Układ pomiaru temperatury termoelementem typu K o dużej szybkości. Paweł Kowalczyk Michał Kotwica

Transkrypt

1 Układ pomiaru temperatury termoelementem typu K o dużej szybkości Paweł Kowalczyk Michał Kotwica

2 Plan prezentacji Fizyczne podstawy działania termopary Zalety wykorzystania termopar Właściwości termoelementu K Założenia projektowe Schemat blokowy Realizacja układowa Layout

3 Kluczowe odkrycia W 1921 T. Seebeck zaobserwował, że w zamkniętym obwodzie składającym się z dwóch różnych metali, o ile miejsca ich styku znajdują się w różnych temperaturach przepływa prąd W 1834 Peltier zaobserwował nagrzewanie lub ochładzanie styku dwóch metali w zależności od kierunku w którym płynie przez nie prąd W 1854 Lord Kelvin (W. Thomson) odkrył, że potencjały na końcach jednorodnego kawałka metalu różnią się gdy końce mają inną temperaturę

4 Podstawy działania termoelementu Działanie termopary opiera się na dwóch kluczowych zjawiskach: Zjawisko Peltiera (występowanie siły termoelektrycznej STE w punkcie złączenia dwóch metali) wynika z różnicy liczby swobodnych elektronów po obu stronach styku metali w określonej temperaturze Zjawisko Thomsona (występowanie STE na całej długości przewodnika) wynika z termicznych ruchów elektronów wzdłuż drutu o różnym gradiencie temperatury

5 Zasada działania Oba powyższe układy generują STE zależną od różnicy temperatury spoiny pomiarowej i temperatury odniesienia (w pierwszym przypadku temperatury złącza, w drugim temperatury spoiny odniesienia)

6 Zasada działania Siła termoelektryczna termoelementu zbudowanego z metali A i B o temperaturach spoin T 0 i T 1 wyraża się wzorem: SEM AB (T 0, T 1 ) = e AB (T 1 ) e AB (T 0 ) gdzie: e AB (T) siła termoelektryczna metali A i B w temperaturze T (uwzględniająca zarówno zjawisko Peltiera jak i Thomsona) W przypadku liniowej aproksymacji wzór upraszcza się do postaci: SEM AB (T 0, T 1 ) = S AB *(T 1 T 0 ) gdzie: S AB współczynnik Seebecka metali A i B

7 Zalety wykorzystania termoelementów Prostota budowy i duża niezawodność Nie wymagają zewnętrznej polaryzacji należy zapewnić jedynie swobodny przepływ prądu Możliwość mierzenia wysokich temperatur Niewielkie rozmiary i co za tym idzie mała pojemność cieplna, mała bezwładność czasowa, mozliwość lokalnego pomiaru temperatury

8 Właściwości termoelementu K (NiCr-NiAl) NiCr elektroda dodatnia, NiAl elektroda ujemna (ulega szybszemu zużyciu niż dodatnia) Zakres temperatur: od -270 C do 1370 C (wg. PN-81/M ) Zakres krótkotrwałej stosowalności: powyżej 1000 C Prawie liniowa charakterystyka termometryczna Współczynnik Seebecka wynosi ok. 42μV/ C

9 Właściwości termoelementu K (NiCr-NiAl) Materiał: nikielchrom-nikielaluminium (85%Ni, 15% Cr 95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si) lub Chromel-Alumel (90%Ni, 10% Cr 94% Ni, 3% Mn, 2% Al, 1% Si) Odporny na atmosferę utleniającą W wyższych temperaturach wrażliwy na atmosferę redukującą i na obecność związków siarki Domieszkowanie poprawia odporność na korozję

10 Charakterystyka termometryczna termoelementu K (NiCr-NiAl) wg. PN-81/M w zakresie długotrwałej stosowalności termoelementu T[ C] E[mV] T[ C] E[mV] T[ C] E[mV] T[ C] E[mV] , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,71

11 Charakterystyka termometryczna termoelementu K (NiCr-NiAl) wg. PN-81/M w zakresie długotrwałej stosowalności termoelementu T[ C] E[mV] T[ C] E[mV] T[ C] E[mV] T[ C] E[mV] , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,27

12 Charakterystyka termometryczna termoelementu K (NiCr-NiAl) wg. PN-81/M w zakresie długotrwałej stosowalności termoelementu 50,000 40,000 30,000 STE [mv] 20,000 10,000 0,000-10, Temperatura [C]

13 Założenia projektowe: Temperatura pracy od -20 C do 300 C Dwa zakresy pomiarowe (w celu poprawy dokładności) Zasilanie z napięcia 3,3V Przystosowanie do działania w niesprzyjających warunkach (temperatura odniesienia)

14 Schemat blokowy

15 Realizacja Układowa

16 Układ kompensacji Kompensacja zimnych końców umożliwia pracę termopary przy temperaturze odniesienia innej od tej podanej w nocie katalogowej Zmiana temperatury wpływa na sygnał z termopary i generuje jednocześnie zaburzenie o tej samej wartości przeciwnie skierowane w układzie kompensacji.

17 Sygnał z LM19 trafia na dzielnik napięcia R1 R2, którego przekładnia jest równa współczynnikowi Seebecke a zastosowanej termopary. Napięcie z R2 odejmowane jest od SEM uzyskanym na termoparze, a skompensowana wartość (o charakterystyce temperaturowej malejącej) odejmowana jest od stałego napięcia, co w efekcie daje na wyjściu charakterystykę rosnącą.

18 Wzmacniacz pomiarowy Skompensowany sygnał jest podawany na wzmacniacz AD8551. Zworka w torze sprzężenia wzmacniacza odpowiada za zmianę zakresu pracy. Po wybraniu zakresu za pomocą zworki, ostatecznej kalibracji wzmocnienia dokonuje się za pomocą potencjometru, tak aby dla górnego końca zakresu wzmacniacz był w nasyceniu. Wtedy pomiar max temp. zakresu będzie skutkował napięciem 3.3 V na wzmacniaczu.

19 Analiza działania układu Pierwszy zakres pomiarowy od -20 do 100 C Na osi X temperatura jest zamodelowana napięciem Warunki idealne (25 C), układ kompensacji nieaktywny Skalibrowany wzmacniacz pracuje w całym zakresie pracy

20 Analiza działania układu Drugi zakres pomiarowy od 100 do 300 C Na osi X temperatura jest zamodelowana napięciem Warunki idealne (25 C), układ kompensacji nieaktywny Skalibrowany wzmacniacz pracuje w całym zakresie pracy

21 Analiza układu kompensacji W celu zbadania pracy układu kompensacji zasymulowane zostało jego zachowanie dla stałej temperatury mierzonej przez czujnik w zakresie zaburzeń wprowadzanych przez zmianę temperatury zimnych końców. Przytoczono po jednym wyniku dla każdego zakresu pomiarowego, odpowiednio dla 0 i 180 C

22

23 Analiza układu kompensacji Układ kompensacji działa jednak nie jest w stanie usunąć całkowicie efektu zimnych końców, jest to konsekwencja nie do końca liniowej ch-ki termopary i bardzo dużych wzmocnień w torze analogowym wymuszonych małymi wartościami sygnału z termopary.

24 Szacunek błędu Zmiana temp odniesienia o 10 C skutkuje szacunkowym błędem w granicach 0,05-0,7 C Na błędu pomiaru wynikająca z kompensacji zimnych końców zależy: -temperatura mierzona (w jakim pkt. ch- ki termopary się znajduje) -wartość i kierunek (± od temp katalogowej dla termopary) zmiany zimnych końców temp

25 Leyout