POMIARY ELEKTRYCZNE WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH 2

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu POMIARY ELEKTRYCZNE WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH 2 Kod przedmiotu: ES2C Ćwiczenie pt. Badania laboratoryjne czujnika Pt100 Numer ćwiczenia WN 15 Opracował: mgr inż. Adam Idźkowski Białystok 2015

2 Wszystkie prawa zastrzeżone. Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli. 2

3 1. Wprowadzenie Celami ćwiczenia jest zapoznanie studentów z: - cyfrową metodą pomiaru rezystancji, - zastosowaniem źródła prądowego w układach pomiarowych, - istotą pomiaru temperatury przy użyciu termorezystora. 2. Cyfrowy pomiar rezystancji Cyfrowy pomiar rezystancji (Rys. 1) polega na przetworzeniu jej na napięcie stałe. Rezystor o nieznanej rezystancji R X przyłącza się do źródła prądowego. Prąd I tego źródła wywołuje na rezystorze spadek napięcia U X, który mierzony jest następnie przez woltomierz cyfrowy. Zakłada się przy tym, że prąd pobierany przez woltomierz ma pomijalnie małą wartość, wobec tego cały prąd I źródła prądowego, który jest stałym parametrem układu, płynie przez mierzoną rezystancję. Wobec tego założenia rezystancję R X wyznacza się z zależności: (1) I ŹRÓDŁO PRĄDOWE R X I V = 0 U X WOLTO- MIERZ CYFROWY Rys. 1. Idea cyfrowego pomiaru rezystancji. 3

4 3. Źródło prądowe Idealne źródło prądowe jest dwójnikiem, który wymusza prąd o stałym natężeniu I w dołączonym obwodzie, niezależnie od wartości napięcia na jego zaciskach. Rzeczywiste źródło prądowe charakteryzuje się pewną graniczną wartością napięcia wyjściowego a wydajność prądowa I jest w przybliżeniu stała. W układach pomiarowych źródła prądowe w porównaniu do napięciowych są rzadziej stosowane. Realizacja regulowanych źródeł prądowych (zwłaszcza prądu zmiennego) od wielu lat jest poważnym wyzwaniem dla konstruktorów. Źródło musi pracować w dość szerokim zakresie napięcia i musi mieć dużą impedancję, którą łączy się szeregowo z nieznanym obciążeniem. Musi cechować się możliwością regulacji prądu i słabo reagować na zmiany temperatury pracy. Rolę źródła prądowego w ćwiczeniu pełni dwuwyjściowy zasilacz Toellner TOE 8952 (Rys. 2). Rys. 2. Zasilacz Toellner TOE Wybrane parametry tego zasilacza przedstawione są w Tabeli 1. 4

5 Tabela 1. Wybrane parametry zasilacza TOE Napięcie wyjściowe Rozdzielczość napięcia wyjściowego Dokładność ustawienia napięcia wyj. Dokładność pomiaru napięcia wyj. Prąd wyjściowy Rozdzielczość prądu wyjściowego Dokładność ustawienia prądu wyj. Dokładność pomiaru prądu wyj. Stabilność prądu wyjściowego przy zmianie obciążenia w zakresie 0 100% Stabilność prądu wyjściowego przy zmianie napięcia zasilania o ±10% Stabilność temperaturowa prądu wyjściowego 2 x 0-40V 10 mv 0,1%+20mV 0,1%+30mV 2 x 0-10 A 1 ma 0,2%+10 ma 0,2%+15 ma 5,5 ma 0,05 ma 0,1 ma/k 4. Czujniki termorezystancyjne Za początki termometrii rezystancyjnej można uważać rok 1887, kiedy to C.W. Siemens opublikował pracę pod tytułem On the practical measurement of temperature. Termorezystor metalowy stanowi uzwojenie wykonane z metalu (zwykle platyny, niklu, miedzi), nawinięte na kształtce z materiału izolacyjnego. Zasada jego działania polega na zmianach rezystancji przewodnika pod wpływem temperatury. Powstałe w ten sposób zmiany rezystancji są mierzone i stanowią miarę temperatury. Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co ze względu na hamowanie ruchów elektronów powoduje wzrost rezystancji. Głównym powodem zmian rezystancji przewodników jest zmiana ich rezystywności (gdy pominie się zmiany wymiarów przewodu pod 5

6 wpływem temperatury) Dla większości metali zależność rezystywności od temperatury opisuje z dostateczną dokładnością następująca zależność 2 3 T o 1 AT BT CT, (2) gdzie: T oznacza rezystywność w temperaturze T, o rezystywność w temperaturze 0 o C, T temperatura, A, B, C współczynniki. W pewnych zakresach temperatur i dla niektórych metali współczynniki B, C przybierają pomijalnie małe wartości, wobec czego można wtedy przyjąć, że rezystywność jest liniową funkcją temperatury. Rezystancja termorezystora jest opisana zależnością analogiczną do przytoczonej wyżej R T 2 3 Ro 1 AT BT CT, (3) gdzie: R T, R o rezystancje termorezystora odpowiednio w temperaturach T i 0 o C. Zmiana rezystancji termorezystora pod wpływem temperatury jest określona przez tzw. współczynnik temperaturowy rezystancji, określający względną zmianę rezystancji przypadającą na jeden stopień zmiany temperatury R R0 1 T 0 1 C, (4) gdzie: R 0 oznacza rezystancję przewodnika przed zmianą temperatury. Współczynnik ten określany jest w praktyce jako średni współczynnik temperaturowy rezystancji dla zakresu zmian temperatury w granicach od 0 o C do 100 o C, skąd wynika następująca postać jego definicji: 6

7 R 100 R 0 R0 1 R100 R0 1 0 C R C, (5) 0 gdzie: R 100, R 0 rezystancje przewodnika odpowiednio w temperaturach 100 o C i 0 o C Metale stosowane do budowy przetworników rezystancyjnych powinny spełniać następujące wymagania: mieć duży współczynnik temperaturowy rezystancji, dużą rezystywność, co pozwala na konstruowanie przetworników o małym wymiarach, stałe właściwości fizyczne, brak histerezy temperaturowej, łatwość odtwarzania metalu o identycznych właściwościach, co umożliwia wymienność przetworników, odporność na korozję, wysoką temperaturę topnienia, dostateczną wytrzymałość mechaniczną. Metalem najlepiej spełniającym powyższe wymagania jest czysta platyna (Pt). Ponadto do budowy termorezystorów stosuje się nikiel (Ni) i miedź (Cu). Podstawowe parametry tych metali podaje Tabela 2. Tabela 2. Parametry metali stosowanych do budowy rezystorów termoelektrycznych. Zakres zastosowania Rezystywność R Metal typowy graniczny R o C o C m Platyna Nikiel Miedź ,1 0,1 0,017 1,385 1,617 1,426 Stosowane w technice przetworniki rezystancyjne temperatury składają się z rezystora termoelektrycznego oraz odpowiedniej osłony. Osłona jest 7

8 wykonana z materiału dobrze przewodzącego ciepło (np. z metalu) i ma za zadanie chronić delikatny rezystor przed uszkodzeniami mechanicznymi i działaniem czynników chemicznych. Sam rezystor ma najczęściej postać rezystora pałeczkowatego, to znaczy uzwojenia nawiniętego na pręcie lub rurce ze szkła, kwarcu czy ceramiki. Po nawinięciu uzwojenia nasuwa się na nie zewnętrzna rurkę z tego samego materiału co korpus, na którym nawinięto uzwojenie. Stapiając tę rurkę w odpowiedniej temperaturze, powoduje się zalanie zwojów rezystora, co izoluje go od wpływów chemicznych i chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi. Izolację zewnętrzną stanowi w niektórych przypadkach taśma z włókna szklanego lub teflonu, albo lakier. Średnice rezystorów pałeczkowych wynoszą od jednego do kilku milimetrów, a ich długość od kilkunastu do kilkudziesięciu milimetrów. Nowoczesne rezystory termoelektryczne, tzw. cienkowarstwowe, czyli wykonane techniką warstw cienkich, mają znacznie mniejsze wymiary. Są to rezystory platynowe płaskie, napylane na płytki ceramiczne o wymiarach np mm, a nawet mniejszych. Rezystory te odznaczają się bardzo małą bezwładnością cieplną. Rys. 3. Termorezystor cienkowartstowy. Rezystancją znamionową termorezystora jest jego rezystancja w temperaturze 0 o C. Wynosi ona z reguły 100, jakkolwiek spotyka się i inne wartości znamionowe, np. 500,

9 Charakterystyki przedstawiające zależność rezystancji platynowych, niklowych i miedzianych rezystorów w funkcji temperatury podane są w postaci odpowiednich tabel. W Tabeli 3 podano zależność dla rezystora Pt100. Tabela 3. Zależność rezystancji czujnika Pt100 od temperatury wg normy: Czujniki termorezystancyjne najczęściej wykonuje się jako dwu- (klasa tolerancji B) lub czteroprzewodowe (klasa tolerancji A lub B). Optymalną formą połączenia dla czujników rezystancyjnych jest układ czteroprzewodowy (Rys. 4). Wtedy wynik pomiaru nie zależy ani od rezystancji doprowadzeń, ani od ich zmian temperaturowych. Nie wymaga się też kompensacji doprowadzeń. Rezystor dostaje prąd pomiarowy I poprzez zaciski zasilania (końcówki prądowe), a spadek napięcia Ux na rezystorze jest pobierany przez końcówki napięciowe. 9

10 Rys. 4. Połączenie czteroprzewodowe (dwoma przewodami do każdego końca rezystora termometrycznego) stosowane do pomiarów wymagających najwyższej dokładności. W Tabeli 4 przedstawiono dopuszczalne odchyłki temperaturowe rezystora Pt100 według PN-EN A2. Tabela 4. Dopuszczalne odchyłki termorezystora Pt100 w temperaturze T. Klasa tolerancji Tolerancja [ C] A ± B ± 5. Symulator czujników termometrycznych Symulator czujników termometrycznych (Rys. 5) jest czterozaciskowym rezystorem dekadowym o klasie dokładności k= 0,02% umożliwiającym ustawienie rezystancji dla wybranej temperatury z zakresu od -30 do +200 C. Urządzenie to służy do symulacji termorezystora Pt

11 Rys. 5. Symulator czujników termometrycznych (ELAP). 6. Piec kalibracyjny Piec kalibracyjny TC-150 (Rys. 6) umożliwia porównanie temperatury z termometrów stykowych. Temperatura jest ustawiana za pomocą membranowej klawiatury. Na podwójnym wyświetlaczu można odczytać temperaturę właściwą i temperaturę zadaną. Grzejnik temperatury zawiera różne otwory, umożliwiające umieszczenie czujników o różnych średnicach (3 mm; 3,4 mm; 3,7 mm; 4 mm; 5 mm; 6,5 mm). Wybrane dane techniczne: Rozdzielczość pomiaru temperatury 0,1 C Dokładność podstawowa ±0,8 C Napięcie robocze 230 V/AC Masa netto 2,1 kg Zakres kalibracji termometru Od +33 do +300 C 11

12 Rys. 6. Kalibrator temperatury Voltcraft TC Zadania dla studentów pomiary rezystancji czujników Pt100 W Tabeli 5 zamieszczono używany w tym ćwiczeniu sprzęt pomiarowy. Tabela 5. Sprzęt pomiarowy Producent Typ Dwuwyjściowy zasilacz DC TOELLNER TOE Symulator czujników termoelektrycznych ELAP Pt100 Piec kalibracyjny VOLTCRAFT TC-150 Woltomierz cyfrowy UNI-T UT71D Amperomierz UNI-T UT71D 12

13 A. Pomiary rezystancji symulatora czujników termometrycznych Pt100 Kolejność czynności: 1. Zmontuj układ jak na Rys Ustaw zasilacz TOE 8952 w tryb stablilizacji prądu (CC) na wyjściu I, np. 5 ma (zapali się dioda CC w kolorze czerwonym). 3. Ustaw symulator czujnika SCT (T SCT ) na 20 C, odczytaj prąd amperomierza A 1 i napięcie woltomierza V 1. Wyniki dla T SCT od 20 do 200 C wpisz do Tabeli Oblicz rezystancje symulatora R SCT, a rezystancje nominalne R PN przepisz z tabeli wg normy PN-EN A2. 5. Oblicz różnice R SCT R PN. B. Pomiary rezystancji czujnika Pt100 Kolejność czynności: 1. Ustaw zasilacz TOE 8952 w tryb stablilizacji prądu (CC) na wyjściu II, np. 5 ma (zapali się dioda CC w kolorze czerwonym). 2. Ustaw temperaturę pieca kalibracyjnego Voltcraft (T Pieca ) na 20 C, odczytaj prąd amperomierza A 2 i napięcie woltomierza V 2. Wyniki dla T Pieca od 20 do 200 C wpisz do Tabeli Oblicz rezystancje czujnika R Pt100, a rezystancje nominalne R PN przepisz z tabeli wg normy PN-EN A2. 4. Oblicz różnice R Pt100 R PN. 13

14 Rys. 7. Schemat stanowiska laboratoryjnego (A 1,A 2 amperomierze, V 1,V 2 -woltomierze cyfrowe, SCT symulator czujnika Pt100 (ELAP), Pt100 czujnik termorezystancyjny czteroprzewodowy). Tabela 6. Pomiary rezystancji symulatora czujników termometrycznych Pt100. T SCT U 1 I 1 R SC T R PN R SC T -R PN C V ma Ω Ω Ω

15 Tabela 7. Pomiary rezystancji czujnika Pt100. T Pieca U 2 I 2 R Pt100 R PN (k lasa B ) R Pt100 -R PN ΔR PN (k lasa B ) C V ma Ω Ω Ω Ω 20 ±0,16 30 ±0,18 40 ±0,20 50 ±0,22 60 ±0,23 70 ±0,25 80 ±0, ±0, ±0, ±0,48 W sprawozdaniu należy skomentować otrzymane wyniki pomiarów. Określić największą różnicę rezystancji symulatora i czujnika dla zakresu temperatury od 20 do 200 C. Wyjaśnić przyczyny różnic wartości R SCT i R PN. Sprawdzić czy zmierzone wartości rezystancji czujnika Pt100 mieszczą się w granicach odchyłek (błędów) podanych w Polskich Normach (ΔR PN ). Wyjaśnić przyczyny różnic wartości R Pt100 i R PN. Literatura 1. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, WNT Warszawa Rząsa M. R., Kiczma B.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury, Wydaw. Komunikacji i Łączności, Warszawa Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Czujniki platynowe przemysłowych termometrów rezystancyjnych Polskie Normy PN-EN A2. 5. Instrukcja obsługi zasilacza TOELLNER TOE Instrukcja obsługi pieca kalibracyjnego Voltcraft TC

16 Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad. Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń. Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po wyrażeniu zgody przez prowadzącego. Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod napięciem. Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napięciem. Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia. Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia. W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego. 16