9. merenje temperature -...
TRANSCRIPT
9 – 1
9. Merenje temperature
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:
S
l
S
lR 32
0 1 (9.1)
gde je ρ0 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 θ2. 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. Merenje temperature
9 – 2
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:
/CBeAR (9.2)
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:
0/1/1
0
BeRR (9.3)
gde je R0 otpornost termistora na nominalnoj sobnoj temperaturi od 20 °C.
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. Merenje temperature
9 – 3
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.
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.
θmer
θref
θref
θinstr hromel
alumel
bakar
bakar
V
9. Merenje temperature
9 – 4
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:
T
b (9.4)
9. Merenje temperature
9 – 5
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 (Pemitovano), snage
reflektovanog okolnog zračenja od svih ostalih tela u blizini (Preflektovano) i snage propuštenog okolnog
zračenja (Ppropušteno) za koje je dato telo delimično ili potpuno „transparentno“.
propustenonoreflektovaemitovanomereno PPPP (9.5)
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 (Pemitovano < Pmereno), 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 Preflektovano ili
Ppropušteno, 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. Merenje temperature
9 – 6
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 (CsNO3), 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.
10-16 108 10-14 104 100 102 106 10-8 10-10 10-6 10-2 10-4 10-12 λ (m)
γ zraci X zraci UV IC Mikrotalasi Radio
talasi
Dugi radio
talasi
FM AM
θ (ºC) 1 bil. ºC 1 mlrd. ºC 1 mil. ºC 1000 ºC
0 ºC
-250 ºC
-273 ºC
-273,15 ºC
9. Merenje temperature
9 – 7
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. Merenje temperature
9 – 8
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 Preflektovano
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.