Bezkontaktní měření teploty

Úloha se týká měření teploty bezkontaktní metodou. Zdrojem tepla je ztrátový výkon na rezistoru, který se mění změnou napájecího napětí. Následné vyhodnocení, se provádí za pomocí Ohmova zákona. Výstupem je vykreslení grafů naměřených hodnot (závislost teploty na napětí, proudu a odporu), provedení aproximace regresní přímkou a zobrazení rovnice regrese.

Zadání

1. Seznamte se s principem bezkontaktního měření teploty.

2. Výpočtem zjistěte max. dovolený proud rezistorem a max. dovolenou ztrátu.

3. Zapojte obvod s odpory ke zdroji a proveďte měření teploty pro několik hodnot přiloženého napětí ve stanoveném rozsahu (min. 10).

4. Zjistěte závislost mezi teplotou a přiloženým napětím, proveďte aproximaci a vyhodnocení naměřených charakteristik.

Schéma zapojení

Obr. 1 Blokové schéma zapojení

Teoretický rozbor

Termokamera FLUKE Ti25

Je ruční zobrazovací kamera s tepelnou a optickou kamerou s možností snímkování a zobrazování na LCD displeji v rozlišení 640x480. Přenos snímků mezi počítačem a zařízením probíhá pomocí paměťových karet a programu SmartView. Kamera umí ukládat jak v klasických obrázcích, tak ve speciálním formátu s více údaji a možností pokročilé úpravy pomocí programu SmartView. Kamera disponuje rozsahem teplot od -20 °C do 350 °C a při zobrazování lze přepínat množství palet pro vyšší přehlednost.

Obr. 2 Termokamera FLUKE Ti25 [ FLUKE ]

1. LCD displej, 2. Funkční tlačítka, 3. Kryt baterie, 4. Reproduktor, 5. Mikrofon, 6. Čidlo automatického posvícení, 7. Řemen na ruku, 8. Svorka pro napájecí adaptér nebo nabíječku, 9. Prostor pro paměťovou kartu SD, 10. Zasouvací kryt čočky, 11. Optická kamera, 12. Infračervená kamera, 13. Ovládání zaostření, 14. Spoušť.

Pro bezkontaktní měření lze použít také bezkontaktní infračervený teploměr Fluke 566/568 vhodný k měření povrchové teploty: teplovodních potrubí, horkých částí motoru, horkých trubek a izolace, elektrického připojení, předřadníků v elektrických světlometech a podobně.

Infračervené záření

Termokamera využívá k zobrazování tepelné mapy infračervené záření, na které je kamera citlivá. Infračervené záření je elektromagnetické záření s rozsahem vlnové délky od 760 nm do 1 mm (frekvence 300GHz – 400THz), tedy mezi viditelným světlem a mikrovlnným zářením. Měření infračerveného záření se používá zejména ve stavebnictví a údržbě, indikaci zkratů a chyb na DPS apod., ale také například v astronomii. Obecným omylem je, že pouze infračervené záření ukazuje teplo, ovšem, pravdou je, že každé elektromagnetické záření zvyšuje množství energie absorpce na plochu, a tedy i teplo.

Obr. 3 Elektromagnetické záření [ WIKIPEDIA ]

Zapojení obvodu s rezistory

Zapojení obvodu s rezistory je velmi jednoduché. Jedná se o dva rezistory (odpory) zapojené paralelně viz blokové schéma. Mají rozdílnou hodnotu odporu, ale stejné ostatní vlastnosti, viz níže. Pro určení ztrátového výkonu na rezistorech budete potřebovat dva vzorce. Ohmův zákon:

kde I je proud, U je napětí, R je odpor.

A vzorec závislosti odporu na teplotě:

kde R je výsledný odpor rezistoru závislý na teplotě T, R₀ je odpor rezistoru při teplotě T₀ a α je teplotní součinitel elektrického odporu.

Obr. 4 Vlastnosti rezistorů

Postup měření

1. Vypočtěte orientační hodnotu max. dovoleného napětí v závislosti na ztrátovém výkonu rezistoru. Hodnotu tohoto napětí nesmíte při vlastním měření přesáhnout!!!

2. Zapojte obvod s rezistory ke zdroji tak, aby bylo možné upravovat ručně napětí. Dbejte bezpečnosti práce a dobře si rozvrhněte pracoviště, protože v obvodě budou vysoké proudy.

3. Nastavíme nejnižší hodnotu napětí na zdroji, zapíšeme si ji do tabulky a změříme teplotu na odporu. Takhle pokračujeme s co nejvyšším počtem vzorků. Při měření teploty buďte trpěliví, působí zde vyšší dopravní zpoždění při zahřívání. Všimněte si rozdílných teplot u každého odporu.

4. Jakmile máme naměřenou teplotu a napětí, můžeme podle vzorce pro závislost odporu na teplotě, vypočítat odpor na zahřátém rezistoru. Jako T₀ berte teplotu v místnosti a jako R₀ jmenovitý odpor rezistoru, napsáno na těle rezistoru. Dále podle Ohmova zákonu vypočteme z nastaveného napětí i proud a zapíšeme do tabulky.

5. Vynásobením proudu a napětí získáme příkon na rezistoru, který nesmí přesáhnout jmenovitý příkon rezistoru udávaný ve vlastnostech, jinak může dojít k poškození.

6. Jakmile máme všechny potřebné hodnoty zapsány v tabulce, sestavíme graf závislosti napětí-teploty, proudu-teploty.

Obr. 5 Příklad tabulky naměřených hodnot

Kontrolní otázky

1. S jakým maximálním rozsahem teplot disponuje termokamera FLUKE Ti25?

2. Proč nesmíme překročit hodnotu jmenovitého příkonu rezistoru?

3. Napište vzorec pro závislost mezi teplotou a elektrickým odporem?