Jste zde

Přehled principů el. měření teploty - 2. díl - bezdotykové

Antonín Vojáček, 30. Červen 2014 - 16:20

Rychlé a bezpečné měření i vysokých teplot se zanedbatelným vlivem samotné měřicí techniky na měřený objekt. To jsou hlavní výhody bezkontaktního / bezdotykového měření teploty. Pojďme se stručně podívat na přehled nejčastěji používaných principů a provedení senzorů k tomu využívaných.

Zatímco v 1. díle byly uvedeny běžně používané principy dotykového měření teploty (viz odkaz http://automatizace.hw.cz/prehled-principu-el-mereni-teploty-1-dil), zde se podobně stručně podíváme na bezdotykové principy měření...

Bezdotykové měření teploty

Bezdotykové měření teploty, tzv. pyrometrie, využívá fyzikálního principu vyzařování infračerveného záření zahřátého objektu. Toto záření je pak zachycováno senzorem (pyrometrem), který ho převede na elektricky měřitelnou veličinu, kterou další elektrické obvody již zpracují obdobně jako u dotykových senzorů. Bezdotykové měření teploty tak z principu umožňuje měřit jen povrchovou teplotu objektu a přímo reaguje na tepelné vyzařování jen té části objektu ve směru, na který je senzor namířen.

Obecné výhody: rychlé měření (v milisekundovém rozsahu), bezpečné měření i vysokých teplot (až do 3 000 °C), zanedbatelný vliv měřicí techniky na měřený objekt, možnost měření pohyblivých objektů, rychlá reakce na změny teploty, lze snímat povrchy těles – tzv. termovize, není riziko kontaminace a vlivu měření na povrch měřeného objektu.
Obecné nevýhody: měřený objekt musí být pro senzor opticky viditelný, optika senzoru musí být chráněna před nečistotami, je možné měřit pouze povrchovou teplotu, chyby měření způsobené nejistotou stanovení emisivity měřeného objektu, prostupností prostředí a odraženým zářením z okolního prostředí.

Blokové schéma měřicího řetězce bezkontaktních (bezdotykových) snímačů teploty

Tepelné senzory infračerveného záření (termoelektrické senzory záření)

Princip: při absorpci fotonů dochází k oteplení citlivé části senzoru a pohlcená energie se vyhodnocuje nepřímo přes dotykové senzory teploty. Samotné principy měření teploty jsou tedy obdobné jako u dotykových teplotních senzorů s tím rozdílem, že zde je teplo přenášeno ve formě infračerveného světla, které se zachytává na světlocitlivé ploše, která se tím zahřívá.

Použití: měření změny teploty tělesa, detekce osob v zabezpečovacích systémech, tzv. PIR čidlo, CCD termovizní systémy, měření infračerveného záření velkých vlnových délek, tzn. nízkých teplot.

Závislost teploty tělesa a vlnové délky jím vyzařovaného infračerveného záření je daná fyzikou vyřazování černého tělesa, která je obecně platná pro všechny bezdotykové senzory teploty.

Typy tepelných infračervených senzorů:

Infračervené termočlánky (Thermopile sensors)
- Princip funkce: citlivá snímací část senzoru je načerněna a někdy obsahuje optiku a zde právě dochází k absorpci zaostřeného infračerveného záření. Snímací plocha senzoru se tím zahřívá a jeho teplota je následně měřena termočlánky.
- Typický měřící rozsah: -100°C až +500 °C dle typu použitých termočlánků a optiky.
- Výroba: sériově řazené termočlánky konstruované jako tenké kovové pásky (0,03 mm) nebo pásky zhotovené technologií tenkých vrstev nebo monolitickou technologií Si. Citlivá část senzoru je načerněna.
- Použití: pro levné a jednoduché bezdotykové měření a vyhodnocování, kde je možné použít standardní elektronické vyhodnocení jako pro klasické termočlánky.

Schématický řez integrovaným termoblokem vyrobeným mnohavrstvou technologií.

Bolometry
- Princip funkce: citlivá snímací část senzoru je načerněna a zde právě dochází k absorpci infračerveného záření a zahřívaní snímací plochy senzoru, jehož teplota je následně měřena změnou vodivosti senzoru při změně zahřátí snímací části (termokonduktivní jev).
- Typický měřící rozsah: vlnové délky infračerveného záření 1,6 až 500 µm = teploty prakticky od -200°C až přes 1500°C
- Výroba: využívá se podobných materiálů jako u odporových senzorů teploty. Nejčastěji tenkovrstvé senzory MgO, MnO, NiO, Ti O₂ atd.

Princip a moderní provedení bolometrického snímače teploty.

Pyroelektrické senzory

Princip funkce: princip je založen na tzv. pyroelektrickém jevu, tj. změně spontánní polarizace při změně teploty. Tím na povrchu materiálu, kam dopadá infračervené záření, vzniká el. náboj, který se dále měří. Tento jev vykazují pyroelektrika s trvalou polarizací a některá feroelektrika, u nichž se orientace vytvoří silným el. polem (např. TGS, PZT keramika, LiTaO₃, PVDF)
Typický měřící rozsah: vlnové délky infračerveného záření 5 až 14 mm = teploty cca -50 až 400 °C.
Výroba: snímač tvoří 2 elektrody (jedna musí být transparentní pro záření) mezi nimiž je pyroelektrikum. Struktura podobná deskovému kondenzátoru. Při změně teploty, dojde ke změně polarizace a na elektrodách se indukuje el.náboj, který se elektronicky dále vyhodnocuje. Základní parametr je pyroelektrický koeficient, který právě udává změnu spontánní polarizace při změně teploty.

Integrované pyroelektrické senzory LIE společnosti InfraTec.

Kvantové senzory infračerveného záření

Princip funkce: využívá se fyzikálních jevů při přímé interakci dopadajících fotonů na strukturu senzoru. Využívá se polovodičových fotodiod a fotovodivostních detektorů pracujících v infračervené oblasti a obvykle v tzv. napěťovém režimu. Pro vysoké nároky odstupu signál-šum (SNR) je nutné senzory chladit.

Výroba: využívá se velkého množství různých polovodičových materiálů, každý pro jiné pásmo vlnových délek infračerveného záření. Trend je využívat přechodu kov-polovodič.

Použití: pro měření infračerveného záření krátkých vlnových délek (do jednotek mm) = měření vysokých teplot v řádu tisíců °C.