1. Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τ.Ε.Ι. Πειραιά
Τμήμα Μηχανικών Αυτοματισμού
Παρουσίαση για το μάθημα Συστημάτων Συλλογής Δεδομένων
Με θέμα: Λήψη Σημάτων – Αισθητήρια και με τίτλο:
Αισθητήρια Μέτρησης Θερμοκρασίας
Temperature Measurement
Πρόκειται για τη κατηγορία αισθητηρίων που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία,
με την μεγαλύτερη ποικιλία οργάνων.
Ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι απαραίτητος σε πολλές εφαρμογές και γι’ αυτό
θα προσπαθήσω να δώσω μια εικόνα του φάσματος των οργάνων που
χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της.
Παπασπύρου Αλέξανδρος
AM. 41684
Χειμερινό Εξάμηνο 2014
2. Εισαγωγικά ιστορικά στοιχεία
Οι προσπάθειες της τυποποιημένης μέτρησης της θερμοκρασίας
έχουν αναφερθεί ήδη από το 170 μ.Χ. από τον Claudio Γαληνός.
Farenh
eit
Celsius 1714
1742
Kelvin
1850
Το σύγχρονο επιστημονικό πεδίο έχει τις ρίζες της στα έργα της Φλωρεντίας και τους επιστήμονες του 17ου αιώνα.
Οι πρ ώτες συσκευές για τη μέτρηση της θερμοκρασίας ονομάστηκαν thermoscopes.
Η ανάπτυξη των σημερινών θερμόμετρων και οι κλίμακες θερμοκρασίας ξεκίνησαν
στις αρχές του 18ου αιώνα, όταν ο Gabriel Fahrenheit προσάρμοσε στο
θερμόμετρο τον υδράργυρο και μια κλίμακα
Fahrenheit
http://en.wikipedia.org/wiki/Fahrenheit
Guericke's thermometer 1592
http://en.wikisource.org/wiki/Evolution_of_the_Thermometer
Dalencé's Thermometer 1688
http://en.wikisource.org/wiki/Evolution_of_the_Thermometer
4. Πώς μπορώ να μετρήσω θερμοκρασία;
Πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας . Οι περισσότερες από
αυτές βασίζονται στη μέτρηση κάποια φυσική ιδιότητα ενός υλικού που ποικίλλει (αλλάζει)
ανάλογα με τη θερμοκρασία. Μία από τις πιο κοινές συσκευές για τη μέτρηση της
θερμοκρασίας είναι το θερμόμετρο με υγρό ή αέριο
Η θερμοκρασία μπορεί να μετρηθεί μέσω ενός ευρέως φάσμα αισθητήρων.
Όλα αυτά συνάγουν θερμοκρασίας ανιχνεύοντας κάποια αλλαγή σε ένα φυσικό
χαρακτηριστικό.
Κάποια είδη με τα οποία ένας μηχανικός είναι πιθανό να έρθει σε επαφή είναι:
Thermocouples (θερμοζεύγη - θερμοστοιχεία)
θερμοστοιχεία)
Resistive temperature devices (θερμίστορ και τα RTD)
Infrared radiators (σώματα υπέρυθρης ακτινοβολίας)
ακτινοβολίας)
Dimetallic devices (Διμεταλλικό)
Διμεταλλικό)
Liquid expansion devices (συσκευές διαστολή υγρού)
υγρού)
Change-of-state devices (change-of-state συσκευών )
change-of-state
(
Άλλες σημαντικές συσκευές για τη μέτρηση της θερμοκρασίας:
Πυρόμετρο
Ανιχνευτές Langmuir ( για τη θερμοκρασία ηλεκτρονίων του πλάσματος )
Άλλα θερμόμετρα
5. Thermocouples (θερμοστοιχεία)
Τα θερμοστοιχεία αποτελούνται από δύο λωρίδες ή σύρματα κατασκευασμένα από διάφορα
μέταλλα τα οποία ενώνονται σε ένα κοινό άκρο. Αλλαγές στη θερμοκρασία προκαλούν μια αλλαγή
στην ηλεκτρεγερτική δύναμη ( emf ) μεταξύ των άκρων. Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει, το emf
εξόδου του θερμοστοιχείο αυξάνεται, όχι όμως πάντα γραμμικά.
Ένα θερμοστοιχείο είναι μια διασταύρωση που σχηματίζεται από δύο ανόμοια μέταλλα . Στην
πραγματικότητα, είναι ένα ζεύγος κόμβων . Μία σε μία θερμοκρασία αναφοράς (όπως 0 oC) και
το άλλο κόμβο στη θερμοκρασία που πρόκειται να μετρηθεί . Μια διαφορά θερμοκρασίας θα
προκαλέσει μία τάση να αναπτυχθεί που εξαρτάται από τη θερμοκρασία . ( Η τάση που προκαλείται
από κάτι που ονομάζεται επίδραση Seebeck . )
Θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μέτρηση της θερμοκρασίας , επειδή είναι φθηνά,
φθηνά,
ανθεκτικά και αξιόπιστα , και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.
θερμοκρασιών.
Ειδικότερα , άλλοι αισθητήρες θερμοκρασίας (όπως θερμίστορ και αισθητήρες LM35 ) είναι χρήσιμα
περίπου σε θερμοκρασία δωματίου , αλλά το θερμοστοιχείο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και πολύ
μεγαλητερεσ..
Θερμοστοιχείο
http://
www.facstaff.bucknell.edu/mastascu/elessonshtml/Sensors/TempThermCpl.html
Θερμοστοιχείο συνδεδεμένο με ένα πολύμετρο εμφανίζει
θερμοκρασία δωματίου σε ° C.
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple
6. Τι είναι καλό να ξέρετε για Θερμοστοιχεία;
Μια διασταύρωση μεταξύ δύο ανόμοιων μετάλλων παράγει μια τάση. Στο θερμοστοιχείο, η διασταύρωση αίσθησης - παράγει μία
τάση η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία.
Μια πολυωνυμική εξίσωση χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της τάσης θερμοστοιχείο σε θερμοκρασία (oC) σε μία ευρεία
περιοχή θερμοκρασιών.
Μπορούμε να γράψουμε το πολυώνυμο ως εξής:
http://edn.com/electronics-blogs/bakers-best/4368765/Designing-with-temperature-sensor
s-part-four-thermocouples
http://www.reotemp.com/thermocoupleinfo/thermocouple-types.htm
7. Resistive temperature devices (θερμίστορ και RTD)
Με τις συσκευές αυτές εκμεταλλευόμαστε το γεγονός ότι η ηλεκτρική αντίσταση
ενός υλικού αλλάζει καθώς αλλάζει η θερμοκρασία του. Δύο βασικοί τύποι είναι οι
μεταλλικές συσκευές (που συνήθως αναφέρονται ως RTDs) και τα θερμίστορ.
Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, RTDs βασίζονται σε αλλαγή της αντίστασης σε
ένα μέταλλο, με την αντίσταση να αυξάνεται περισσότερο ή λιγότερο γραμμικά με
τη θερμοκρασία.
Τα Thermistors βασίζονται στην αλλαγή της αντίστασης σε ένα κεραμικό
ημιαγωγιμο υλικό. Εδώ η αντίσταση μειώνεται γραμμικά με την αύξηση της
θερμοκρασίας.
http://www.doctronics.co.uk/voltage.htm
8. Resistive temperature devices (RTD)
Βασίζεται στo φαινόμενο της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης των μετάλλων και των ημιαγωγών
όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία. Το απλούστερο από αυτα τα αισθητήρια αποτελείται από ένα λεπτό
σύρμα από χαλκό ή νικέλιο ή πλατίνα που αφού πάρει κατάλληλο σχήμα (συνήθως μαιάνδρου)
κλείνεται σε ένα προστατευτικό περίβλημα.
Φτιαγμένο από πλατίνα γι αυτό καλείται συχνά θερμόμετρο αντίστασης λευκόχρυσου ( platinum resistance
thermometer (PRT)). Προσφέρουν μεγαλύτερη σταθερότητα, ακρίβεια και επαναληπτικότητα από ότι τα
θερμοηλεκτρικά ζεύγη (thermocouples). Τα θερμόμετρα αντίστασης χρησιμοποιούν την ηλεκτρική αντίσταση και
χρειάζονται μια πηγή ισχύος για να λειτουργήσουν.
Η αλλαγή της τιμής της αντίστασης με την αλλαγή της θερμοκρασίας πιστοποιείται τοποθετώντας το
σωληνοειδές σε κλάδο γέφυρας Wheatstone.
Οι RTDs έχουν κλίμακα μέτρησης από -200οC έως 1200οC.
9. Resistive temperature devices (θερμίστορ)
Σε αντίθεση με τα προηγούμενα που χρησιμοποιούν μεταλλικό στοιχείο αντίστασης, διαθέτουν ημιαγωγό τέτοιο
στοιχείο . Το πλεονέκτημα τους είναι η μεγάλη ευαισθησία σε μεταβολές της θερμοκρασίας .Σε αντίθεση με
τους μεταλλικούς αγωγούς, παρουσιάζουν μείωση της αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας .
Συνηθισμένα θερμίστορς έχουν αντίσταση της τάξης των 100 Ω σε υψηλές θερμοκρασίες και εκατοντάδες
megaohms σε χαμηλές θερμοκρασίες .
Τα θερμίστορς χρησιμοποιούνται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές καθώς το κόστος τους πέφτει και η
αξιοπιστία τους ανεβαίνει .
Επίσης η ειδική τους αντίσταση είναι
πολύ υψηλότερη από εκείνη ενός καθαρού μετάλλου. Είναι επομένως υπερβολικά ευαίσθητα σε
μικρές θερμοκρασιακές αλλαγές και έχουν γρήγορη απόκριση. Έχουν την μορφή χονδρών
καθετήρων, δίσκων, ραβδίων. Συνήθως περιβάλλονται με γυαλί ή τοποθετούνται σε λεπτό μεταλλικό κάλυμμα.
Καθετήρες σε μέταλλο ή γυαλί με διάμετρο μικρότερη από 2 mm χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της
θερμοκρασίας επιφανειών μετάλλων, αερίων και υγρών.
Κύρια χαρακτηριστικά:
• πολύ μικρό μέγεθος.
• ταχεία απόκριση στις μεταβολές θερμοκρασίας.
• μεγάλο εύρος θερμοκρασίας όπου μπορούν να λειτουργήσουν.
• υψηλή διακριτική ικανότητα σε μικρές περιοχές θερμοκρασίας και έτσι χρησιμοποιούνται σε ιατρικές εφαρμογές.
• μπορούν να ενσωματωθούν επάνω σε στερεά σώματα και να μετρούν την επιφανειακή τους θερμοκρασία
10. Εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία
Σύγκριση της αντίστασης ενός μεταλλικού στοιχείου και της χαρακτηριστικής ενός θερμίστορ
Σχόλιο: Τα θερμόμετρα αντίστασης εκθέτουν το πιο γραμμικό σήμα όσον αφορά τη θερμοκρασία από οποιασδήποτε άλλη συσκευή ανίχνευσης
11. Dimetallic devices (Διμεταλλικό)
Ένα διμεταλλικό έλασμα (bimetallic strip) αποτελείται από δύο ελάσματα ίδιου μήκους,
από διαφορετικά υλικά, στερεωμένα με κάποιας μορφής συγκόλλησης ‐ cladding.
Το διμεταλλικό έλασμα μπορεί να τοποθετηθεί με τέτοιο τρόπο, ώστε τις στιγμές που
θερμαίνεται, και επομένως κάμπτεται, ή τις στιγμές που ψύχεται, και επομένως
ευθυγραμμίζεται, να ανοίγει ή να κλείνει τις επαφές ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Αυτό
οφείλεται στο διαφορετικό συντελεστή διαστολής των δύο μετάλλων. Το μέταλλο με το
μεγαλύτερο συντελεστή διαστέλλεται περισσότερο ώστε να έχει μεγαλύτερο μήκoς από το
άλλο έλασμα. Η μετατόπιση του εξαρτάται από την μεταβολή της θερμοκρασίας.
Πολλές φορές τυλίγουμε τα διμεταλλικά ελάσματα σε σπειροειδή μορφή.
12. Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές στη βασική χρήση του διμεταλλικού
ελάσματος. Στην πιο ενδιαφέρουσα απ’ αυτές, το διμεταλλικό έλασμα
χρησιμοποιείται σαν επαφή που ανοίγει ή κλείνει κάποιο ηλεκτρικό κύκλωμα.
Αυτή η συσκευή είναι ο θερμοστάτης. Το διμεταλλικό θερμόμετρο
χρησιμοποιείται σε φούρνους, σωληνώσεις ζεστού νερού και θαλάμους
ατμού.
Πλεονεκτήματα:
• συμπαγές, ευέλικτης σχεδίασης, σχετικά φθηνό.
• το ωφέλιμο θερμοκρασιακό εύρος είναι από 238 Κ έως 873 Κ με γενικά
καλή ακρίβεια.
Μειονεκτήματα:
• το διμεταλλικό έλασμα εμφανίζει γήρανση, οπότε χάνεται η ακρίβεια της
αρχικής
βαθμονόμησης με το πέρασμα του χρόνου.
Εργαστήριο Θερμοδυναμικής & Θερμικών Μηχανών 10
• δεν προσφέρεται για χρήση από απόσταση.
• αποκρίνεται αργά στις μεταβολές της θερμοκρασίας
13. Liquid expansion devices (συσκευές διαστολή υγρού)
Είναι τα αρχαιότερα θερμόμετρα που όμως και σήμερα χρησιμοποιούνται σε πολλές
εφαρμογές λόγω κυρίως του χαμηλού κόστους τους . Το πρόβλημα με τα
θερμόμετρα υγρού είναι ότι δεν μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν σαν
αισθητήρια σε ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου ούτε να δώσουν τη μέτρηση σε Η/Υ,
παρά το ότι έχουν γίνει προσπάθειες και υπάρχουν κάποιοι τύποι κατάλληλοι γι’
αυτό το σκοπό .
Τα οπτικά πυρόμετρα χρησιμοποιούνται για μετρήσεις θερμοκρασίας,
όταν η φυσική επαφή του αισθητηρίου με την όλη διαδικασία είναι
αδύνατη, αλλά είναι εφικτή η οπτική επαφή. Το πυρόμετρο εκπέμπει
ενέργεια προς την πηγή που θέλουμε να ελέγξουμε, ένα μέρος της
οποίας ανακλάται και επιστρέφει στο πυρόμετρο. Η ανάκληση αυτή
εξαρτάται από την θερμοκρασία της πηγής. Η σύγκριση της ενέργειας
που επιστρέφει στο πυρόμετρο, με την ενέργεια μιας πρότυπης
βαθμονομημένης πηγής, δίνει ως ως αποτέλεσμα ρεύμα, που
ανταποκρίνεται στη μεταβολή της θερμοκρασίας
Infrared radiators (σώματα υπέρυθρης ακτινοβολίας)
Ειναι συσκευές χωρισ επαφη. Υπολογιζουν τη θερμοκρασία
μετρώντας την θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα υλικό.
14. Change-of-state devices (change-of-state συσκευών )
Η μέτρηση θερμοκρασίας με βάση τη μεταβολή της φυσικής κατάστασης των στερεών
γίνεται με δύο τρόπους:
1. Μεταβολή του σχήματος ή του μεγέθους: Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει
πυρομετρικούς
κώνους, θερμοσκοπικές μπάρες, καταγραφείς θερμότητας και δαχτυλίδια.
2. Μεταβολή του χρώματος: Χρώματα (βερνίκια) και κραγιόν.
Βερνίκια και κραγιόν: Είναι χρήσιμα για απεικόνιση θερμοκρασιακών πεδίων σε επιφάνειες μετάλλων
(πχ heat affected zone συγκολλήσεων, σφυρηλασία εν θερμώ και θερμική κατεργασίαμετάλλων και
πολυμερών). Αλλάζουν χρώμα ή εμφάνιση σε μια καθορισμένη θερμοκρασία. Σήμερα συνδυάζονται
αποτελεσματικά με τις σύγχρονες τεχνικές υπέρυθρης θερμογραφίας. Τα κραγιόν περιέχουν ένα υγρό που
λειώνει σε μορφή ράβδου. Είναι κατάλληλα για την μέτρηση θερμοκρασιών διαφόρων επιφανειών ακόμη και
μεγάλης τραχύτητας.
Τα θερμόμετρα τύπου χαπιών χρησιμοποιούνται κυρίως για τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε φούρνους
και κλιβάνους, όπου εφαρμόζεται θέρμανση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Τα χάπια τοποθετούνται πριν
αρχίσει η θέρμανση του συστήματος και μόλις αρχίσει η τήξη του χαπιού είναι δυνατός ο προσδιορισμός
της θερμοκρασίας. Οι δείκτες σε υγρή μορφή περιέχουν τα ίδια υλικά που χρησιμοποιούνται στα κραγιόν
και στα χάπια, αλλά σε μορφή λάκκας (αιώρημα σε διαλυτικό υγρό). Αφού αναδευτεί καλά η λάκκα,
βάφουμε με αυτήν την επιφάνεια που θέλουμε να μετρήσουμε την θερμοκρασία της. Ο διαλύτης
εξατμίζεται γρήγορα και απομένει το σχετικό ίχνος στην επιφάνεια. Όταν η επιφάνεια φτάσει στην
θερμοκρασία, το ίχνος τήκεται εμφανώς και αλλάζει υφή, (από μάτ αδιαφανή σε γυαλιστερή διαφανή),
οπότε μπορεί να ταυτοποιηθεί εύκολα εκ των υστέρων.
Πυρομετρικοί κώνοι: Κατασκευάζονται από μίγματα διαφόρων ουσιών,
όπως πορσελάνη, τάλκη, άστριο, χαλαζία κ.ά., πού κατατάσσονται σε
αριθμημένη σειρά πού αντιστοιχεί σε θερμοκρασίες 600 ‐ 2000°C.
Τοποθετούνται τουλάχιστο τρεις κώνοι με διαφορετικά σημεία τήξης
πάνω σ' ένα πυρίμαχο δίσκο και τη ζητούμενη θερμοκρασία δείχνει ο
μισοτηγμένος κώνος, του οποίου ή κορυφή μόλις ακουμπά στον δίσκο.
Παρόμοια διαδικασία χρησιμοποιείται και στην περίπτωση των
θερμοσκοπικών μπαρών και καταγραφέων θερμότητας.
