma zastupljen u automobilskoj industriji.


SENZORI TEMPERATURE NA BAZI SILICIJUMA• Tipična prenosna karakteristika KTY senzora prikazana je na slici.• Osetjivost KTY je reda 0.7 %/°C.• Funkcija prenosa KTY se može aproksimirati polinomom drugog reda:

20 0 01TR R A T T B T T

• gde su R0 [Ω] i T0 [K] otpornost i temperatura na referentnoj tački.

• Npr, za KTY-81 temperatuni opseg iznosi od -55 °C do 150 °C, pri čemu koeficijenti iznose –A = 0.007847 K-1 i B = 1.874x10-5 K-2.


NTC TERMISTORI• Standarni otpornik na bazi metal oksida poseduje NTC karakteristiku.• Kada se zahteva visoka tačnost ili širok merni opseg, karakteristike NTC termistora se

nesmeju koristiti iz specifikacije, zbog prevelike tolerancije koja može biti čak ± 20%. Zbog toga je neophodna individualna kalibracija. Detaljnu kalibraciju ne vrši proizvođač, jer bi ona značajno podigla cenu termistora. Kalibracija se vrši na nekoliko tačaka, a kvalitet kalibracije zavisi od preciznosti referentnog termometra. Kalibracija je zasnovana na nekoliko modela kojim se temperaturni odziv termistora može aproksimirati.

• Pri kalibraciji termistora mora se vodi računa o samozagrevanju koje nastaje usled proticanja struje kroz termistor.

• Ako je r termalna otpornost termistora prema okruženju, V napon napajanja, Rotpornost termistora na mernoj temperaturi, N duty-cycle (N = 0.1 označava da je termistor napajan svega 10% ukupnog vremena posmatranja), tada samozagrevanje termistora iznosi:

• U zavisnosti od korišćenog modela zavisi i preciznost opisivanja veze temperature i otpornosti termometra. Po pravilu, komplikovaniji model doprinosi većoj tačnosti.

• Svi modeli su zasnovani na eksperimetnu, i u opštem obliku polazi se od toga da

2 2

HN VT r

R


NTC TERMISTORI• logaritam otpornosti termistora je polinomska funkcija recipročne vrednosti

absolutne temperature:31 2

0 2 3lnAA AR A

T T T

• U najednostavnijem obliku uzimaju se samo prva dva člana predhodne relacije:

ln BR AT

• odnosno otpornost iznosi: 01/ 1/0 0 0, gde je otpornost na temperaturi .B T TR R e R T

• B zavisi od materijala od kog je napravljen termistor.• Predhodni model se koristi u užem temperaturnom opsegu.• Kalibracija se vrši u samo jednoj tački, odnosno u dve ako konstanta materijala B nije

poznata.• Radi tačnijeg određivanja karakteristika materijala, moguće je izvršiti merenje

otpornosti na nekoliko temperatura u opsegu od interesa, i metodom najmanjeg kvadrata izračunati konstantu B.

• Temperatura termistora se može odrediti na osnovu sledeće formule:

10

0

ln1 R RT

T B


NTC TERMISTORI• Osetljivost termistora iznosi:

21 dR BR dT T

• i može se uočiti da zavisi i od karakteristike materijala i od temperature. Na nižim temperatura je veća i ima vrednost od oko 7 %/°C, a na višim opada na oko 2 %/°C. To je za red veličine više od RTD, i NTC termistori se koriste za merenja u užem opsegu kada se zahteva veća osetljivost.

• Nešto precizniji model – Fraden:

• potrebne bar dve tačke za kalibraciju.• Najprecizniji model (Steinhart and Hart), koji unosi nesigurnost od oko mK u celom

termperaturnom opsegu od interesa, ali zahteva minimun 3 kalibracione tačke:

0 01 1/ 1/0

B T T T TR R e

130 1 3ln lnT B B R B R

• Izbor modela zavisi od temperaturnog opsega, dozvoljenog odstupanja i pre svega cene.


NTC TERMISTORI• Termistori se na osnovu procesa proizvodnje mogu podeliti u tri grupe:

– termistori koji se proizvode od zrna određenog materijala zatopljena u staklo ili u metal,

– drugi tip predstavljaju čip termistori, koji na površini imaju žičane kontakte za povezivanje u elektično kolo,

– treći tip termistora se realizuje nanošenjem poluprovodničkog materijala na odgovarajući substrat kao što je staklo, aluminijum, ili drugi.

• Najbrži odziv poseduju termistori sa zrnastom strukturom.• Dugotrajna stabilnost termistora može biti relativno loša i čak ±1 %.


PTC TERMISTORI• Najveći broj metala se ponaša kao PTC termistori, ali njihova osetljivost je mala, kao

na primer kod RTD-ova. Sa druge strane, keramički PTC u određenom opsegu temperatura iskazuju veoma veliku promenu otpornosti sa termperaturom. Obično se proizvode dopiranjem keramičkih materijala kao BaTiO3 koji tada pokazuju poluprovodnička svojstva. Iznad Kirijeve temperature feroelektrična svojstva se naglo menjaju, što dovodi do brzog porasta otpornosti.

• Standardne karakteristike PTC termistora:– Otpornost na 25 °C, R25,– Minimalna otpornost Rm, do koje otpornost termistora blago opada,– Termperatura na kojoj počinje nagli porast otpornost, Kirijeva temperatura i ona

se kreće u opsegu od –30 °C do 160 °C.– TCR se definiše u standardnom obliku:i on može biti veoma veliki i do 2/°C.– Maksimalni napone Emax na koji se termistor može povezati bez obzira na

temperaturu,– Termalna konstanta koja definiše brzinu odziva.

1 RR T


PTC TERMISTORI• Usled samozagrevanje, otpornost termistora raste, pa se on može iskoristiti za zaštitu

od pregrevanja. PTC termistor se može koristiti u sledećim aplikacijama:– zaštita električnog kola – serijska veza sa potrašačem kako bi se prečilo njegovo

pregrevanje,– kao termostati, jer je na osnovu napona napajanja i spoljne termperature

temperatura termistora tačno određena,

– kao elementi za kašnjenje, jer je potrebno vreme od trenutka uključenja do ulaska termistora u ravnotežu,

– za detektore nivoa, jer nakon uranjanja dolazi do nagle promene temperature.


TERMOPAROVI• Termopar je spoj dva različita metala, pri čemu je tačka spoja (topli kraj ili merni kraj)

u kontatku sa objektom čija se temperatura određuje, dok se termalno generisani napon određuje na drugom kraju (hladni ili referentni spoj). Termoparovi su pasivni senzori. Generisana elektromotorna sila zavisi od temperaturne rezlike između dva kraja, a ne od absolutnih temperatura na kojoj se krajevi nalaze. Za tačno određivanje temperature objekta, potrebno je meriti temperaturu hladnog kraja. Podela termoparova je izvršena na osnovu materijala koji se koriste za izradu žica termopara:

– Tip T: Cu (+) i konstantan (–) otporan je na koroziju usled vlage u atmosferi i koristi se za temperature manje od 0. Upotreba u vazduhu je ograničena na 370 °C jer dolazi do oksidacije bakra.

– Tip J: Fe (+) i konstantan (–) koriste se u vakuumu ili inertnim atmosferama u opsegu od 0 do 760 °C. Ne koriste se ispod 0 °C jer može doći do pojave rđe na gvožđu.

– Tip E: 10 %Ni/Cr (+) i konstantan (–) koriste se u opsegu od –200 °C do 600 °C. Mogu se koristiti i u oksidišućim i inertnim atmosferama. Pogodni su za merenja ispod 0 °C, jer ne dolazi do korozije, pa se mogu koristi i pri većoj vlažnosti vazduha. Među termoparovima proizvode najveću ems po °C, zbog čega su popularni.


TERMOPAROVI– Tip K: 10% Ni/Cr (+) i 5% Ni/Al/Si (–) koriste se u opsegu od –200 °C do 1260

°C. Usled otpornostI na oksidaciju koriste se za temperature iznad 540 °C.– Tip R i S: Pt/Rh (+) i Pt (–) koriste za neprekidnu upotrebu u opsegu od 0 do 1480

°C. – Tip B: 30 % Pt/Rh (+) i 6% Pt/Rh (–) koriste za neprekidnu upotrebu u opsegu od

870 do 1700 °C. Mogu se kratkotrajno koristi u vakuumu. Ne bi trebalo da se koriste u atmosferi koja sadrži metalna ili nemetalna isparenja. Nesmeju se direktno ubaciti u zaštitnu cev.

• U praktičnim primena mora se voditi računa o sledećim preporukama:– Termoelektrična sila se ne može uspostaviti u kolu od homogenog provodnika,– Algebarska suma svih ems u kolu je nula ako se svi spojevi nalaze na istoj

temperaturi,– Ako se jedan termopar nalazi na razlici temperatura T1 – T2 i proizvodi ems V1, a

drugi na razlici temperatura T2 – T3 i proizvodi ems V2, tada bi termopar koji se nalazi na razlici temperatura T1 – T3 proizvodio ems V1 + V2, pod uslovom da su termopari od istog materijala.


TERMOPAROVI

• Predhodno navedena pravila omogućavaju različite kombinacije upotreba termoparova: merenje srednje temperature objekta, merenje razlika temperatura između dva objekta, korišćenje drugog tipa senzora za određivanje temperature referentnog spoja, itd.

• Da bi se povećala osetljivost termopara i pojačao signal, nekoliko termoparova se može povezati na red, pri čemu su topli krajevi svih termoparova vezuju na mernu temperaturi, a svi hladni krajevi na referentu. Takva konfiguracija naziva se termopajl (thermopile).


TERMOPAROVI• Ranije, referentni kraj termopara se držao na temperaturi od 0 °C (mešavina voda-

led). Međutim, hladni kraj može biti na bilo kojoj temperaturi sve dok je njegova temperatura poznata. Odnosno, hladni kraj je termički spregnut sa drugim senzorom temperature (RTD ili poluprovodnički), tako da nije potrebna kompenzacija temperature referentnog spoja.

• Realizacija se termistorom prikazana je na slici. Kako osetljivost termistora i termopara nisu identične, pojačavačem se omogućava direktno sabiranje odgovarajuća dva napona.

• Kada se kompenzacija vrši mikroprocesorom, na ems termopara prvo se doda ems koja odgovara referentnoj termpraturi, a zatim se iz tabele određuje termperatura koja odgovara dobijenoj sumi. Neispravno je na termperaturu koja odgovara ems termopara dodati temperaturu ref. spoja.


TERMOPAROVI• Ceo termopar se sastoji od:

– žica koje formiraju spoj u jednoj tački,– zaštitnog omotača,– kućišta i– kontakta (najčešće u obliku zavrtnja na koji se povezuju produžni kablovi).

• Žice termopara potrebno je elektično izolovati, jer u suprotnom može doći do greške.• Da bi se sprečio uticaj vlage, zaštitni omotač mora biti neosetljiv na vlagu, kao npr.

teflon ili PVC.


TERMOPAROVI

Duž obe žice se stvara ista razlika potencijala, jer im se krajevi nalaze na istim temperaturama (zakon umetnutih materijala).

tipovi termoparavoa – ukratko


TERMOPAROVI• Zaštitno kućište osim mehaničke pruža i zaštitu od okoline, posebno kada su u

pitanju različita isparenja koja mogu uticati na karakteristike termopara.• Zaštitno kućište, u zavisnosti od temperature, može biti proizvedeno od karbona (do

540 °C), nerđajućeg čelika (do 870 °C) ili legura nikla (do 1150 °C).• Sve tipove termoparova potrebno je prekaliti da bi im se stabilizovala karakteristika.

Ponekad to uradi i proizvođač, ali je praksa da se to uradi i u laboratoriji, pre svake precizne kalibracije. Obično se zagrevanje vrši u vazduhu, pri čemu termopar ne sme biti podvrgnut mehaničkom naprezanju. U prvi par minuta na temperaturi od 1400 do 1500 °C termopar se oslobađa svog nakupljenog mehaničkog naprezanja u toku predhodnog rada.

• Ralizuju se i tanki termporovi, postavljanjem žica na foliju. Njihovo vreme odziva je veoma brzo, oko 10 ms. Takođe, postiže se i odlično prijanjanje senzora na objekat.

• Prilikom instalacije termopara potrebno je obezbediti dobar termički kontakt između senzora i objekta. To se postiže korišćenjem različitih tipova cementa, pri čemu se mora voditi računa da cement ne sadrži korozivne materijale.


ZADATAK - TERMOPAR• Kompenzacija promene temperature hladnog spoja termopara vrši se pomoću

tranzistorskog termometra. Kao indikator koristi se digitalni milinaponski voltmetar sa 4 cifre. Termopar gvožđe-konstantan ima moć γ = 53.5 µV/°C, pri čemu je gvožđe elektropozitivnije. Napon baza-emitor tranzistora se može prikazati u linearizovanom obliku Ube = 0.6 V – 2.2 [mV/ºC]·t, u temperaturnom opsegu od interesa.a) Ukratko objasniti zašto je potrebno vršiti temperaturnu kompenzaciju hladnog

spoja termopara.b) Izračunati pojačanja pojačavača A i karakteristiku linearnog kola

Uizlazno = B·Uulazno + C, tako da se na digitalnom voltmetru direktno očitava temperatura toplog kraja termopara u ºC, sa rezolucijom od ΔT = 0,1 ºC.

c) Ako se temperatura tela na koje je vezan topli kraj termopara naglo promeni (odskočna pobuda) za ΔT = 30 ºC, koliki vremenski interval treba da prođe od početka odskočne pobude pa da greška očitavanja bude manja od 2%. Topli spoj termopara se ponaša kao sistem prvog reda sa vremenskim konstantama τ = 2 s. Temperatura tela na koje je vezan topli kraj termopara pre odskočne pobude je TT1 = 70 ºC.


ZADATAK - TERMOPAR

/2

/1 1 t

Tt

T TeTeTTT

b)

c)

Napon na izlazu iz pojačavača:

Temperatura toplog kraja termopara:

s 42,5ln 02

12

2/

2 1

TTt

TTTeT

T

Tt

T

Greška očitavanja je manja od ε = 2% nakon vremenskog trenutka t1:

A·γta + (2,2[mV/ºC]·B – A·γ)tb + (C – 0,6 [V]·B) => A = 187, B = 4,55 i C = 2,73 V


SENZORI TEMPERATURE NA BAZI PN SPOJA• Direktno polarisan PN spoj se može iskoristiti za merenje temperature. Naime, ako se

struja PN spoja održava konstantnom, napon na spoju skoro linearno varira sa temperaturom. To omogućava jednostavnu kalibraciju senzora, uz pomoć samo dve tačke.

• Napon na spoju se može predstaviti sledećom relacijom:

2 ln lngE kTV C Iq q

• gde je Eg napon energetskog procepa na 0 K, q elementarno naelektrisanje, kBoltzmanova konstanta, T absolutna temperatura, I struja kroz PN spoj i C konstanta koja ne zavisi od temperature.

• Osetljivost zavisi od struje kroz PN spoj i iznosi oko –2.3 mV/°C za struju od 10 µA, dok sa porastom struje ona opada i za struju od 1 mA iznosi –2 mV/°C.

• Preporučuje se da struja bude oko 100 µA, i pri naponu od 5 V potrebno je koristiti otpornik od R = (E – V)/I = 44 kΩ, V ≈ 0.6 V.


SENZORI TEMPERATURE NA BAZI PN SPOJA• Sa povećanjem temperature dolazi do blagog porasta struje u kolu, ali je odstupanje

veoma malo, i u većem broju praktičnih primena se može zanemariti, što tranzistor čini veoma atraktivnim senzorom temperature, zbog niske cene i jednostavnog električnog kola.

Zavisnost izlaznog napona od temperature u funkciji struje PN spoja.

Greška ulsed odstupanja od linearne karakteristike.

• PN spoj kao senzor temperature često se integriše u druge senzore, kod koji je potrebno izvršiti temperaturnu kompenzaciju. Npr, difuzijom se može ugraditi neposredno pored membrane senzora pritiska razvijenog u MEMS tehnologiji.


SENZORI TEMPERATURE NA BAZI PN SPOJA• Nešto kompleksnije kolo se može realizovati pomoću strujnog ogledala, pri čemu

cena ovakvo senzora je i dalje veoma niska.• Struje tranzistora Q1 i Q2 su jednake. Tranzistor Q2 se sastoji od r identičnih

tranzistora, pri čemu je r najčešće 8, pa je IC2,i = IC1/r.• Ukupna struja kroz senzor iznosi:

2 ln , i za 8 i 358 se dobija / 1 µA/K.T e Te

kI r T r R I TqR

• Struja IT se jednostavno može prevesti u napon, npr. pomoću otpornika od 10 kΩ.

• Predhodna jednačina je potpuno tačna samo u slučaju kada je za tranzistor β → ∞. Realni monolitni senzori sadže dodatne komponente koje kompenzuju nelinearne efekte.

• Najpoznatiji integrisani senzori temperature su LM35 firme National Semiconductors(naponski izlaz) i AD590 čije je proizvođačAnalog Devices (strujni izlaz).


SENZORI TEMPERATURE NA BAZI PN SPOJA

• LM35Z poseduje osetljivost od 10 mV/°C. Njegova funkcija prenosa je veoma linearna, a odstupanje se nalazi u opsegu od ± 0.1 °C.

• Izlazni napon LM35Z se može prikazati u obliku: Vout = V0 + aT, gde je T temperatura u K. V0 bi trebalo da 0, ali usled proizvodne varijacije može biti čak i 10 mV, što može uneti grešku od 1 °C, o čemu se mora voditi računa pri preciznijim merenjima. Takođe, osetljivost usled proizvodne toleranicije se kreće od 9.9 mV/°C do 10 mv/°C.

Izlazni napon u funkcije temperture za LM35Z.


FLUOROSCENTNI SENZORI TEMPERATURE• Fluorescentni senzori temperature zasnivaju rad na osobine pojedinih jedinjenja sa

fosforom da proizvedu svetlosni signal nakon pobuđivanja drugim svetlosnimizvorom.

• Fosforno jedinjene u obliku farbe se nanesi na objekat čija se temperatura meri. Zatim se površina izloži kratkotrajnom impulsu UV svetla, nakon čega se posmatra intenzitet emitovane fluorescentne svetlosi. Oblik dobijenog signala zavisi od temperature tela. Ako je dobijena fluorescentna svetlost crvena, oblik signala ima potpuno eksponencijalni karakter. Kao pobudni signal upotrebljava se ksenonska lampa.

• Temperatura se određuje na osnovu brzine opadanja fluorescentnog signala, odnosno merenjem vremenske konstante.


FLUOROSCENTNI SENZORI TEMPERATURE

• U opsegu temperatura objekta od –200 °C do 400 °C vremenska konstanta se promeni oko 5 puta.

• Merenja vremena spada u najednostavnije, a može se izvršiti veoma precizno pomoću prostog električnog kola, i temperatura se može meriti sa veoma velikom rezolucijom i maksimalnom greškom od ± 2 °C bez predhodne kalibracije uređaja. Kalibracijom, greška se može značajno smanjiti.

• Merenje vremenske konstante je nezavisno od intenziteta pobudne svetlosti, što omogućava bezkontaktno merenje, uz zamarljiv poremećaj temperature objekta. Takođe, merenje može biti dugotrajno, jer varijacije temperature i relativne vlažnosti ne utiču na rad senzora.


AKUSTIČKI SENZORI TEMPERATURE• U ekstremnim slučajevima merenje temperature može predstavljati problem. Npr. pri

kriogenim temperaturama, visokom stepenu radijacije u nuklearnom reaktoru, i drugo. U pojedinim slučajevima, potrebno je meriti temperaturu u zatvorenoj posudi, pri čemu se u nju ne sme uneti senzor, a zidovi posude ne propuštaju infracrveno zračenje. Tada se može iskoristiti prinicip, da brzina zvuka u nekom fluidu zavisi odtemperature tog fluida.

• Poznato je da brzina zvuka u suvom vazduhu, pri normalnom atmosferskom pritisku se može izračunati po sledećoj formuli:

331.5 [m/s], gde je absolutna temperatura.273.15

Tv T

• Akustični senzor temperature se sastoji od tri komponente:– predajnika,– prijemnika,– i gasom ispunjene, zapečaćene cevi. Kao gas se najčešće koristi suvi vazduh.

• Cev sa gasom nije uvek neophodna, posebno kada se zna sadržaj posude u kojoj se temperatura gasa meri, pri čemu se tačno zna sastav gasa, njegova masa, dok se zapremina tog gasa održava konstantnom.


AKUSTIČKI SENZORI TEMPERATURE• Predajnik periodično šalje ultrazvučni signal. Frekvencija emitovanja impulsa je reda

100 Hz, pri čemu je frekvencija ultrazvuka najčešće iznad 100 kHz. • Brzina se određuje na osnovu vremena preleta, koje zavisi od brzine ultrazvuka, pri

čemu brzina zavisi od temperature u posudi.• Moguća je i realizacija u kojoj se kristal oscilatora nalazi u posudi, i usled promene

temperature, menjaju se mehaničke osobine kristala, a sam tim i frekvencija oscilatornog kola. Osetljivost ovog senzora je reda nekoliko kHz po stepenu K.


STAKLENI TERMOMETRI• Stakleni termometri (liquid in glass thermometer), pre svega sa živom,

predstavlju najzastupljenije senzore za vizuelno očitavanje termperature.

• Živa se koristi jer ne stvara tanak sloj na staklenoj cevi pri kretanju.• Koriste se u opsegu od –35 °C do 450 °C. Živa prelazi u čvrsto stanje

na –38 °C .• Termometri sa živom izlaze iz upotrebe, jer je živa otrovna.• Sve se više koriste stakleni termometri sa drugim tečnostima, koji

poseduju veliki koeficijent linearnog širenja, lako se uočavaju, ali nisu toksični.

• Stakleni termometri imaju dobru osetljivost i veliku linearnost.• Najveća mana ovih termometra je što su lomljivi i ne daju električni

signal.• U zavisnosti od fluida koriste se za opsege od –170 °C do 530 °C, pri

čemu svaki fluid pokriva samo deo navedenog opsega.


BIMETALNI TERMOMETRI• Bimetalni termometri su neprecizni, robusni uređaji, sa sporim odzivom i poseduju

histerzis.• Odlikuje ih nista cena, zbog čega se često koriste u ON-OFF aplikacijama.• Kada je potrebno lokalno analogno očitavanje, bez slanja na daljinu, mogu se

upotrebiti.• Princip rada je zasnovan na uvijanju dve spojene pločice od različitih materijala, koje

se javlja usled različitog koeficijenta termičkog širenja. Kada je potrebno analogno očitavanje obično se realizuju u helikoidnog formi.

• Koriste sa za opseg temperatura –180 °C do 430 °C.


GASNI TERMOMETRI• Koriste se kada je potrebno preneti signal na daljinu, bez upotrebe električnog

signala, sve do mesta očitavanja. • Sastoji se od metalnog suda i metalne cevi sa malim koeficijentom termičkog širenja.

Na kraju cevi se nalazi senzor pritiska, najčešće Bourdon-ova cev (membrana ili meh se mogu upotrebiti). Skala Bourdon-ove cevi je kalibrisana tako da predstavlja temperaturu, a moguće je dobiti električni signal pomoću potenciometra ili DIT-a.

• Odsupanje uređaja je u granicama od 0.5 %, a signal se može preneti na rastojanje do 100 m.

• Sud je delimično napunjen sa tečnošću. Pritisak na tečnost stvar gas, para (metil-hlorid), ili druga, ređe tečnostkoja se ne meša sa donjom. Pritisak se pomoću donje tečnosti prenosi do Bourdon-ove cevi.


GASNI TERMOMETRI• U većem opsegu, pritisak je direktno srezmeran temperaturi

gasa u sudu. • Vreme odziva sistema je reda 20 s.

Zavisnost pritiska pare u sudu od temperature.

Indu

stri

jski t

erm

omer

tar n

a ba

zi p

ritis

ka g

asa.

fiziČko-tehniČka merenja: senzori...

Documents