Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu POMIARY ELEKTRYCZNE WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH Kod przedmiotu: ESC00011 Ćwiczenie pt. Badanie przetworników do pomiaru temperatury Numer ćwiczenia WN 3 Opracował: dr inż. Andrzej Gładyszewski dr inż. Ryszard Piotrowski dr inż. Wojciech Walendziuk Białystok 013
1. Wprowadzenie Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z właściwościami dwóch rodzajów przetworników pomiarowych temperatury a mianowicie: termorezystorów i termoelementów Temperatura jest jedną z najczęściej mierzonych wielkości nieelektrycznych. Zakres, w którym jest mierzona w przemyśle, zwiera się w obszarze rozciągającym się od ok. 00 o C do ponad 3000 o C. Tak szeroki zakres mierzonej wielkości, jak i różnorodność celów, warunków oraz wymaganych dokładności pomiarów sprzyjał powstaniu ogromnej liczby różnorodnych przetworników temperatury. Ogólnie dzieli się je na dwie grupy: przetworniki stykowe, (zwane potocznie termometrami) do których należą także termorezystory i termoelementy, pozostające podczas dokonywania pomiarów w bezpośrednim mechanicznym kontakcie z ciałem lub ośrodkiem, którego temperaturę się mierzy, przetworniki bezstykowe (zwane pirometrami) mierzące temperaturę ciała lub ośrodka za pośrednictwem emitowanego promieniowania termicznego. Te ostatnie nie są omawiane i badane w niniejszym ćwiczeniu. Termometry szklane Mimo postępu w technice, termometry szklane odgrywają znaczną rolę nie tylko w życiu codziennym, ale także w technice. Zakresy pomiarowe termometrów napełnionych rtęcią wynoszą od 35 o C do +500 o C. Do pomiaru niższych temperatur, do ok. 00 o C termometry napełnia się cieczami organicznymi (alkohole, pentan, eter). Czułość termometrów dobierać można w bardzo szerokich granicach poprzez zastosowanie odpowiedniego stosunku objętości bańki zawierającej rtęć do średnicy kapilary. Praktyczne granice czułości wynoszą od 0,00 o C na działkę do 10 o C na działkę. Niedokładność wskazań termometrów określa się przy pomocy błędu bezwzględnego dla całego zakresu pomiarowego, a nie przy pomocy klasy dokładności, co uzasadnione jest charakterem źródeł błędów. Na błąd wskazań wpływa niedokładność wykonania skali, zmienność średnicy kapilary (chodzi tu o niejednakową średnicę rurki na całej jej długości), wreszcie błędy wzorcowania. Niedokładności te utrzymuje się przy precyzyjnych termometrach laboratoryjnych zazwyczaj w granicach jednej działki elementarnej.
3 Kropla historii Termorezystory 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 wpływem temperatury) Dla większości metali zależność rezystywności od temperatury opisuje z dostateczną dokładnością następująca zależność, gdzie: T o 1 AT BT CT 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 R o 1 AT BT CT 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: 3 3
4 R R0 T 1 0 1 C 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: R 100 R 100 R 0 0 C 0 1 R 0 R100 R0 100 1 0 1 C 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 Tablica 1 Tablica 1 Metal Zakres zastosowania Rezystywność R typowy graniczny R o C o C m - 100 0 Platyna Nikiel Miedź -00 +850-60 +150-50 +150-50 +1000-60 +180 0,1 0,1 0,017 1,385 1,617 1,46
5 Stosowane w technice przetworniki rezystancyjne temperatury składają się z rezystora termoelektrycznego oraz odpowiedniej osłony. Osłona jest 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. 1031mm, a nawet mniejszych. Rezystory te odznaczają się bardzo małą bezwładnością cieplną. Rezystancją znamionową termorezystora jest jego rezystancja w temperaturze 0 o C. Wynosi ona z reguły 100, jakkolwiek spotyka się i inne wartości znamionowe, np. 10, 5, 50. Charakterystyki przedstawiające zależność rezystancji rezystorów platynowych, niklowych i miedzianych podane są w postaci odpowiednich tablic. Pomiary rezystancji termorezystorów metalowych Ponieważ w przetwornikach termorezystorowych temperatura mierzona przetwarzana jest rezystancję (zmianę rezystancji), zachodzi konieczność dokładnego pomiaru rezystancji (zmian rezystancji). Pomiary rezystancji termorezystorów odbywają się przy pomocy: laboratoryjnych kompensatorów i mostków Wheatstone a omomierzy ilorazowych (tzw. logometrów) mostków niezrównoważonych automatycznych mostków zrównoważonych
6 Nieco historii Termoelementy W roku 181 T. Seebek stwierdził, że w zamkniętym obwodzie składającym się z dwóch różnych metali, o ile miejsca styku tych metali znajdują się w różnych temperaturach, obserwuje się przepływ prądu elektrycznego. A T 1 i T B Ilustracja zjawiska zaobserwowanego przez Seebeka Ilościowe opisanie tego zjawiska było wówczas niemożliwe, gdyż prawo Ohma, stanowiące jego podstawę, zostało sformułowane dopiero w roku 196 przez G.S. Ohma. W roku 1834 I.C.A. Peltier stwierdził, że gdy prąd przepływa przez miejsce złączenia dwóch różnych metali, to zależnie od kierunku przepływu prądu przez złącze, złącze to nagrzewa się lub oziębia, nie uwzględniając oczywiście ciepła Joule a wydzielającego się w każdym przewodzie Q cri. W roku 1854 Lord Kelvin (W. Thomson) doszedł do wniosku, że poza zjawiskami termoelektrycznymi występuje w spoinach, również w pojedynczym przewodzie jednorodnym, na którego długości występuje gradient temperatury, zależnie od rodzaju metalu i kierunku przepływu prądu, następuje wydzielanie się lub pochłanianie ciepła. Zjawisko Peltiera można rozważać jako zjawisko występowania pewnej siły termoelektrycznej na długości poszczególnych przewodów obwodu elektrycznego. Przyczyną zjawiska Peltiera jest różna koncentracja swobodnych elektronów po obu stronach styku dwóch różnych metali w określonej temperaturze. Różnica ta powoduje powstanie w miejscu styku pewnej różnicy potencjałów o wartości zależnej od temperatury. Przyczyną zjawiska Thomsona jest różny stopień zagęszczenia elektronów swobodnych wzdłuż przewodnika, na którego długości występuje pewien gradient temperatury.
7 Zasada działania przetwornika Rozpatrzmy złącze dwóch różnych metali przedstawione na rysunku 1. N 1 N 1 E 1 Rys. 1. Złącze dwóch różnych metali Na złączu (spoinie) dwóch różnych metali powstaje niewielka siła elektromotoryczna E 1. Jest ona skierowana od metalu o większej koncentracji swobodnych elektronów (N 1 ) do metalu o mniejszej koncentracji elektronów (N ). Wartość tej siły elektromotorycznej określa następujący wzór. gdzie: E A1 A kt N1 1 ln e e N A 1, A prace wyjścia elektronów z tych metali e = 1,60 10-19 C (ładunek elektronu) k =1,38 10-3 J/K stała Boltzmanna T temperatura bezwzględna spoiny N 1, N koncentracja swobodnych elektronów w jednostce objętości każdego z metali Termoelement Termoelement tworzą dwie elektrody A, B, nazywane termoelektrodami (rys. ), wykonane z różnych metali (stopów lub czystych metali) zespolonych ze sobą jednym końcem. Miejsce spojenia przybiera najczęściej kształt niewielkiej kuleczki, która stanowi tak zwaną spoinę pomiarową SP. Spoinę pomiarową umieszcza się w miejscu, gdzie mierzona jest temperatura. Jeżeli temperatury T 1, T różnią się między sobą, to między wolnymi końcami termoelementu powstaje siła elektromotoryczna E, nazywana siłą termoelektryczną (w skrócie STE).
8 Przyjmuje ona na ogół niewielkie wartości wynoszące kilka, kilkadziesiąt lub kilkaset miliwoltów. T E T A B OBIEKT BADANY SP T 1 Rys.. Termoelement czyli złącze dwóch różnych metali A, B (np. A jest stopem metali: NiCr; B stopem metali: NiAl) Wartość siły termoelektrycznej E z dobrym przybliżeniem można przyjmować za wprost proporcjonalną do różnicy temperatur ΔT, to znaczy: E k T k ( T 1 T) (1) Gdzie k nazywany jest współczynnikiem czułości termoelementu: E mv k T K Na przykład dla stosowanego w tym ćwiczeniu termoelementu typu K (NiCr NiAl), współczynnik k = 0,041 mv/k. Dla drugiego ze stosowanych w ćwiczeniu termoelementu typu J (Fe-CuNi), współczynnik k = 0,054 mv/k, przy czym 1K = 1 o C. Dokładną zależność siły termoelektrycznej od temperatury odczytuje się z odpowiednich tablic, które udostępnia się ćwiczącym. Zależność (1) pozwala na wyznaczenie temperatury T 1 wewnątrz obiektu badanego, gdy znana jest temperatura otoczenia T : E o T1 T C () k Ostatnia zależność wykorzystywana jest (patrz Tablica ) do wyznaczania temperatury wewnątrz pieca elektrycznego, który w ćwiczeniu występuje w roli obiektu badanego
9 Prawo trzeciego metalu Pomiar siły elektromotorycznej E związany jest z pojawieniem się w układzie trzeciego metalu (oprócz dwóch metali stanowiących termoelement), jakim jest np. miedziane uzwojenie cewki miliwoltomierza magnetoelektrycznego (rys. 3). Na stykach trzeciego metalu z termoelektrodami powstają dodatkowe siły termoelektryczne. Wykazuje się jednak, że nie wpływają one na wartość mierzonej siły termoelektrycznej gdy tylko oba końce trzeciego metalu znajdują się w takiej samej temperaturze. T T 3 E 13 E 3 1 E 1 T 1 Rys. 3. Złącze trzech metali 1,, z metalem trzecim 3, którym jest miedziana cewka miliwoltomierza W omawianym ćwiczeniu wolne końce termoelektrod 1, doprowadzone są bezpośrednio do zacisków miliwoltomierzy (porównaj rys. 4), tak więc układ przedstawiony na rysunku 3 odpowiada pod względem elektrycznym rzeczywistemu układowi pomiarowemu.
10. Przebieg pomiarów Pomiary dokonywane są w układzie, którego schemat przedstawia rysunek 4. G V 1 V MW B PŁ TE1 TE Pt Ni Rt ~U AT W grzejnik PIEC V Rys. 4. Schemat układu pomiarowego V 1, V woltomierze cyfrowe V woltomierz mierzący napięcie zasilające grzejnik pieca MW laboratoryjny mostek Wheatstone a G galwanometr magnetoelektryczny B bateria zasilająca mostek PŁ przełącznik TE1 przetwornik termoelektryczny (NiCr-NiAl) TE przetwornik termoelektryczny (Fe-CuNi)
11 Pt przetwornik rezystancyjny platynowy Ni przetwornik rezystancyjny niklowy Rt termometr rtęciowy mierzący temperaturę otoczenia AT autotransformator laboratoryjny W piecu elektrycznym umieszczone są 4 przetworniki: przetwornik termoelektryczny TE1 typu K (NiCr-NiAl) przetwornik termoelektryczny TE typu J (Fe-CuNi) termorezystor platynowy (Pt) termorezystor niklowy (Ni) Ćwiczący nastawiają przy pomocy autotransformatora napięcie zasilające grzejnik pieca na podstawie dołączonych do ćwiczenia charakterystyk pieca. Wskazana przy tej czynności jest konsultacja ćwiczących z osobą prowadzącą ćwiczenie. Chodzi m. in. o to, aby napięcie zasilające nie było zbyt duże, a co za tym idzie temperatura wewnątrz pieca nie wzrastała zbyt szybko, uniemożliwiając jednoczesne dokonanie wszystkich niezbędnych odczytów i pomiarów w danym punkcie zdejmowanych charakterystyk. Z drugiej zaś strony temperatura pieca nie powinna narastać zbyt wolno z racji ograniczonego czasu trwania ćwiczenia (należy dokonać ok. 0 pomiarów). Pomiary rozpoczynają się w chwili włączenia napięcia zasilającego piec. Od tej chwili należy w równych odstępach czasu (ustalonych wcześniej) dokonywać odczytów wskazań woltomierzy cyfrowych i pomiarów rezystancji termorezystorów przy pomocy mostka Wheatstone a. Ważne jest tu dobre zorganizowanie pracy i podział czynności między poszczególnych członków grupy studenckiej. Wyniki poszczególnych odczytów i pomiarów należy zapisywać w Tablicy. Tablica E1 L.p. E 1 t t o k t o =.. o C 1 E t to k 1 E R Pt R Ni mv o C mv o C 1. 0
1 Objaśnienia do Tablicy t o temperatura otoczenia odczytana ze wskazań termometru rtęciowego E 1 SEM zmierzona woltomierzem V 1, E SEM zmierzona woltomierzem V, k 1 współczynnik czułości termoelementu TE1 k współczynnik czułości termoelementu TE t 1 temperatura wewnątrz pieca zmierzona termoelementem TE1 t temperatura wewnątrz pieca zmierzona termoelementem TE R Pt rezystancja termorezystora platynowego zmierzona mostkiem Wheatstone a R Ni rezystancja termorezystora niklowego zmierzona mostkiem Wheatstone a W sprawozdaniu należy: 1. Wykreślić charakterystyki: E 1 = f(t 1 ) oraz E = f(t ). Na tym samym wykresie narysować charakterystyki na podstawie danych zawartych w odpowiednich tablicach i uznając je za wzorcowe, stwierdzić, który z badanych termoelementów mierzy z mniejszym błędem.. Wykreślić charakterystyki: R Pt = f(t), R Ni = f(t) (jako wartości temperatury t przyjąć wartości t 1, obliczone dla termoelementu TE1) i na ich podstawie wyznaczyć współczynniki temperaturowe rezystancji dla każdego z termorezystorów. Porównać je ze współczynnikami podanymi w literaturze. 3. Określić zakresy, w których charakterystyki można traktować jako liniowe 4. Przedstawić wnioski, jakie nasunęło wykonywane ćwiczenie 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.
13 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. 3. Pytania i zadania kontrolne 1. Omów zasadę działania termorezystorów metolowych.. Omów zasadę działania przetworników termoelektrycznych. 3. Wyjaśnij zjawisko Peltiera, Thomsona, Seebeka. 4. Wymień metody pomiaru rezystancji termorezystorów i omów jedną z nich. 5. Wymień metody pomiaru siły termoelektrycznej i omów jedną z nich. 6. Przyczyny błędów pomiaru temperatury termorezystorami metolowymi. 7. Przyczyny błędów pomiaru temperatury termoelementami. 8. Wymień metody stabilizacji temperatury spoiny odniesienia i omów jedną z nich. 4. Literatura 1. Chwaleba A. i inni Przetworniki pomiarowe wielkości elektrycznych Wydawnictwa PW, Warszawa 1993. Łapiński M. Pomiary elektryczne i elektroniczne wielkości nieelektrycznych WNT, Warszawa 1974 3. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 1994 4. Michalski L. i inni Pomiary temperatury WNT, Warszawa 1986 5. Romer E. Miernictwo przemysłowe PWN, Warszawa 1978