Snímače teploty - bezdotykové

Bezdotykové měření teplot je měření povrchové teploty těles na základě elektromagnetického záření mezi tělesem a okolím nebo mezi dvěma tělesy. Při měření se využívá viditelná a infračervená oblast elektromagnetického záření, a to od 0,35 µm do 30 µm, čemuž odpovídá rozsah měřených teplot od -40°C do 10 000°C.

Výhody:

• zanedbatelný vliv měřící techniky na měřený objekt

• možnost měření na rotujících nebo pohybujících se tělesech

• lze měřit (dle typu senzoru) i rychlé změny teploty

• prostřednictvím optiky a případné mechaniky lze realizovat řádkové nebo plošné

• zobrazení povrchové teploty tělesa (např. termovize)

Nevýhody:

• možnost měřit pouze povrchovou teplotu tělesa

• chyby měření způsobené prostupností prostředí a nepřesným stanovením emisivity povrchu

Každé těleso s teplotou vyšší než 0 K vyzařuje do svého okolí infračervené elektromagnetické záření. Měřením intenzity tohoto záření můžeme zjistit teplotu tělesa. Přístroje pracující na tomto principu se nazývají pyrometry. Jedna z možných konstrukcí je ta, že vyzařované záření je dutým zrcadlem soustředěno na termočlánek, který se zahřívá. Vznikající napětí měříme milivoltmetrem. Měřicí rozsah je 50°C až 2000°C.

Rozdělení pyrometrických metod dle spektra vlnových délek

a) Úhrnné pyrometry

• tzv. radiační nebo také pyrometry na celkové záření

• přístroje, které vyhodnocují teplotu dle Stefan-Boltzmannova zákona, tzn. že teoreticky pracují v celém spektru vlnových délek.

• tepelné záření se zaostřuje na senzor soustavou čoček ze speciálních, infračervené záření propouštějících materiálů, nebo se pro zaostření používá zrcadlo.

• jsou cejchovány prostřednictvím absolutně černého tělesa.

b) Pásmové pyrometry

• vyhodnocují záření v určitém rozpětí vlnových délek. Pásmo vlnových délek je dáno spektrální citlivostí kvantového senzoru záření, spektrální prostupností optiky u tepelných a kvantových senzorů a případně zařazených optických filtrů a konečně i spektrální prostupností atmosféry.

c) Monochromatické pyrometry

• pásmové pyrometry, u nichž vyhodnocujeme zář z velmi úzkého pásma vlnových délek.

d) Poměrové pyrometry

• vyhodnocují teplotu objektu na základě poměru dvou různých hodnot, září při dvou různých vlnových délkách.

e) Vícepásmové a dvoumodové pyrometry

• přístroje, které na základě měření teploty spektrálního složení Tp a pásmového měření černé teploty. To pro více vlnových délek eliminují výpočetní technikou chybu poměrových přístrojů.

f) Systémy snímání teplotních obrazců (termovize)

• umožňují převést neviditelné infračervené záření na obrazové signály televizní obrazovky. Termovizní systémy se dělí na systémy s opticko-mechanickým nebo elektronickým rozkladem obrazu. Opticko-mechanické systémy používají kvantových detektorů umístěných v tekutém dusíku nebo v Peltierově kaskádním termostatu. Elektronické systémy pracují s pyroelektrickými senzory, a to buď v uspořádání klasického vidikonu, nebo s přenosem nábojů na CCD registry (princip CCD kamer). Při použití pyroelektrického senzoru je vždy nutné přerušovat tepelný tok.

Senzory infračerveného záření - rozdělení

a) Tepelné senzory

• Při absorbci fotonů dochází k oteplení citlivé části senzoru a pohlcená energie se vyhodnocuje nepřímo přes senzory teploty.

• Nejčastěji se používají termočlánkové baterie, bolometry a pyroelektrické senzory.

Termočlánková baterie

• tenké páskové termoelektrické články (tl. cca 0,3 mm) zapojeny do série. Měřící spoje jsou načerněny.

• bývá umístěna ve vakuové baňce - omezení spektrální propustnosti.

• vyrábějí se technologií tenkých vrstev nebo Si technologií.

Bolometry

• využívají principu odporových senzorů teploty.

• nejčastěji se používají tenkovrstvé odporové senzory z kysličníků niklu, kobaltu atd. nanesené na velmi tenké elektricky nevodivé podložce, která je přilepena na masivní kovový blok.

Pyroelekrické senzory

• založeny na změně spontánní polarizace Ps při změně teploty.

• pyroelektrické jev se vyskytuje u tzv. pyroelektrik s trvalou polarizací nebo u některých fotoelektrik, u nichž se orientace domén vytvoří silným elektrickým polem. Obvykle se používají tyto materiály: TGS (triglycinsulfát), PZT keramika (keramická látka na bázi titaničitanu a zirkoničitanu olovnatého PbTi1-x ZrxO3) atd.

• skládají se ze dvou elektrod, z nichž čelní elektroda musí být transparentní pro infračervené záření. Senzor si lze představit jako kondenzátor, na jehož elektrodách se při změně polarizace v pyroelektriku naindukuje elektrický náboj. Ten odtéká přes svodový odpor a vstupní odpor předzesilovače. Před dalším odměrem je nutné senzor zaclonit a opět odclonit přerušovačem záření.

b) Kvantové senzory

• využívají fyzikálních jevů vznikajících při přímé interakci dopadajících fotonů se strukturou senzoru.

• fotony způsobí uvolnění nosičů náboje a zvětšení jejich pohyblivosti, což má za následek změnu konduktivity materiálu (fotorezistoru).

• fotony způsobí generaci párů elektron - díra v neutrální nebo ochuzené části závěrně polarizovaného přechodu PN, což má za následek změnu závěrného proudu (tzv. odporový režim fotodiody).

• generace párů elektron - díra má za následek pohyb nosičů náboje k elektrodám (tzv. fotonapěťový režim fotodiody).