Temat nr 3: Pomiar temperatury termometrami termoelektrycznymi

Transkrypt

1 Temat nr 3: Pomiar temperatury termometrami termoelektrycznymi 1.Wiadomości podstawowe Termometry termoelektryczne należą do najbardziej rozpowszechnionych przyrządów, służących do bezpośredniego pomiaru temperatury. Przetwornikami w nich jest zestaw dwóch różnych przewodników połączonych galwanicznie na jednym końcu (tzw. spoina pomiarowa o temperaturze t 1 ) i rozwartych na drugim (tzw. wolne końce o temperaturze t ). Łącznie zestaw ten nazywa się termoparą. Jeżeli pomiędzy spoiną pomiarową, a wolnymi końcami istnieje różnica temperatur (t 1 t ), to wówczas na wolnych końcach powstaje siła termoelektryczna E, proporcjonalna do różnicy temperatur (t 1 -t ) oraz zależna od rodzaju termopary. Pomiar temperatury przy wykorzystaniu termopary jest tym samym pomiarem względnym, bowiem E zawiera informację tylko o t, tzn. o tym o ile temperatura spoiny t 1 różni się od temperatury wolnych końców t 1. Dla wyznaczenia bezwzględnej wartości temperatury wymagana jest znajomość (a więc i niezależny pomiar) temperatury wolnych końców t (tzw. temperatury odniesienia). Najczęściej stosowane termoelemeny zostały przedstawione w poniższej tabeli. temperatura dopuszczalna [ C] rodzaj przeznaczenie długotrwale chwilowo typ S platynorod-platyna (PtRh10-Pt) typ K nikiel-chromnikielaluminium (NiCr-NiAl) typ J żelazo-konstantan (Fe-CuNi) typ T miedź-konstantan (Cu-CuNi) Wzorcowy, kontrolny do wyższych temp Uniwersalny przemysłowy Do średnich temperatur Do niskich temperatur

2 Na termoelektrody stosuje się druty o średnicy od kilkunastu µm do kilku mm znormalizowanej wg PN-6/M-53855, wpływa to na bezwładność cieplną elektrod, ale i na ich wytrzymałość w najtrudniejszych warunkach. Wymagania, jakie spełniają termoelementy to: duża czułość, wysoka temperatura pracy, odporność na wpływy otoczenia, stabilność i powtarzalność właściwości, niska rezystywność, mała nieliniowość. Konstrukcje najprostszych czujników przemysłowych opierają się o elektrody termoelementu (1) umieszczone w płaszczu z ceramicznych rurek izolacyjnych (). Metalowa lub ceramiczna osłona (3) połączona z korpusem (4) stanowi ochronę przed mechanicznymi uszkodzeniami i pozwala dzięki dodatkowej rurze (5) i kołnierzowi (6) na trwałe zamocowanie elementu w wybranym miejscu obudowy pieca bądź innego urządzenia grzejnego. Do zacisków (7) termoelementu poprzez dławik (8) można doprowadzić przewody kompensacyjne lub łączeniowe. Dzięki zastosowanym zabiegom otrzymujemy ochronę przed mechanicznymi i chemicznymi działaniami środowiska, izolację elektryczna, mechaniczną i termiczna zacisków. Układ pomiaru temperatury (termometr termoelektryczny) składa się z: czujnika, zawierającego termoelement (termoparę) układu pomiaru temperatury wolnych końców termoelementu wraz z ewentualnym układem stabilizacji wartości tej temperatury miernika lub rejestratora wielkości elektrycznej (napięcia, siły termoelektrycznej) lub cieplnej (temperatury) - -

3 Temperaturę wolnych końców termoelementu wyznacza się (lub uwzględnia) poprzez: pomiar temperatury otoczenia oddzielnym termometrem (np. rtęciowym) i przyjęciu, iż temperatura wolnych końców jest równa temperaturze otoczenia umieszczenie wolnych końców termoelementu w termostacie, w którym temperatura jest stabilizowana i mierzona. elektroniczną kompensację temperatury zacisków miernika przystawkę korekcyjną W układach pomiaru temperatury wykorzystujących termoelementy jako końcowe mierniki (lub rejestratory) stosuje się: mierniki wyskalowane w o C : o z wewnętrzną kompensację temperatury zacisków o bez wewnętrznej kompensacji temperatury zacisków mierniki wyskalowane w V: o kompensatory o miliwoltomierze o dużej rezystancji wewnętrznej o miliwoltomierze o małej rezystancji wewnętrznej Kompensatory mierzą bezprądowo bezpośrednio siłę termoelektryczną E. Miliwoltomierz o dużej rezystancji wewnętrznej (ponad 10 MΩ) mierzy napięcie praktycznie równe sile termoelektrycznej U E. Miliwoltomierze o małej (rzędu Ω) mierzą napięcie na zaciskach miernika U. Wartość siły termoelektrycznej można wyznaczyć dokonując dwukrotnie pomiaru napięcia: przy bezpośrednio dołączonych do miernika końcach termoelementu U 1, oraz po dołączeniu do takiego układu, równolegle do zacisków, rezystancji równej rezystancji wewnętrznej miernika U. Poszukiwaną siłę termoelektryczną można wyznaczyć z zależności: U1 U E = U U Znormalizowane charakterystyki termometryczne termoelementów są wyznaczane dla różnicy temperatury mierzonej t 1 =t m i temperatury wolnych końców (temperatury odniesienia) równej 0 o C. W układach pomiarowych warunek t 1 =t m jest zawsze spełniony (spoina pomiarowa jest umieszczona w obiekcie, którego 1-3 -

4 temperaturę mierzymy) natomiast warunek t =0 o C jest spełniony tylko w układach z kompensacją temperatury wolnych końców do wartości t =0 o C. Dla wszystkich innych układów temperatura wolnych końców to temperatura otoczenia (t =t ot ) lub inna stabilizowana nastawiona temperatura np. w termostacie (t =t n )). Tym samym, dla układów, w których t =0 o C, mierzona lub obliczona wartość siły termoelektrycznej E m jest równa wartości E odpowiadającej różnicy temperatur t=(t 1-0) o C i może być bezpośrednio (przy wykorzystaniu charakterystyki termometrycznej) zamieniana na temperaturę. Natomiast dla układów, w których t 0 o C, mierzona lub obliczona wartość siły termoelektrycznej E m odpowiada tylko różnicy temperatur (t 1 -t ) i powinna być jeszcze uzupełniona o wartość siły termoelektrycznej E pop odpowiadającej różnicy temperatur (t -0). Wartość E pop można odczytać bezpośrednio z charakterystyki termometrycznej termoelementu. Wówczas t=(t 1 -t )+(t -0)=(t 1-0) o C, a E= E m + E pop. Powyższe odnosi się do wszystkich układów, w których zastosowano miernik dowolnego typu wyskalowany w miliwoltach. Przy zastosowaniu mierników wyskalowanych bezpośrednio w stopniach Celsjusza i nie posiadających samoczynnej korekcji temperatury wolnych końców należy przed rozpoczęciem pomiarów dokonać kalibracji miernika. Polega ona bądź na zapisie w pamięci miernika wartości obowiązującej w danym układzie temperatury wolnych końców, bądź (w przypadku nastaw mechanicznych) na sprowadzeniu wskazań miernika dla E=0 do wartości t 1 =t.. Przebieg ćwiczenia Zadanie: Zmierzyć temperaturę pieca za pomocą termoelemetu termoelektrycznego NiCr-Ni, współpracującego w różnych układach pomiarowych z różnymi miernikami..1. Połączyć układ regulacji temperatury pieca według przedstawionego poniżej schematu. Nastawić napięcie zasilania U 40V i temperaturę nastawy t n podaną przez prowadzącego

5 1 Pt 100 Rys. 1 Schemat układu regulacji temperatury pieca 1 piec wolne końce termelementu (A,B) 3 regulator temperatury 4 spoina termoelementu.. Montować kolejne układy wg. poniższego ogólnego schematu i mierzyć temperaturę pieca. Wykorzystać każdy z 5 omówionych rodzajów mierników, w połączeniu z każdym z możliwych do zastosowania układów pomiaru temperatury wolnych końców termoelementu. A B Układ pomiaru i ew. stabilizacji temperatury wolnych końców C D E F Miernik lub rejestrator Rys. Schemat ogólny układu pomiarowego.3. Wyniki zestawić w tabeli. Przeprowadzić analizę różnic w uzyskanych wartościach temperatury. L.p. miernik układ pomiaru temperatury wolnych końców E m t o C E pop E t 1 =t m o C 3. Literatura 1. Hauser J., Domke K. : Laboratorium elektrotermii, Wyd. PP, skrypt nr Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury, WNT, Warszawa, Rząsa M., Kiczma B.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury, WKiŁ, Warszawa,