Pomiary wielkości nieelektrycznych pomiary masy i temperatury

Transkrypt

1 Ćwiczenie 17 Pomiary wielości nieeletrycznych pomiary masy i temperatry Program ćwiczenia: 1. Przygotowanie stanowisa pomiarowego. Waga z czjniiem tensometrycznym Kalibracja wagi wyznaczenie charaterystyi statycznej Ważenie 3. Pomiar temperatry przy pomocy termorezystora 4. Pomiar temperatry termoparą 5. Pomiar różnicy temperatr Wyaz przyrządów: ltimetr cyfrowy Rigol D3051 Platforma wagi PLC 3/6 RADWAG Odważnii: xg, 1x1g lasa: 0.5 Łaźnia wodna z termostatem eletronicznym Termos oraz zlewa laboratoryjna Czteroprzewodowy termorezystor Pt 100 lasy A Zestaw dwóch termopar typ J ze złączami i przewodami ompensacyjnymi lasy 1 Wzorcowy mierni temperatry HI98501 Literatra: [1] Zatorsi A., Rozrt A. iernictwo eletryczne. ateriały do ćwiczeń laboratoryjnych. Wyd. AGH, rypty nr 1190, 1334, 1403, 1585, Kraów, 1990, 199, 1994, 1999 [] Chwaleba A., Ponińsi., iedleci A. etrologia eletryczna. WNT, Warszawa 1979, 1991, 1994, 009 [3] Jellone A., Gąszcza J., Orzeszowsi Z., Rymaszewsi R.: Podstawy metrologii eletrycznej i eletronicznej. Warszawa, PWN 1980 [4] Zatorsi A.: etrologia eletryczna. Ćwiczenia laboratoryjne. Kraów, Wydz. EAIiE AGH 00. rypt nr 13 [5] ichalsi L., Ecersdorf K.: Pomiary temperatry [6] Instrcja obsłgi mltimetr cyfrowego RIGOL serii D3000 [7] Instrcja obsłgi miernia temperatry HI98501 [8] Polsa norma dotycząca pomiarów temperatry: PN 59/ 5385 [9] Polsa norma dotycząca termopar: PN EN [10] Instrcja obsłgi łaźni wodnej [11] Technia pomiarowa,. Tmańsi, WNT, Warszawa 007 [1] Oręgowy rząd iar str. 1

2 Zares wymaganych wiadomości: bdowa i zasada działania czjniów tensometrycznych, właściwości mostów tensometrycznych i sposoby ograniczania wpływ temperatry na wyni pomiar, metody pomiar masy i siły z wyorzystaniem czjniów tensometrycznych, zjawiso termoeletryczne oraz bdowa i zasada działania czjniów termoeletrycznych, bdowa i zasada działania czjniów termorezystancyjnych, właściwości statyczne przetworniów pomiarowych, doładne metody pomiar rezystancji. WAGA: Ćwiczenie można rozpocząć od dowolnego pnt! Jeżeli jedna chcesz zrealizować pomiary temperatry najpierw przygotj stanowiso pomiarowe czyli wyonaj pnt 1. str.

3 1. Przygotowanie stanowisa pomiarowego Ćwiczenie słada się z dwóch części. Pierwsza część dotyczy pomiarów masy, a drga temperatry. W cel wyonania drgiej części ćwiczenia, na począt zajęć należy przygotować stanowiso pomiarowe wg poniższej instrcji. waga! Ponieważ na stanowis znajdją się naczynia z wodą oraz rządzenia eletryczne pod napięciem, należy zachować szczególną ostrożność. 1) Należy sprawdzić, czy na stanowis znajdje się termos z mieszaniną wody z lodem. Jeżeli braje lod, należy zgłosić to prowadzącem ćwiczenie. W cel ograniczenia nagrzewania mieszaniny, termos należy zamnąć. Wyrównanie temperatry wody i lod wymaga czas dlatego pnt ten należy wyonać na począt ćwiczenia. ) Na stanowis znajdje się łaźnia wodna z termostatem. Przed rchomieniem łaźni należy sprawdzić czy w środ znajdje się woda przyrywająca element grzejny oraz wbdowany czjni temperatry. Łaźnię należy włączyć oraz stawić temperatrę termostat na 70 C poprzez przytrzymanie lawisza et na sterowni łaźni [10]. Osiągnięcie temperatry wody 70 C wymaga czas, dlatego pnt ten należy wyonać na począt ćwiczenia. 3) Pomiary z wyorzystaniem termopary należy zweryfiować doonjąc pomiar temperatry mierniiem wzorcowym HI98501 (rysne 1). ierni należy włączyć na począt zajęć, aby staliły się jego parametry pracy. Podczas pomiarów, wsazania tego miernia należy tratować jao wsazania referencyjne. Niepewność pomiar temperatry mierniiem HI98501 wynosi ±0,3 C. Rysne 1 Wzorcowy mierni temperatry HI ) Włączyć ompter. Ze względ na złożoność obliczeń do ich wyonania można żyć arsza waga.xls (tóry znajdje się w atalog CW17). str. 3

4 . Waga z czjniiem tensometrycznym We współczesnych onstrcjach wag pomiar masy realizowany jest pośrednio, poprzez pomiar siły ciężości, z jaą masa oddziałje z ziemsim polem grawitacyjnym. Przetworzenie tej siły na proporcjonalną do niej wielość eletryczną może odbywać się w różny sposób, jedna powszechnie wyorzystje się zjawiso odształcenia materiałów sprężystych pod wpływem działania siły. Powstałe w ten sposób w materiale sprężystym naprężenia są przetwarzane za pomocą czjniów tensometrycznych metalowych lb piezorezystywnych na sygnał eletryczny. Ponieważ względna zmiana rezystancji tensometrów w wagach pomiarowych jest bardzo mała, do jej przetworzenia na sygnał napięciowy stosje się ład rezystancyjnego mosta Wheatstone a. Ze względ na zapewnienie ompensacji wpływ temperatry na wyni pomiar oraz zysanie wystarczającej człości stosje się cztery tensometry odpowiednio nalejone na element sprężysty, a eletrycznie połączone w ładzie pełnego mosta. Jeżeli napięcie zasilania mosta jest stałe, można przyjąć, że napięcie wyjściowe jest liniowo zależne od mierzonej masy. Z tego założenia należy sorzystać podczas alibracji wagi. chemat połączeń przedstawia rysne. Rysne chemat połączeń mosta tensometrycznego wagi Przy stałej wartości napięcia zasilającego moste tensometryczny jego napięcie wyjściowe wy jest liniowo zależne od masy: wy 0 [ V ] (1) gdzie: człość napięciowa wagi, 0 napięcie wyjściowe mosta przy zerowej masie (nieobciążona platforma), masa ważona. str. 4

5 A. Kalibracja wagi wyznaczenie charaterystyi statycznej Celem tego pnt ćwiczenia jest alibracja wagi tensometrycznej. Kalibracja, czyli inaczej wzorcowanie jest to ogół czynności stalających relację między wartościami wielości mierzonej wsazanymi przez przyrząd pomiarowy, a odpowiednimi wartościami wielości fizycznych, realizowanymi przez wzorzec jednosti miary [1]. W przypad wagi tensometrycznej celem alibracji jest stalenie relacji pomiędzy napięciem wyjściowym mosta, a masą alibrjącą o znanej wartości poprzez wyznaczenie człości napięciowej oraz napięcia 0. Na mocy założenia o liniowości charaterystyi statycznej, do jej wyznaczenia wystarczy pomiar w dwóch pntach: bez obciążenia wagi (pomiar 0 ) oraz po obciążeni masą wzorcową (pomiar ). Wyonanie pomiarów: 1) Połączyć ład wedłg schemat z rysn. Napięcie zasilania powinno wynosić 1 V. ) Przy nieobciążonej wadze, zmierzyć napięcie 0 i zanotować wartość w arsz Kalibracja (pli waga.xls). W tabelę wpisać również zares woltomierza RIGOL, na tórym został wyonany pomiar oraz odpowiadające m wartości współczynniów a i b (błęd granicznego). 3) Obciążyć wagę masą alibrjącą (odważnii g+g+1g) i zmierzyć odpowiadające jej napięcie. Wszystie wartości wpisać w odpowiednie pola arsza; na tej podstawie program obliczy człość oraz niepewność jej wyznaczenia dla poziom fności p= ) W sprawozdani zweryfiować poprawność obliczeń wyonanych przez program wg następjącego schemat: Człość napięciową wagi wyznacza się po przeształceni zależności (1): 0 V [ ] g Niepewności typ : b ( ) i b ( 0 ) pomiar napięć i 0 obliczamy ze znanej gr x zależności: x, gdzie gr x 3 jest błędem granicznym wyznaczanym na podstawie zares pomiarowego woltomierza Z RIGOL oraz współczynniów procentowych a i b charateryzjących doładność pomiar: Niepewność wzorca masy wynia z jej lasy (K=0.5): a x b Z gr. 100 gr K 100 gr ( ) 3 Wyznaczone powyżej niepewności cząstowe sładają się na niepewność wyznaczenia człości napięciowej wagi. Zgodnie z prawem propagacji niepewności: 3 X j () j1 X j str. 5

6 gdzie: X j to pochodna cząstowa równania (), liczona względem j tej wielości X j, wchodzącej w sład tego równania: odpowiednio, 0 i ; X j niepewność standardowa typ pomiar wielości X j. Po obliczeni pochodnych otrzymjemy: 0 0 Dla poziom fności p=0.95 współczynni rozszerzania wynosi =; sąd: i ostatecznie wyni pomiar: dla p Pomiar masy przy życi wagi tensometrycznej Celem tego pnt ćwiczenia jest pomiar masy przy życi salibrowanej wagi tensometrycznej. Wyznaczone w poprzednim pncie człość napięciowa oraz napięcie offset 0 jednoznacznie oreślają liniową charaterystyę statyczną wagi. Przeształcając równanie (1) można więc obliczyć wartość mierzonej masy na podstawie pomiar napięcia wyjściowego mosta wy : 0 [ g] (3) wy Wyonanie pomiarów: 1) ład połączeń oraz napięcie zasilania powinno powinny być ja w pncie alibracja wagi. ) Wyonać pomiary dla mas wzorcowych 1 g, g, 3 g. 3) Zmierzyć napięcie wyjściowe mosta. Do arsza Ważenie wpisać wszystie niezbędne wartości. 4) zpełnić tabelę w formlarz sprawozdania i zweryfiować obliczenia przez program wg następjącego schemat: Niepewność pomiar masy oblicza się w analogiczny sposób ja na etapie alibracji wagi, tj. stosjąc prawo propagacji niepewności () do zależności (3). Po obliczeniach otrzymjemy: str. 6

7 str. 7 wy wy 0 0 Dla poziom fności p=0.95 współczynni rozszerzania wynosi =; sąd: i ostatecznie wyni pomiar: p dla

8 3. Pomiar temperatry przy pomocy termorezystora Termorezystor jest jednym z podstawowych czjniów temperatry, tóry możliwia zmianę wielości nieeletrycznej jaą jest temperatra, na wielość eletryczną jaą jest rezystancja. W termorezystorze, rezystancja czjnia zmienia się, ponieważ wraz ze zmianami temperatry zmienia się rezystywność materiał z tórego jest on wyonany [5]. Zależność tą opisje następjący wzór: l R( T) ( T) (3) gdzie: T temperatra, R(T) rezystancja w fncji temperatry T, ρ(t) rezystywność przewodnia, zależna od temperatry T, l dłgość przewodnia, pole przeroj poprzecznego przewodnia. Termorezystory wyonje się zarówno z metali, wówczas wraz ze wzrostem temperatry rezystancja przetwornia wzrasta, ja również z tlenów metali i półprzewodniów dla tórych rezystancja zazwyczaj maleje przy wzroście temperatry. Należy zawsze pamiętać, że na rezystancję termorezystora mierzoną na zacisach słada się rezystancja czjnia ja również rezystancja doprowadzeń oraz wszelich połączeń. Aby wyeliminować wpływ rezystancji doprowadzeń na pomiar stosje się połączenia trójprzewodowe oraz czteroprzewodowe. Czjni temperatry, niezależnie jaiego typ oraz z czego jest zbdowany, zawsze mierzy temperatrę własną. Oznacza to, że czjni msi osiągnąć stan równowagi termodynamicznej z otoczeniem, by można było znać wynii pomiarów temperatry najbliższego otoczenia czjnia za poprawne. Równowaga termodynamiczna osiągana jest po wyrównani temperatry: otoczenia, obdowy czjnia wraz z wszystimi występjącymi po drodze magazynami energii cieplnej oraz samego czjnia (np. platynowego drcia). Dopiero po osiągnięci tego stan mierzony sygnał odpowiada temperatrze najbliższego otoczenia czjnia. posób osiągania równowagi termodynamicznej przez czjni opisje jego charaterystya dynamiczna w postaci transmitancji lb równań różniczowych (patrz ćwiczenie nmer 1). Termorezystory platynowe są szeroo stosowane ze względ na liczne zalety platyny, tóra charateryzje się między innymi: stałymi właściwości fizycznymi i chemicznymi, wysoą temperatrą topnienia, zbliżoną do liniowej charaterystyą R(T) oraz braiem histerezy. Doładny opis właściwości termorezystora platynowego oraz możliwości życia go jao czjnia temperatry opisano w licznej literatrze [1 5] oraz w normie PN EN Termorezystor żywany podczas ćwiczenia posiada wyprowadzone cztery przewody, co możliwia pomiary zarówno metodą dw ja i czteroprzewodową. str. 8

9 Wyonanie pomiarów: Celem tego pnt ćwiczenia jest pomiar temperatry czjniiem PT100. 1) Wyorzystjąc czjni PT100 wyonać pomiary temperatry w termosie (nisa temperatra), i w łaźni (wysoa temperatra). Rezystancję czjnia należy zmierzyć mltimetrem RIGOL metodą dwprzewodową (tryb WR) oraz czteroprzewodową (tryb 4WR dwrotne przyciśnięcie lawisza Ω). Wynii zanotować w tabeli sprawozdania. Wsazówa: Przewody podłączone do jednego ońca czjnia platynowego mają ten sam olor. Oznaczenia oraz schemat znajdją się w pncie 5.4. normy PN EN ) Posłgjąc się tabelą 1 z normy PN EN 60751, należy odczytać odpowiadające rezystancjom R WR oraz R 4WR wartości temperatry. Do wyznaczenia temperatry, tórej nie ma bezpośrednio w tabeli, należy żyć interpolacji liniowej (lb sorzystać z proporcji). 3) Posłgjąc się normą PN EN wyznaczyć błędy graniczne pomiar temperatry dla metody 4WR, a następnie na tej podstawie obliczyć niepewność rozszerzoną pomiar (T 4WR ) dla poziom fności p=0.95. Wsazówa: łąd graniczny gr T 4WR oblicza się na podstawie zależności podanej w normie w tabeli 3. Na tej podstawie należy obliczyć niepewność standardową typ T ońc niepewność rozszerzoną: T T 4WR 4WR, gdzie 3 p. 4WR grt4 WR i w 3 str. 9

10 4. Pomiar temperatry termoparą Termopara, czasem nazywana również termoogniwem lb termoelementem, znajdje szeroie zastosowanie zwłaszcza w przemyśle, dzięi prostej bdowie, szeroim zaresom pomiarowym oraz małej pojemności cieplnej. Termopara jest przetworniiem temperatry, tóry pod wpływem różnicy temperatr generje siłę termoeletryczną. Łącząc w pary różne metale lb stopy metali, można zysać czjnii o różnych zaresach pomiarowych oraz charaterystyach. Do najczęściej stosowanych należą termopara typ J (Fe CNi), typ K (NiCr NiAl) oraz typ T (C CNi). Niepewność pomiar onretnego czjnia oreśla jego lasa doładności [9]. Na przyład dla termopary typ J, w zaresie temperatr od 40 C do 300 C dla lasy 1 błąd graniczny wynosi ±1.5 C, zaś dla lasy jest równy ±.5 C. Podczas zajęć zostaną żyte termopary typ J (lasy 1), oraz mltimetr Rigol D3051 do pomiar siły termoeletrycznej. Termopary znajdją się w szczelnych obdowach metalowych. poina pomiarowa termopary zabezpieczona jest metalową swą. Do połączenia termopar żyto złącz oraz przewodów ompensacyjnych (zbdowanych z taich samych stopów ja termoeletrody). Do oceny poprawności pomiarów temperatry należy żyć miernia HI98501, a jego odczyty tratować jao temperatrę odniesienia (referencyjną). Wyonanie pomiarów Celem tego pnt ćwiczenia jest pomiar temperatry za pośrednictwem termopary pod warniem, że temperatra spoiny odniesienia jest znana. 1) Termopary należy podłączyć do mltimetr zgodnie z rysniem 3 w tai sposób, by możliwy był pomiar siły termoeletrycznej (napięcia). Rysne 3 chemat podłączenia termopar do mltimetr (A, oznaczenia różnych termoeletrod, olorem szarym zaznaczono złącza ompensacyjne) ) poinę odniesienia termopary należy mieścić w termosie w tórym znajdje się woda z lodem. W cel wyrównania temperatry w mieszaninie, przed pomiarem należy ją zamieszać. Temperatra wody z lodem będzie temperatrą odniesienia. str. 10

11 3) poinę pomiarową należy mieścić w łaźni wodnej, w tórej będzie mierzona temperatra T. Wyonać pomiary: siły termoeletrycznej oraz temperatry odniesienia (w termosie) mierzonej mierniiem HI ) Znając temperatrę spoiny odniesienia oraz żywając tablic z normy PN EN :1995 (strona 50), należy wyznaczyć temperatrę spoiny pomiarowej T. Jeżeli to onieczne do obliczenia różnicy temperatr spoin termopary na podstawie wartości siły termoeletrycznej należy sorzystać z interpolacji liniowej (opis znajdje się w pncie 3 instrcji). 4) Posłgjąc się normą PN i wiedząc, że termopara J jest lasy 1, wyznaczyć błędy graniczne pomiar temperatry, a następnie na tej podstawie niepewność rozszerzoną pomiar (T ) dla poziom fności p=0.95. Wsazówa: łąd graniczny gr T oblicza się na podstawie zależności podanej w normie w tablicy 1. Na tej podstawie należy obliczyć niepewność standardową typ T ońc niepewność rozszerzoną: T, gdzie 3 p. T grt i w 3 5. Pomiar różnicy temperatr termoparą 1) poinę pomiarową należy mieścić w łaźni wodnej, natomiast spoinę odniesienia w zlewce z wodą o temperatrze poojowej. ) ierniiem wzorcowym należy zmierzyć i zanotować w tabeli temperatrę wody w zlewce i łaźni. Zmierzyć siłę termoeletryczną E. 3) Na podstawie wartości napięcia E oraz tabel normy PN EN :1995, należy wyznaczyć różnicę temperatr. 4) Następnie należy porównać odczytaną z normy temperatrę z różnicą wsazań obliczoną na podstawie wsazań termometr HI ) Należy sformłować wniosi na temat pomiarów różnicy temperatr. str. 11