dipl ing elek Dejan Nikoli Tehnika kola Zajear

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 1

PRETVARAČI TEMPERATURE dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 2

UVOD Ø Uređaj koji fizičku veličinu pretvara u oblik pogodan za merenje se naziva SENZOR ili PRETVARAČ Ø Senzori treba da zadovolje sledeće zahteve: • Linearnost • Osetljivost • Brzina odziva • Dugovečnost • Neosetljivost na spoljašnje uticaje • Male dimenzije • Niska cena dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 3

UVOD Ø Tehnika razvoja senzora se odvija u tri pravca: 1. Smanjenje dimenzija i veći stepen integracije 1. Realizacija višestrukog delovanja (temperatura, vlažnost, pritisak) 1. Proširenje funkcionalnih mogućnosti (pametni senzori) dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 4

MERENJE TEMPERATURE Ø Oko 50% svih merenja u industriji čine merenja temperature i protoka Ø u nekim granama industrije kao sto su elektrane, toplane, hemijska postrojenja i sl. ova merenja čine i do 80% svih merenja Ø Temperatura je fizička veličina koja predstavlja stepen zagrejanosti tela i povezana je sa termodinamičkim stanjem tela i njegovom unutrašnjom energijom Ø Pri uzajamnom delovanju dva tela sa različitim temperaturama dolazi do prelaska toplote sa tela sa višom temperaturom na telo sa nižom dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 5

Ø Promena toplotnog stanja tela praćena je propratnim efektima kao sto su promena zapremine tela, pojava termoelektriciteta, zračenje Ø Temperaturu tela moguće je izmeriti samo posredno preko takvih veličina koje se još nazivaju termometarskim i koje su u funkcionalnoj vezi sa temperaturom a podložne su direktnom merenju Ø Oblast merenja temperature se naziva Termometrija i neprekidno se razvija oko 5 vekova dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 6

MERENJE TEMPERATURE Ø Smatra se da je prvi termometar konstruisao Galilej u XVI veku i sastojao se od stalene posude sa cevčicom u kojoj je bio alkohol. Takav termometar je služio samo za indikaciju promene temperature pošto nije imao skalu Ø 1711. Farenhajt (Holandija) je umesto alkohola upotrebio živu i definisao skalu. Za najnižu temperaturu je uzeo smesu leda i soli i označio je sa 32 stepena a za najvišu tačku je uzeo temperaturu ključanja vode i označio je sa 212 stepeni Ø 1790. Reomir (Francuska) je konstruisao sličan termometar sa alkoholom sa istim krajnjim tačkama ali je taj opseg podelio na 80 podeoka Ø 1742. Celzijus (Švedska) je isti opseg sa istim fiksnim tačkama podelio na 100 podeoka i donju tačku označio sa 100° a gornju sa 0° Ø 1845. ove vrednosti su obrnute i tako je nastala skala kakvu danas poznajemo a od 1948. ona se zvanično zove Celzijusova skala dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 7

PODELA TEMPERATURNIH SENZORA Ø U okviru različitih senzora za merenje temperture razlikujemo dve grupe senzora i to: 1) NEELEKTRIČNI SENZORI kod kojih se promena temperture manifestuje promenom fizičkih dimenzija senzora - Tečni (ekspanzioni) termometri(-120 °Cdo+320 °C) - Manometarski termometri (-160 do +600 °C ) - Dilatacioni termometri (0 °C do +400 °C ) - Bimetalni termometri ( -30 °C do +300 °C ) dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 8

2) ELEKTRIČNE SENZORE kod kojih se sa promeno temperature menja neki električni parametar senzora - Termoelektričmi termometri (-200°C do +1600°C) - Otporni termometri (-268°C do +1064°C) - Poluprovodni termometri dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 9

Ø Ekspanzioni termometri svoj rad baziraju na pojavi da se telo širi sa porastom temperature a skuplja sa padom temperature. Na ovom principu radi i živin termometar koji najčešće srećemo sa opsegom (-38. 8°C÷ 357°C) (tačka mržnjenja i tačka ključanja žive), kerozin(0°C÷ 80°C) alkohol(-80°C÷ 80°C) Pored navedenih, mogu da se koristi gas (azot) i lako isparljive tečnosti metal-hlorid, acetone, freon dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 10

§ Manometarski pretvarači zasnivaju rad na zavisnosti pritiska tela (pri stalnoj zapremini) od temperature. Sastoji se od termičkog balona, osetljivog manometra i spoljnog kapilara preseka nekoliko milimetra. Najčešće se primenjuje gasni termometar čiji je zatvoren sistem ispunjen inertnim gasom. dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 11

Ø Dilatacioni termometri svoj rad zasnivaju na principu povećanja dimenzije čvrstih tela sa porastom temperature gde je zavisnost u određenom opsegu linearna. Prave se od: • bakra (opseg 0 °C ÷ 150 °C) • mesinga (opseg 0 °C ÷ 400 °C) • legure gvožđa i nikla (opseg 0 °C ÷ 200 °C) Koriste se za izradu termostata i imaju relativno nisku cenu dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 12

Ø Bimetalni senzori temperature se prave u obliku traka od dva sloja materijala sa različitim koeficijentom linearnog širenja gde se traka, prilikom porasta temperature, savija u stranu materijala sa manjim koeficijentom linearnog širenja. Koriste se takođe za izradu termostata za opseg -30 °C ÷ 300 °C dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 13

ELEKTRIČNI SENZORI TEMPERATURE Ø Termoelementi su se prvo koristili za merenje visokih temperatura (0 °C ÷ 1000 °C) ali je kasnije njihova upotreba proširena i na vrlo niske temperature čak do 1 K Svoj rad zasnivaju na jednom od termoelektričnih efekata u provodnicima: • Zibekov efekat • Tompsonov efekat • Peltijev efekat dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 14

Ø Za izradu termoparova se u principu mogu upotrebiti bilo koja dva čista metala ili legure ali je u praksi ograničen broj kombinacija jer se od termopara zahteva: • Stabilnost i ponovljivost termoelektričnog svojstva • Što linearnija zavisnost termoelektričnog napona od temperature • Visoka osetljivost • Mogućnost mehaničke obrade • Pristupačna cena dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 15

§ Termopar – naponski izvor male izlazne otpornosti, reda 10 Ω – neophodno pojačavanje signala – relativno mala osetljivost – nelinearan, potrebna linearizacija – problem temperature hladnog kraja, pa je potrebna kompenzacija – širok merni opseg, (– 200 – +1600°C). dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 16

ANSI klasifikacija § § § Pl – Rd (0 °C ÷ 1300 °C) Fe – Constntan (-200 °C ÷ 1000 °C) Ni – Cr Ni (0 °C ÷ 1200 °C) dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 17

Princip rada dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 18

Ø U nazivu termoelementa stoje dva metala pri čemu prvoimenovani metal predstavlja pozitivni a drugoimenovani metal negativni priključak Ø Prednosti termoparova su: • Rad bez spoljašnjeg izvora energije jer je aktivan senzor • Jednostavna i kompaktna konstrukcija • Širok temperaturni opseg (-270 °C ÷ 4000 °C) • Visoka tačnost (± 0. 25% ÷ 0. 75% mernog opsega za standardnu izradu, odnosno ± 0. 1%÷ 0. 4% mernog opsega za specijalnu izradu) Ø Nedostatci termoparova su: • Nizak nivo izlaznog signala (do 100 m. V) • Mala osetljivost (10 ÷ 70 m. V/°C) što otežava merenje malih temperaturnih promena • Nelinearna statička karakteristika • Osetljivost na hemijsko delovanje radne okoline dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 19

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 20

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 21

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 22

OTPORNI PRETVARA ČI Zasnivaju rad na promeni električne otpornosti radnog tela u zavisnosti od promene temperature. § Otpornost na temperaturi Temperaturni koeficijenat otpornosti § Referentna temperatura 0°C dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 23

ELEKTRIČNI SENZORI TEMPERATURE Ø Otporni senzor od Ni-žice U odnosu na platinu Nikl ima: • veći linearni temperaturni koeficijent otpora • veći odnos otpora na 100 °C i 0 °C • statička karakteristika je nelinearnija i još nestabilna i nereproduktivna • opseg temperature je manji jer se pri višim temperaturama javljaju korozija i oksidacija • Imaju nižu cenu i koriste se u tehnici grejanja, hlađenja i klimatizacije za merenje temperature vazduha dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 24

ELEKTRIČNI SENZORI TEMPERATURE Ø Otporni senzor od Cu-žice Bakar je jeftin metal koji se može dobiti sa visokim procentom čistoće i ima: • linearni koeficijent otpora a=0. 0042÷ 0. 0427 1/°C • odnos R 100/R 0=1. 426 ÷ 1. 428 • stabilnu i reproduktivnu karakteristiku koja je nešto nelinearnija u odnosu na karakteristiku platine • Koristi se za opseg temperature -50 °C ÷ 180 °C dok se na višim javlja oksidacija i korozija Ø Otporni senzori se najčešće prave od namotane žice a mogu se praviti naparavanjem metala (najčešće platine) na keramičku ili staklenu podlogu. Ovakvi senzori imaju veliki odnos površine i zapremine što omogućava veoma brz odziv pri merenju površinske temperature. Nedostatak je neravnomerno nanošenje metalnog filma na podlogu (ukoliko se javi) što uzrokuje lošiju statičku karakteristiku u odnosu na žičani otpornik dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 25

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 26

§ Platinski otporni senzori – širok merni opseg, – 260 do +850°C. – pozitivan temperaturni koeficijent dobra linearnost RT = R 0 [ 1 + a. T + b. T 2 ] – mali temperaturni koeficijent, zato se vezuje u mostnu šemu – Standard – Pt 100 – otpornost 100Ω na 0°C i 138Ω na 100°C – Pt 1000 – optornost 1000Ω na 0°C Pored platine mogu se koristi Cu i Ni dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 27

Platinski otporni termometar. Pt 100 n Za Pt 100 važi: n. Koristi se pojednostavljeni linearni model: n Pt 100 se povezuje u jednu granu mosta. n Opseg primene n Osim platine mogu da se koriste i bakar (-50ºC do 200ºC) i nikl (-60ºC do 150ºC). dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 28

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 29

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 30

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 31

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 32

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 33

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 34

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 35

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 36

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 37

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 38

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 39

dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 40

Poluprovodnički temperaturni senzori § Otporni silicijumski senzori – relativno uzak merni opseg, – 50 – +150°C. Koriste se u mnogim oblastima koje ovaj pokriva ovaj opseg: prohrambena industrija, klimatizacija, meteorologija, kućni aparati, automobili, silosi – pozitivan temperaturni koeficijent – osetljiviji od platinskih senzora, nisu neophodni merni mostovi – potrebna linearizacija ili digitalna obrada dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 41

POLUPROVODNI SENZORI TEMPERATURE Teremistori Ø Promena otpora sa temperaturom je velika, nelinearna i aproksimira se eksponencijalnom jednačinom RT=Ae. B/T˙ Ø Kod većine termistora otpornost opada sa porastom temperature NTC Ø Postoje i PTC Ø Postoje i termistori sa linearnom k-kom Ø Prednosti termistora: – Velika osetljivost na sobnoj temperaturi – Male dimenzije – Velika nominalna vrednost otpora na sobnoj temperaturi Ø Nedostatci termistora su: – Izrazito nelinearna karakteristika – Velike varijacije parametara pa je zamena drugim termistorom problematična – Mali temperaturni opseg – Rade sa manjom strujom nego žičani otporni senzori temperature zbog samozagrevanja dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 42

Termistori § Termistori su nelinearni otpornici kod kojih se specifična električna otpornost menja sa promenom temperature. – NTC imaju negativan temperaturski koeficijenat – PTC imaju pozitivan temperaturski koeficijenat dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 43

NTC termistori § Glavna prednost u odnosu na druge temperaturske pretvarače je velika osetljivost. § Proizvode se od smeše oksida metala (Fe, Cr, Mn, Co, Ni) u prahu koji se sinteruju na temperaturama većim od 1000ºC čime se formiraju otpornici oblika loptice, diska ili cilindra. § Max radne temperature iznose 300ºC do 350 ºC. § U poslednje vreme se izrađuju i termistori sa max radnim temperaturama do 700ºC, pa i do 1000 ºC. § Osetljivost opada sa porastom temperature. dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar A, B-const karakteristične za pojedine termistore 44

Termistori dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 45

NTC termistori A typical disc thermistor dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 46

PTC termistori § PTC se koriste kao senzori koji pri određenoj temperaturi daju diskretan signal. Retko se koriste za merenje temperature, nego kao elementi za zaštitu. § Merni opseg je uzak, ali je osetljivost deset puta veća u odnosu na NTC. § Proizvode se od barijum-titanata (Ba. Ti. O 3) koji je izolator, ali se dopiranjem smanjuje njegova otpornost. Dobija se sinterovanjem mlevenog materijala slično kao NTC. dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 47

POLUPROVODNI SENZORI TEMPERATURE Ø Tranzistor kao senzor temperature. Porast temperature utiče na promenu inverzne struje ICB 0 kroz inverzno polarisani spoj kolektorbaza. Tipične vrednosti ovih struja su 1 m. A za silicijumske tranzistore i 100 m. A za germanijumske tranzistore na temperaturi 20 °C. Sa porastom temperature za 10 °C ova se struja udvostručava ali je i dalje teško meriti tako male struje. Veću praktičnu primenu ima promena napona baza-emitor UBE , koja je generalno nelinearna, ali se u opsegu -270 °C ÷ 200 °C može aproksimirati linearnom funkcijom Ø Dioda kao senzor temperature je jednostavnija u odnosu na tranzistor, manji su joj gubitci i ima brži odziv. Za praktičnu primenu se koriste i direktna i inverzna polarizacija diode s tim što je, pri direktnoj polarizaciji, opseg temperatura veći. Pored klasičnih dioda upotrebljavaju se i tzv. tranzistorske diode koje nastaju spajanjem kolektora i baze tranzistora Ø Tranzistori i diode se najčešće koriste za izradu temperaturnih relea minijaturnih dimenzija tako da mogu da se ugrade direktno u elektronske uređaje i čipove gde uključuju zaštitu od pregrevanja. dipl. ing. elek. Dejan Nikolić Tehnička škola Zaječar 48