Projektowanie systemów pomiarowych

Transkrypt

1 Projektowanie systemów pomiarowych 10 Pomiar temperatury wybrane metody 1

2 Pomiary temperatury Skale temperatury: - Celsjusza (1742) uporządkowana przez Stromera (1850) - Ferenheita (1724): t F =32+(9/5)t C t C =(5/9)(t F -32) - Kelvina (1854 Thomson) T K =t C +273,15 Skale były oparte na stałych punktach termometrycznych wody Punkty stałe termometryczne MST-90 2

3 3

4 Termometry rezystancyjne metalowe Wykorzystanie zmiany rezystancji przewodnika pod wpływem temperatury. Nie jest to liniowa zmiana i trudna do wyznaczenia na drodze analitycznej dlatego wyznacza się ją doświadczalnie i przedstawia w rozwinięciu: R T =R 0 (1+αΔT K +β(δt K ) 2 ) lub R T =R 0 (1+αΔT K ) 4

5 Metale z których wykonuje się rezystory termometryczne powinny charakteryzować się : Dużym cieplnym współczynnikiem zmian rezystancji. Duża rezystancją. Wysoką temperatura topnienia. Stałością własności fizycznych w zakresie temperatur stosowania. Brakiem pętli histerezy. Odpornością na korozję oraz wytrzymałością Najważniejszym elementem termometru oporowego z metalu jest cienki drut, najczęściej zwinięty w spiralę i rozpięty na izolatorach. Całość mieści się w dobrze przewodzącej ciepło metalowej obudowie, którą wsuwamy do obszaru mierzonej temperatury. 5

6 Termometry rezystancyjne metalowe najpopularniejszy sensor - PT

7 Najpopularniejszy sensor - PT 100 w różnych obudowach 7

8 Termometry rezystancyjne półprzewodnikowe Termistory R T =R e B/Tk gdzie: R T rezystancja termistora w temperaturze TK R - rezystancja termistora dla TK B stała zależna od materiału termistora (od 2500K do 4600K) Zakres mierzonych temperatur -80 C do 300 C Termometr rezystancyjny z wyświetlaczem cyfrowym 8

9 Termometry półprzewodnikowe są to termometry elektryczne z czujnikiem zawierającym termistor, tranzystor lub diodę. Oporność termistorów najczęściej maleje ze wzrostem temperatury. Niestety żeby uzyskać dokładny przebieg temperatury czujnik termistorowy musi być wzorcowany w większej liczbie punktów termometrycznych. 9

10 Połączenie jednym przewodem do każdego końca rezystora termometrycznego. Układ połączenia stosowany, gdy rezystancja przewodów połączeniowych może być rozpatrywana jako składowa stała w układzie pomiarowym. Również gdy błąd pomiaru spowodowany wpływem rezystancji przewodów przyłączeniowych może być ignorowany. Połączenie jednym przewodem do jednego końca rezystora termometrycznego i dwoma przewodami do drugiego końca rezystora. Układ połączenia przeznaczony do współpracy z urządzeniami zaprojektowanymi z wejściem trzyprzewodowym. Umożliwia kompensację błędu pomiaru wynikającego z rezystancji oraz ze zmian rezystancji przewodów przyłączeniowych. Najczęściej używany układ połączeń przewodów przyłączeniowych. Połączenie dwoma przewodami do każdego końca rezystora termometrycznego. Układ umożliwia dokładną kompensację rezystancji i zmian rezystancji przewodów przyłączeniowych. Stosowany do pomiarów wymagających najwyższej dokładności. Dwa odizolowane od siebie rezystory termometryczne w jednej obudowie z przyłączeniem jednym przewodem do każdego końca rezystora. Stosowany w układach wymagających zabezpieczenia ciągłości pomiaru proces (uszkodzenie obwodu jednego rezystora nie przerywa pomiaru). Układ połączenia nie zapewnia kompensacji rezystancji i zmian rezystancji przewodów przyłączeniowych. Stosowany, gdy rezystancja przewodów przyłączeniowych może być rozpatrywana jako składowa stała w układzie pomiarowym. Również gdy błąd pomiaru spowodowany wpływem rezystancji przewodów przyłączeniowych może być ignorowany. Dwa odizolowane od siebie rezystory termometryczne w jednej obudowie. Przyłączenie każdego rezystora jednym przewodem do jednego końca i dwoma przewodami do drugiego końca. Stosowany w układach wymagających zabezpieczenia ciągłości pomiaru procesu (uszkodzenie obwodu jednego rezystora nie przerywa pomiaru). Umożliwia kompensację błędu pomiaru wynikającego z rezystancji oraz ze zmian rezystancji przewodów przyłączeniowych. Układ połączenia przeznaczony do współpracy z urządzeniami zaprojektowanymi z wejściem trzyprzewodowym. 10

11 Termistor NTC jest nieliniowym rezystorem, którego rezystancja zależna jest silnie od temperatury materiału oporowego. Jak wskazuje angielska nazwa - Negative Temperaturę Coefficient - termistor posiada ujemny współczynnik temperaturowy, czyli rezystancja maleje ze wzrostem temperatury. Charakterystykę R(T) termistorów NTC z wystarczającym w praktyce przybliżeniem opisuje zależność: Rt = Ro exp B (1/T - 1/To) Termistor PTC ma dodatni współczynnik temperaturowy, tzn. jego rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Produkowane są one w podobny sposób jak termistory NTC, ale ich podstawą jest BaTiO3 oraz SrTiO3, które domieszkuje się z różnymi związkami chemicznymi. Poprzez obfite dodanie tlenu w czasie procesu chłodzenia, otrzymuje się silnie dodatni współczynnik temperaturowy. Rezystancja nieco maleje przy niskich temperaturach, ale po przekroczeniu punktu Curie materiału (Tc) - silnie wzrasta. 11

12 Podstawowy układ pomiarowy Wadą tego układu jest wpływ rezystancji przewodów pomiarowych na wynik pomiaru. Dla zniwelowania tego zjawiska stosuje się dodatkową parę przewodów, którymi dokonuje się pomiaru napięcia na czujniku (rys. 2) oraz konieczność kompensowania nieliniowości współczynnika zmiany rezystancji w funkcji temperatury. Dodatkowym czynnikiem zakłócającym pomiar jest zmiana temperatury czujnika spowodowana płynącym prądem przez przetwornik (co powoduje podwyższenie temperatury czujnika). Kolejną wadą jest konieczność stosowania dodatkowych przetworników AD przy podłączaniu do systemów cyfrowych automatyki. Układ z wyeliminowanym wpływem rezystancji przewodów zasilających. 12

13 Typowym układem pomiarowym dla termorezystorów metalowych jest niezrównoważony mostek Wheatstone a. W jednej z jego gałęzi jest umieszczany czujnik. Mostek ten jest zasilony ze źródła napięcia stałego. Napięcie wyjściowe mostka jest funkcją temperatury i może ono zostać poddane przetwarzaniu analogowo-cyfrowemu. Aby dopasować parametry napięcia na wyjściu mostka do wymagań stawianych przez wejścia analogowe przetwornika analogowocyfrowego należy sygnał wyjściowy mostka podać na wejście różnicowego wzmacniacza pomiarowego. Bardzo istotna jest również wartość impedancji wejściowej wzmacniacza. Powinna być ona jak największa. 13

14 Termopara - to połączenie dwóch różnych metali, tak że tworzy się złącze między nimi. Wykorzystuje ona zjawisko Seebecka. Odkryte w 1821 roku przez fizyka niemieckiego (pochodzenia estońskiego) Thomas Johann Seebecka. Materiały wykorzystywane do budowy termoelementów powinny w miarę możliwości posiadać: wysoką temperaturę topnienia, dużą odporność na czynniki zewnętrzne, małą rezystywność, wysoką temperaturę pracy ciągłej, mały współczynnik cieplny rezystancji, niezmienność parametrów w czasie. Główne zalety: nie wymagają zewnętrznego zasilania, niewielkie rozmiary, niska pojemność cieplna, mała bezwładność czasowa, szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości, prostota i niskie koszty wykonania, duża niezawodność. 14

15 Termopara jest to sensor temperatury który zbudowany jest z dwóch różnych metali. Mogą to być pojedyncze pierwiastki, jak miedź i żelazo, albo stopy metali. Dwa druciki zrobione z tych metali lub stopów łączą się w jednym punkcie, jednakże na tym złączy nie wytwarza się potencjał. Potencjał wytwarza się na całej długości przewodników na skutek różnicy temperatur pomiędzy złączem a drugim końcem przewodu. Napięcie wytworzone w ten sposób jest niezależne od rezystancji drutów wykorzystanych do wykonania termopary. Jest to tak zwany efekt Seebecka. Wykorzystuje się fakt iż potencjał wytworzony na druciki zależy od temperatury (i oczywiście od stopu). Możliwy jest pomiary różnicy potencjałów wytworzonych na dwóch różnych drucikach znajdujących się w tej samej temperaturze. Napięcie to będzie proporcjonalne do temperatury. Dokładnie tak jak pokazane jest to na poniższym obrazku. 15

16 SO - Jedna spoina pomiarowa (pojedynczy termoelement), odizolowana od osłony czujnika (od płaszcza). Długi czas odpowiedzi. Stosowana przy pomiarach w przewodzącym ośrodku lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego. SOA - Wspólna spoina pomiarowa obu termoelementów, odizolowana od osłony czujnika (od płaszcza). Długi czas odpowiedzi. Stosowana przy pomiarach w przewodzącym ośrodku lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego. Również w pomiarach wymagających zachowania ciągłości pomiaru temperatury procesu (uszkodzenie jednego obwodu pomiarowego nie przerywa pomiaru). SOB - Dwie odizolowane od siebie spoiny pomiarowe (podwójny termoelement), odizolowane od osłony czujnika (od płaszcza). Długi czas odpowiedzi. Stosowane przy pomiarach w przewodzącym ośrodku lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego. Również w pomiarach wymagających przesłania dwu niezależnych sygnałów do różnych elementów wykonawczych. SP - Jedna spoina pomiarowa (pojedynczy termoelement), połączona (uziemiona) z osłoną czujnika (z płaszczem). Dobry czas odpowiedzi. Spoina pomiarowa odizolowana od chemicznego i mechanicznego wpływu ośrodka. Stosowana w ośrodkach nieprzewodzących. SP - Wspólna spoina pomiarowa obydwu termoelementów, połączona (uziemiona) z osłoną czujnika (z płaszczem). Dobry czas odpowiedzi. Spoina pomiarowa odizolowana od chemicznego i mechanicznego wpływu ośrodka. Stosowana w ośrodkach nieprzewodzących. Również w pomiarach wymagających zachowania ciągłości pomiaru temperatury procesu (uszkodzenie jednego obwodu pomiarowego nie przerywa pomiaru). SE - Spoina pomiarowa eksponowana (nieosłonięta), wyprowadzona poza osłonę czujnika. Najkrótszy czas odpowiedzi. Stosowana w pomiarach szybkich zmian temperatury. Spoina narażona na urazy mechaniczne i nieodporna na wpływy atmosfery korozyjnej. SO2 -Spoina pomiarowa odizolowana od osłony czujnika. Osłona czujnika podwójna. Długi czas odpowiedzi. Stosowana 16 przy pomiarach w przewodzącym, agresywnym ośrodku.

17 TABELA OZNACZANIA TYPÓW TERMOELEMENTÓW.

18 Szczególne wymaganie techniczne oraz specjalne zastosowania np. medyczne, doprowadziły do opracowania termoelementów płaszczowych o niewielkich wymiarach, wysokiej rezystancji izolacji i dużej odporności na agresywne środowisko. Jednolity przewód termoelementu płaszczowego składa się z: dwóch przewodów (termoelektrod) warstwy izolacji - silnie sprasowanego proszku mineralnego (przeważnie tlenek magnezu) płaszcza metalowego zapewniającego osłonę mechaniczną i chemiczną spoiny pomiarowej i termoelektrod. Na jednym końcu termoelektrody są zespawane tworząc spoinę pomiarową (gorący koniec termoelementu). Zaspawany jest również płaszcz termopary od strony spoiny, aby ją odizolować od wpływów zewnętrznych. Drugi koniec termoelementu jest podłączony do przewodu przedłużającego lub kompensacyjnego, bezpośrednio lub poprzez złącze, wtyczka - gniazdo. Dzięki bardzo silnemu sprasowaniu warstwy izolacji i odpowiedniej strukturze metalurgicznej zarówno termoelektrod jak i płaszcza, termoelementy płaszczowe są bardzo giętkie i mogą być wyginane z minimalnym promieniem krzywizny trzy razy większym od ich średnicy zewnętrznej. Przy zachowaniu pewnych środków ostrożności promień zgięcia może być jeszcze mniejszy. Małe średnice zewnętrzne termoelementów umożliwiają pomiar temperatury w miejscach niedostępnych dla czujników rurkowych. 18