Ćwiczenie. Elektryczne metody pomiaru temperatury

Transkrypt

1 Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej, Zadanie 36 Przygotowanie i modernizacja programów studiów oraz materiałów dydaktycznych na Wydziale Elektrycznym Laboratorium Akwizycja, przetwarzanie i przesyłanie danych pomiarowych Ćwiczenie Elektryczne metody pomiaru temperatury Instrukcje do ćwiczenia i dodatkowe materiały zmodernizowano przy wykorzystaniu środków otrzymanych w ramach Zadania 36 Programu Rozwojowego Politechniki Warszawskiej Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

2 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych metod pomiaru temperatury w układach, w których temperatura powoduje zmiany właściwości obwodu elektrycznego, a także poznanie budowy i właściwości popularnych czujników temperatury. 1. Pomiary temperatury W pomiarach temperatury możemy wyróżnić trzy podstawowe grupy metod pomiaru, są to: Metody nieelektryczne, w których wykorzystywane jest najczęściej zjawisko zmiany stanu fizycznego lub parametrów fizycznych bądź chemicznych substancji np.: zmiana objętości rtęci proporcjonalna do zmiany temperatury (termometr rtęciowy) Metody radiacyjne, w których temperatura jest określana pośrednio poprzez pomiar promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciało. Pomiaru dokonuje się w zakresie promieniowania podczerwonego i widzialnego. a metoda pomiaru temperatury wykorzystywana jest w pirometrach oraz termowizji. Metody elektryczne, w których wartość temperatury przetwarzana jest na wielkość elektryczną - najczęściej rezystancję lub napięcie. Ze względu na specyfikę ćwiczenia metody elektryczne zostaną omówione bardziej szczegółowo. Czujniki do pomiarów temperatury można klasyfikować jako czujniki parametryczne (czujniki rezystancyjne) i czujniki generacyjne (termoogniwa). 2. Czujniki rezystancyjne W czujnikach rezystancyjnych wykorzystuje się odwracalne zmiany rezystancji materiału następujące pod wpływem zmian temperatury. W zależności od materiału, z którego są wykonane czujniki, możemy je podzielić na dwie grupy: ermorezystory metalowe, w których wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji, ermorezystory półprzewodnikowe (termistory), w których wraz ze wzrostem temperatury rezystancja może spadać (najczęściej wykorzystywane) lub rosnąć. W termorezystorach metalowych zmianę rezystancji w funkcji temperatury można opisać zależnością : 2 n [ + a + a + a n ] R = R K + (1) gdzie: R rezystancja w temperaturze R 0 rezystancja w temperaturze =0K a n stałe określane doświadczalnie Dla temperatur bliskich 0 o C wzór (1) można zredukować do funkcji liniowej i zapisać go wzorem: R = R0 ( 1+ α ) (2) gdzie α - temperaturowy współczynnik rezystancji [(Ω/Ω)/ o C] lub [ o C -1 ]. Dla metali współczynnik zmienia się od 0,0035 o C -1 0,007 o C -1. Metale z których wykonywane są termorezystory powinny cechować się: Dużym temperaturowym współczynnikiem zmian rezystancji α Dużą rezystancją co umożliwia wykonanie czujników o małych wymiarach Wysoką temperaturą topnienia Stałością parametrów fizycznych i chemicznych w zakresie temperatur pomiarowych Brakiem histerezy funkcji przetwarzania Odpornością na korozję str. 2

3 Łatwością obróbki Najczęściej wykorzystywanymi termorezystorami są: ermorezystory platynowe zakres pomiarowy -200 o C +850 o C, duża stałość parametrów i własności fizycznych, odporność na korozje, dobra ciągliwość ermorezystory niklowe zakres pomiarowy -60 o C +180 o C, duża odporność na korozję i działanie związków chemicznych ermorezystory miedziane zakres pomiarowy 0 o C +150 o C, nieco mniej popularny Rys. 1. Charakterystyka przetwarzania termorezystorów w zakresie od 0 o C do 100 o C ermorezystor wykonywany jest najczęściej jako drut oporowy nawinięty na ceramiczny karkas i pokryty zalewą ceramiczną. Wersje termorezystorów: Pt 100, Ni 100, Cu 100, oznaczają że ich rezystancja w temperaturze 0 o C wynosi 100,00Ω, Charakterystyki statyczne czujników są znormalizowane i zawarte w normie PN-83/M-53852, w ograniczonym zakresie przedstawione są na rysunku 1 Przy pomiarach z użyciem termorezystorów należy pamiętać że płynący przez nie prąd powoduje efekt samonagrzewania, co może być przyczyną dodatkowych błędów pomiaru. W specyfikacji czujnika producent podaje maksymalną moc lub maksymalny prąd pomiarowy dla danego termorezystora, którego przepływ powoduje pomijalnie mały błąd. Zwykle prąd ten wynosi kilka miliamperów (max 10 ma). Dopuszczalny prąd można obliczyć ze wzoru: I p max ϑ R max = (3) A gdzie: ϑmax - dopuszczalna wartość błędu samonagrzewania R rezystancja termorezystora w temperaturze A stała odprowadzania ciepła [mw/k], zależna od rodzaju termorezystora i otocznia w jakim pracuje termorezystor. ermorezystory półprzewodnikowe, inaczej zwane termistorami, wykonywane są z proszków tlenków: żelaza, manganu, niklu, miedzi, tytanu, kobaltu, spiekanych w temperaturze rzędu 1000 o C. Zaletą termistorów w porównaniu z termorezystorami metalowymi jest bardzo duży temperaturowy współczynniki zmian rezystancji rzędu 3 4%/K oraz bardzo duża rezystywność. Rozróżniamy dwa rodzaje termistorów: PC positive thermal cofficient o dodatni współczynniki temperaturowym (rys 2.a) NC negative thermal cofficient o ujemnym współczynniku temperaturowym (rys. 2.b) str. 3

4 Ze względu na ograniczony zakres przetwarzania, termistory PC nie zyskały dużej popularności i są stosowane głownie jak sygnalizatory zmiany temperatury. Powszechne zastosowanie znalazły termistory typu NC. Zależność rezystancji termistora NC od temperatury można opisać wyrażeniem: 1 1 B R (4) 0 = R e 0 gdzie: R rezystancja w temperaturze R 0 rezystancja w temperaturze odniesienia 0 B - stała zależna od materiału termistora [K] Dla termistorów współczynniki α = (-2 [%/K] -6 [%/K]) R[Ω] a) PC b) NC R[Ω] [ 0 C] Rys. 2. Charakterystyki przetwarzania termistorów [ 0 C] Oprócz nieliniowości charakterystyki wadami termistorów są: rozrzut wartości R 0 i B dla identycznych serii elementów oraz niestałości powyższych wartości w czasie (do 3% w skali roku). Najbardziej stabilne pod tym względem są termistory perełkowe pokryte szkłem. Roczna zmian rezystancji nie przekracza 0.25%. Dzięki dużej rezystywności i dużemu α termistory mogą być miniaturyzowane i umożliwiają punktowy pomiar temperatury. Wymiary tych termistorów nie przekraczają kilku milimetrów. ypowy zakres pracy termistorów zawiera się w granicach -100 o C o C. Dopuszczalny prąd można, podobnie jak dla termorezystorów metalowych, obliczyć z wzoru (3). 3. ermoogniwa (termopary) ermoogniwo jest czujnikiem zbudowanym z połączenia dwóch różnych prętów metalowych (rys. 3). Połączenie takie powoduje powstanie na otwartych końcach różnicy potencjałów (siły elektromotorycznej) zależnej od temperatury punktu złączenia oraz od rodzaju metali użytych do budowy termoogniwa. Metal A Ε 1 2 Metal B Rys. 3. Schemat termoogniwa str. 4

5 Wyjściowa siła elektromotoryczna (zwana też siłą termoelektryczną) powstaje w wyniku występowania dwóch zjawisk: Zjawiska Peltiera opisującego mechanizm powstania różnicy potencjałów, wynikającej z pojawienia się swobodnych elektronów na styku dwóch różnych metali (A, B), o wartości zależnej od temperatury styku. Wartość tej siły E p można opisać wzorem: k NA AA AB E p = ln (5) e N e gdzie: k stała Boltzmanna (1.38*10-23 J/K) temperatura punktu styku metali [K] e elementarny ładunek elektronu (1,6 *10-19 C) A A, A B prace wyjścia elektronów z metali A i B N A, N B koncentracja swobodnych elektronów w metalach A i B. Zjawiska homsona opisującego powstanie siły termoelektrycznej w przewodzie, którego końce znajdują się w dwóch różnych temperaturach 1 i 2, na skutek różnicy zagęszczenia elektronów swobodnych wzdłuż takiego przewodnika. Można to zapisać w sposób następujący: gdzie σ - współczynnik homsona [µv/k] E B 2 = σ σ d = ( ) (6) 2 1 Wypadkowa siła termoelektryczna może zostać opisana wzorem: gdzie c stała materiałowa zależna od rodzaju metali A i B. 1 k N A E = ln + σ A σ B ( 1 2 ) = c( 1 2 ) e N (7) B Ze wzoru 7 wynika co prawda liniowa zależność siły termoelektrycznej od różnicy temperatur, ale w praktyce tak nie jest i stosując termoogniwo do pomiaru temperatury zakłada się stałość temperatury jednego z końców, przyjmując jego temperaturę jako temperaturę odniesienia. Dzięki temu siła termoelektryczna jest funkcją temperatury mierzonej. Jednak praktycznie chcąc wykonać taki pomiar trzeba do obwodu wprowadzić przyrząd pomiarowy, którego przewody wykonane są z innego metalu C. Sytuacja ta powoduje powstanie dwóch dodatkowych termoogniw. Jednak, gdy oba końce przewodu z metalu C są w tej samej temperaturze, wypadkowa siła termoelektryczna zależy tylko od obwodu metali A i B. Właściwość ta nosi nazwę prawa trzeciego metalu. Realizując praktyczny pomiar temperatury z wykorzystaniem termoogniwa należy rozważyć następujące problemy: Odpowiedni dobór metali oraz konstrukcji mechanicznej złącza Ustanowienie temperatury odniesienia Sposób pomiaru siły termoelektrycznej W tabeli 1 przedstawione są zakresy pomiarowe popularnych termoogniw, oznaczenia oraz metale użyte do konstrukcji. str. 5

6 abela 1 ermoogniwa - zakresy i oznaczenia Czujniki temperatury przeznaczone do pracy w warunkach przemysłowych umieszczane są najczęściej w obudowach przedstawionych na rysunku 4 Rys. 4 Czujnik temperatury w obudowie przemysłowej 4. Realizacja ćwiczenia W ćwiczeniu należy zbadać właściwości i wyznaczyć charakterystyki przetwarzania 4 czujników temperatury, którymi są: ermorezystor metalowy Pt 100 ermorezystor metalowy Ni 100 ermistor NC ermoogniwo Ustalić z prowadzącym czy istniej możliwość wyznaczenia wszystkich charakterystyk jednocześnie, czy należy każdą charakterystykę wyznaczyć w osobnym cyklu nagrzewania Wyznaczenie charakterystyki przetwarzania termorezystora Pt 100 Umieścić badany czujnik w układzie pomiarowym (mostek Wheatstone a), pamiętając o doborze odpowiednich kabli łączeniowych Umieścić termorezystor w łaźni wodnej 4.2. Wyznaczenie charakterystyki przetwarzania termorezystora NI 100 Umieścić badany czujnik w układzie pomiarowym (mostek Wheatstone a), pamiętając o doborze odpowiednich kabli łączeniowych str. 6

7 Umieścić termorezystor w łaźni wodnej Narysować charakterystyki przetwarzania obu termorezystorów (Pt 100 i Ni 100) na jednym wykresie przeanalizować wyniki Wyznaczenie charakterystyki przetwarzania termistora NC Umieścić badany czujnik w układzie pomiarowym (mostek Wheatstone a), pamiętając o doborze odpowiednich kabli łączeniowych Umieścić termistor w łaźni wodnej Narysować charakterystykę i przeanalizować wyniki 4.5. Wyznaczenie charakterystyki przetwarzania termoogniwa Umieścić badany czujnik w układzie pomiarowym Zapewnić stałość temperatury punktu zacisków termoogniwa z zaciskami woltomierza Umieścić termoogniwo w łaźni wodnej Narysować charakterystykę i przeanalizować wyniki We wnioskach końcowych: Przeanalizować otrzymane wynik i charakterystyki wszystkich czujników. Zastanowić się nad rzeczywistymi możliwościami zastosowania danych czujników w przemyśle, medycynie, pomiarach środowiskowych str. 7