Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenie jest poznanie sposobów pomiaru temperatury w szczególności używanych w elektronice mocy.

Klasyfikacja

Zerowa zasada termodynamiki: Jeżeli układ A i układ B są w równowadze termicznej z układem C to są w równowadze termicznej względem siebie.

Wszystkie układy które są w równowadze termicznej z układem odniesienia C mają wspólną właściwość nazywaną temperaturą (temperatura ciała to miara średniej energii kinetycznej jego cząstek). Układ odniesienia C nazywany termometrem. Termometr jest układem charakteryzującym się łatwo mierzalnym parametrem będącym funkcją temperatury. Termometry można podzielić według poniższej klasyfikacji:

termometry dylatometryczne – używane powszechnie opierające się na rozszerzalności cieplnej cieczy np.: rtęci

termometry gazowe

termopary

termometry oporowe

termometry pirometryczne

Termopara

Fizyk niemiecki Thomas Johann Seebeck w latach 1822-1823 odkrył zjawisko polegające na pojawieniu się siły elektromotorycznej w obwodzie wykonanym z dwóch różnych przewodników, jeżeli złącza między nimi będą miały różne temperatury.

(1)

gdzie : ΔE - siła elektromotoryczna w otwartym obwodzie

ΔT - różnica temperatur między stykami

 1-2 - współczynnik siły termoelektrycznej

Wartość współczynnika  1-2 dla danej pary przewodników nie zależy od innych przewodników znajdujących się między nimi w obwodzie (1 +2 +3 +...+n = 1-n ) co jest podstawą utworzenia szeregu termoelektrycznego.

Tabela 1: przykłady α (względem ołowiu)
materiał	α [μV/K]
antymon	+ 43
miedź	+ 3,2
złoto	+ 2,9
aluminium	- 0,4
bizmut	- 68,0
Cu2O	+1200
selen	+ 1000
SbZn	+ 200
FeO	- 500
Tls	- 780

Przyczyną zjawiska Seebecka są różnice w energiach ruchu cieplnego nośników ładunku. W metalu nośnikami ładunku są swobodne elektrony. Ciśnienie gazu elektronowego jest funkcją temperatury. W dwóch końcach przewodnika panuje różne ciśnienie gazu elektronowego powodujące przepływ ładunku i powstanie pola elektrycznego. Ponadto dochodzi do zmian położenia poziomu Fermiego.

W przypadku półprzewodników mechanizm zjawiska jest analogiczny. Ciśnienie gazu elektronowego i położenie poziomu Fermiego są jednak innymi funkcjami temperatury niż w przypadku metali. Od temperatury zależy również koncentracja nośników.

Poważną wadą pomiarów z użyciem termopary jest konieczność umieszczenia jednego złącza w temperaturze odniesienia. W wielu układach pomiarowych (np. mikroczujnikach) trudno zapewnić właściwą izolację termiczną pomiędzy złączem pomiarowym i odniesienia.

Złącze PN

Zależność spadku napięcia na złączu PN w funkcji temperatury wyrażą zależność (2).

(2)

Przy małych (μA) prądach I przepływających przez złącze (by wyeliminować efekt samonagrzewania i nieliniowy wpływ temperatury na prąd nasycenia IS) mierząc spadek napięcia na złączu można wyznaczyć jego temperaturę. W tym celu dla pomiarowego złącza sporządza się odpowiednią charakterystykę umożliwiającą wygodne i dokładne przeliczanie spadku napięcia na temperaturę. Charakterystyka jest w przybliżeniu liniowa o nachylaniu 2 mV/K.

Dużą zaletą tej techniki jest pomiar bezpośrednio temperatury złącza, a nie jak w przypadku innych technik jedynie temperatury obudowy.

Pomiary termowizyjne

Termowizja opiera się na pomiarze mocy wypromieniowywanej przez każde ciało. Moc ta zależy proporcjonalnie od czwartej potęgi temperatury według wzoru (3):

(3)

ε	– emisyjność powierzchni

Pomiary termowizyjne są bezinwazyjne (choć by obejrzeć więcej niż rozgrzaną obudowę należy zdjąć ją z przyrządu), prowadzone z pewnej odległości. Współcześnie otrzymuje się błyskawicznie cały rozkład temperatur na badanej powierzchni z użyciem całych matryc detektorowych.

Kamery termowizyjne można podzielić według zjawiska fizycznego na którym opiera się detektor promieniowania podczerwonego:

fotoprzewodnictwo – zmiany przewodnictwa materiału przewodnikowego na skutek generacji nośników ładunku (par dziura-elektron lub elektronów z domieszek) w zderzeniach fotonów z węzłami siatki krystalicznej.

efekt fotowoltaniczny – zmiany prądu nasycenia złącza pn na skutek generacji nośników ładunku.

termiczne – zmiany właściwości materiału na skutek pochłaniania ciepła z docierającego promieniowania. Na ogół wykorzystywany jest efekt termistorowy czyli zmian rezystancji pod wpływem temperatury.

λ czułość graniczna długość fali działania detektora: λ = hc/Eg fotoelektryczne termiczne Rys 1: Zależność czułości detektora od długości emitowanej fali

Podstawowe trudności związane z kamerą termowizyjną to konieczność utrzymywania detektora w jak najniższej temperaturze (ze względu na właściwości szumowe i czułość materiałów) i związane z tym stresy termiczne powodujące stopniowe niszczenie konstrukcji kolejnych pikselów (tak zwane martwe punkty)

Sam pomiar jest dość złożony i wymaga ustawienia wielu parametrów: odległości, temperatury otoczenia, emisyjności itp.

Szczególnym utrudnieniem jest właśnie emisyjność (3) wprowadzająca największe błędy do pomiaru. Pomiar wymaga znajomości emisyjności badanej powierzchni co nie zawsze jest parametrem łatwym do zdobycia (emisyjność oblicza się na podstawie porównania obrazu termowizyjnego ciała doskonale czarnego i mierzonego o tej samej temperaturze). Każde ciało szare ma charakteryzujący go współczynnik emisyjności i zdarza się że na jednym obrazie występują ciała różniące się emisyjnością. Pomiary temperatury wymagają wtedy zaawansowanej obróbki danych z wykorzystaniem komputera.

Największą wadą kamery jest to, że sprzęt wysokiej klasy jest bardzo drogi.

Pytania

Co to jest temperatura?

Co to jest termometr?

Jak działają czujniki temperatury oparte na termistorze.

Jak działają czujniki temperatury oparte na złączu PN.

Jak działa termopara? Na czym polega zjawisko Seebecka?

Jak działa kamera termowizyjna?

Jakie są główne zalety i wady kamery termowizyjnej?

Kaminski

2003-07-12T02:45:00