POMIARY TEMPERATURY 1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiaru temperatury oraz wyznaczenie charakterystyk wybranych czujników temperatury (NTC, PTC, PT100, LM35, termopara typu K). 2. Przebieg ćwiczenia. Należy dokonać pomiarów wielkości przedstawionych w dalszej części instrukcji. Do zasilania czujnika LM 35 wykorzystać napięcie 5V z zasilacza stanowiska. Zwrócić szczególną uwagę na wybrany zakres pomiarowy i wielkość mierzoną przyrządów przy naprzemiennym pomiarze rezystancji i napięcia. 3. Pomiar temperatury. Realizacja pomiaru temperatury może odbywać się z wykorzystaniem metod dotykowych (konieczny jest prawidłowy kontakt czujnika z przedmiotem) oraz bezdotykowych (pomiar parametrów promieniowania emitowanego przez ciało - pirometria). W zależności od wykorzystanych do pomiaru własności fizycznych czujnika pomiarowego, wyróżnić można: Czujniki generacyjne: o wytwarzania napięcia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w różnych temperaturach, Czujniki parametryczne o zmiany rezystancji elementu (termistor), o zmiany objętości cieczy, gazu lub długości ciała stałego, o zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor pod wpływem temperatury, o zmiany parametrów złącza półprzewodnikowego o odkształcenia bimetalu, o stożki Segera. W przypadku automatycznego pomiarów temperatury do celów regulacji procesów najszerzej znajdują zastosowanie pomiary z wykorzystaniem pomiaru zmian rezystancji oraz napięcia termopary. Coraz powszechniej wykorzystywane są również scalone czujniki temperatury jak analogowy LM35 czy cyfrowy DS18B20. 3.1 Termopara to złącze dwóch różnych metali, na którym powstaje napięcie zależne od różnicy temperatury miedzy zimnymi i gorącymi końcami. Współczynnik temperaturowy jest rzędu 40-50 µv/ C. Zakres pracy od -270 C do ok+2000 C. Spoiny termopar wykonuje się najczęściej przez spawanie, a rzadziej lutowanie, zgrzewanie czy skręcanie i zwalcowywanie. Materiały stosowane na termoelementy powinny wykazywać następujące cechy: wysoka temperatura topnienia, wysoka dopuszczalna temperatura pracy ciągłej, duża odporność na wpływy atmosferyczne, możliwie mała rezystywność, mały cieplny współczynnik rezystancji, stałość parametrów w czasie. Działanie termopar opiera się na zjawiskach Seebecka, Peltiera i Thomsona. Największą rolę odgrywa zjawisko Seebecka, 1
które polega na powstawaniu siły elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o różnych temperaturach, w zamkniętym obwodzie. Typowe charakterystyki dla temperatury odniesienia 0 C przedstawione są na wykresie: Przykładowy układ do pomiaru temperatury za pomocą termopary: Wartość mierzonego napięcia zależy od różnicy temperatur obu złącz E=f(T1-T2). Pomiar bezwzględny temperatury jest możliwy za pomocą termopar tylko wtedy, gdy temperatura zacisków odniesienia jest znana, np. złącze odniesienia umieszcza się w stałej temperaturze (np. 0 C woda+lód). W specjalizowanych listwach pomiarowych, do określenia temperatury zimnych końców, stosuje się zazwyczaj rezystancyjny czujnik temperatury. Należy zwrócić uwagę na podłączenie układu pomiarowego. W miejscu styku Cu oraz przewodów termopary również powstaje siła termoelektryczna, która ma wpływ na wynik pomiaru. W takim przypadku konieczne jest utrzymanie stałej temperatury między miejscem połączenia przewodów przyrządów pomiarowych a termoparą. Rozwiązaniem jest stosowanie specjalizowanych listew pomiarowych, których zaciski wykonane są z materiałów, które nie powodują powstawania siły termoelektrycznej oraz zapewniają pomiar temperatury zimnych końców. 2
Zakresy pracy i tolerancje poszczególnych typów termopar Termoelement Typ Maksymalna temperatura pracy Fe-CuNi J 750 C Cu-CuNi T 350 C NiCr-NiAl K 1200 C NiCr-CuNi E 900 C NiCrSi-NiSi N 1200 C Pt10Rh-Pt S 1600 C Pt13Rh-Pt R 1600 C Pt30Rh-Pt6Rh B 1800 C Klasa tolerancji PN-EN 60584-2 Klasa 1-40 do +750oC: ± 0.004 x t Klasa 2-40 do +750 oc: ± 0.0075 x t Klasa 1-40 do +350oC: ± 0.004 x t Klasa 2-40 do +350 oc: ± 0.0075 x t Klasa 3-200 do +40 oc: ± 0.015 x t Klasa 1-40 do +1000oC: ± 0.004 x t Klasa 2-40 do +1200 oc: ± 0.0075 x t Klasa 3-200 do +40 oc: ± 0.015 x t Klasa 1-40 do +800oC: ± 0.004 x t Klasa 2-40 do +900 oc: ± 0.0075 x t Klasa 3-200 do +40 oc: ± 0.015 x t Klasa 1-40 do +1000oC: ± 0.004 x t Klasa 2-40 do +1200 oc: ± 0.0075 x t Klasa 3-200 do +40 oc: ± 0.015 x t Klasa 1-0 do +1600oC: ± [ 1 + ( t 1100 ) x 0.003 ] Klasa 2-40 do +16000 oc: ± 0.0025 x t Klasa 1-0 do +1600oC: ± [ 1 + ( t 1100 ) x 0.003 ] Klasa 2-40 do +16000 oc: ± 0.0025 x t Klasa 2 +600 do +1700 oc: ± 0.0025 x t Klasa 3 +600 do +1700 oc: ± 0.005 x t Wartość siły termoelektrycznej µv dla termopary K i temperatury odniesienia 0 C C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-200 -5891-6035 -6158-6262 -6344-6404 -6441-6458 x x -100-3554 -3852-4138 -4411-4669 -4913-5141 -5354-5550 -5730-0 0-392 -778-1156 -1527-1889 -2243-2587 -2910-3243 +0 0 397 798 1203 1612 2023 2436 2851 3267 3682 100 4096 4509 4920 5328 5735 6138 6540 6941 7340 7739 200 8138 8539 8940 9343 9747 10153 10561 10971 11382 11795 300 12209 12624 13040 13457 13874 14293 14713 15133 15554 15975 400 16397 16820 17243 17667 18091 18516 18941 19366 19792 20218 500 20644 21071 21497 21924 22350 22776 23203 23629 24055 24480 600 24905 25330 25755 26179 26602 27025 27447 27869 28289 28710 700 29129 29548 29965 30382 30798 31213 31628 32041 32453 32865 800 33275 33685 34093 34501 34908 35313 35718 36121 36524 36925 900 37326 37725 38124 38522 38918 39314 39708 40101 40494 40885 1000 41276 41665 42053 42440 42826 43211 43595 43978 44359 44740 1100 45119 45797 45873 46249 46623 46995 47367 47737 48105 48473 1200 48838 49292 49565 49926 50286 50664 51000 51355 51708 52060 1300 52410 52759 53106 53451 53795 54138 54479 54819 x x Tolerancja dla termopary J (do 750 C) i K wykonanej w 1 i 2 klasie.. 3.2 Pomiar temperatury rezystorami termometrycznymi i termistorami sprowadza się do pomiaru zmian rezystancji wywołanych zmianą temperatury. Stosowane są różne metody (ilorazowa, kompensacyjna, mostka zrównoważonego i niezrównoważonego) w zależności od wymaganej dokładności pomiaru. 3
Pomiar rezystancji metodą kompensacyjną polega na pomiarze spadku napięcia na rezystorze termometrycznym R i porównaniu go ze spadkiem napięcia na rezystorze porównawczym. Zaletą tej metody jest zupełna niezależność pomiaru od rezystancji przewodów łączących czujnik z przyrządem (stosowana wtedy, gdy rezystancje przewodów doprowadzających są znaczne i jest wymagany bardzo dokładny pomiar temperatury). Schemat zrównoważonego mostka Wheatstone'a przedstawiony jest na rys.1, gdzie R jest rezystancją czujnika temperatury, a R1,R2, R3 stanowią elementy mostka, a potencjometr P służy do jego równoważenia. Mostek znajduje się w równowadze, gdy napięcie przekątnej Ug = 0V. Warunek równowagi mostka. R1 R2 = R3+ r3 R + r w zależności od wybranego czujnika temperatury jego wartość zmienia się od Rmin do Rmax. Należy dobrać wartość potencjometru P tak aby możliwe było zrównoważenie mostka w całym zakresie pomiarowym tzn. spełnione były równania: R1 R2 = R3 R min+ P R1 R2 = R3+ P R max a w rezultacie: R R R R R R P = + + + 2 2 ( min 3) ( min 3) 4 3 max Rezystor wyrównawczy można wprost wyskalować w stopniach temperatury. Zaletą równoważonych mostków do pomiaru temperatury jest niezależność ich wskazań do zmian napięcia zasilającego i zmian temperatury otoczenia (przy założeniu, że rezystory R1, R2, R3,r, są wykonane z manganinu). Mostek wymaga równoważenia, które może być przeprowadzane ręcznie lub w sposób zautomatyzowany. W praktyce stosowane są czujniki wykonane z platyny (Pt, duża stałość własności fizycznych, odporność na korozję, -250 1000 0 C), niklu (Ni, względnie duży współczynnik temperaturowy, duża odporność na działanie związków agresywnych i utlenianie, duża 4
nieliniowość charakterystyki powyżej 350 0 C, -60 180 0 C), miedzi (Cu, niewielkie rezystancje, szybkie utlenianie -50 150 0 C) oraz stopy żelaza i niklu (Ni/Fe) o rezystancjach w temperaturze 0 C 100, 1000Ω. Materiał czujnika powinien cechować się: - dużym współczynnikiem temperaturowym zmian rezystancji, - dużą rezystywnością umożliwiającą wykonanie czujników o małych wymiarach, - odpornością na korozję, - wysoką temperaturą topnienia, - stałością właściwości fizycznych i chemicznych w wykorzystywanym zakresie temperatury, - łatwością obróbki mechanicznej ( ciągliwością i wytrzymałością ), - brakiem histerezy, ciągłością funkcji przetwarzania, - powtarzalnością podstawowych parametrów czujników wykonanych z tego samego materiału. Przykładowe charakterystyki zmian rezystancji dla poszczególnych materiałów przedstawione są na rysunku: Współczynnik temperaturowy oraz zakres pracy dla metalowych czujników rezystancyjnych przedstawione są w tabeli. Materiał Pt Ni Cu Ni/Fe (70/30) A Ω/Ω/ C 0.00385 0.003923 0.0067 0.0043 0.0051 Zakr. pracy C 200 do 850 40 do 300 73 do 149 46 do 343 Opis Najlepsza dokładność i stabilność, niemal liniowa charakterystyka, najszerszy zakres temperatur, duża rezystywność: dostępne w wersjach 100, 200, 500, 1000Ω przy 0 C (Pt100 Pt1000); Najwyższy współczynnik temperaturowy, gorsza stabilność niż Pt. Po przekroczeniu punktu Curie (352 C) nieprzewidywalna histereza. Tani klimatyzacja, sprzęt AGD Najbardziej liniowa charakterystyka, mały zakres temperatur. Bardzo niska rezystywność. Stosowane rzadko. Przeważnie wykorzystują już istniejące uzwojenia (np. w silnikach i generatorach) Wysoki współczynnik temperaturowy. Tańsze niż Ni. Szerszy zakres temperatur. Dokładność pomiaru temperatury czujnikami rezystancyjnymi uzależniona jest od klasy czujnika. Norma IEC 751 określa błąd dla: T = ± 0.15 + 0.002 T dla 2- i 3-przewodowych w zakresie -200 C do 650 C, klasy A ( ) klasy B T ( 0.30 0.005 T ) = ± + w całym zakresie pomiarowym. 5
Graficzne przedstawienie tolerancja dla rezystancyjnych czujników temperatury PT100 wykonanych w klasie A i B zamieszczone jest na rysunku. W czujnikach rezystancyjnych metalowych zmiany rezystancji można opisać wzorem: R = R + a T + a T + + a T T 2 n 0(1 1 2... n ) gdzie: R T rezystancja w temperaturze rezystora T R 0 rezystancja rezystora w temperaturze odniesienia a 1 - a n stałe wyznaczane doświadczalnie Dla temperatur bliskich 0 C wzór można zapisać jako zależność liniową: R (1 ) T = R0 + αt gdzie: α temperaturowy współczynnik rezystancji [ Ω/Ω/0 C] T przyrost temperatury względem temperatury odniesienia 3.3 Termistory to półprzewodnikowe elementy rezystancyjne o ujemnym lub dodatnim współczynniku temperaturowym zmian rezystancji. Na ogół stosowane są termistory o rezystancji, w temperaturze pokojowej, rzędu kilku kω. Ze względu na dużą rezystancję, charakteryzują się dużą zmianą jej wartości na każdy stopień zmiany temperatury. W praktyce oznacza to łatwiejszy pomiar większych zmian rezystancji niż ma to miejsce w przypadku czujników np. PT100. Wadą jest stosunkowo duży rozrzut parametrów. Termistory charakteryzują się nieliniową funkcją zmian rezystancji od temperatury o charakterystykach: NTC ujemny współczynnik, PTC dodatni współczynnik temperaturowy oraz CTR o skokowej zmianie rezystancji, w którym wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowną zmianę wzrost/spadek rezystancji. Charakterystyki termistora, w przybliżeniu, opisują równania: dla NTC: R T B T = Ae oraz PTC: RT = A1 + Ae BT 6
Najprostszym sposobem linearyzacji jest połączenie szeregowe termistora z dodatkowym rezystorem. Przykładowe charakterystyki przed i po linearyzacji przedstawione są na rysunku: 3.4 Scalony czujnik temperatury LM 35. Czujnik ten jest precyzyjnym analogowym czujnikiem temperatury, mogącym pracować w zakresie temperatur od -50 do +125ºC. Sygnałem wyjściowym jest napięcie, które jest wprost proporcjonalne do temperatury otoczenia ze współczynnikiem 10mV/ ºC. Szczegóły budowy i parametry układu znajdują się w załączonej karcie katalogowej. 4. Układy pomiarowe Czujniki rezystancyjne wykonywane są w wersji: 2-, 3- i 4-ro przewodowej. 4.1 Układ 2-przewodowy. Łączenie czujnika z układem pomiarowym odbywa się z wykorzystaniem dwóch przewodów. Przy znacznym oddaleniu czujnika od układu pomiarowego rezystancja przewodów może mieć znaczący wpływ na wynik pomiaru. Przy wykorzystaniu mostka pomiarowego rezystancje przewodów wraz z rezystancją czujników występują w tej samej gałęzi. Dodatkowo, przewody wykonane są z miedzi co powoduje zmianę ich rezystancji w funkcji temperatury. Powoduje to trudności w skompensowaniu mostka. Układ stosowany przy krótkich przewodach. Najmniej dokładny. 4.2 Układ 3- przewodowy. Wpływy rezystancji doprowadzeń oraz fluktuacji wraz z temperaturą są znacznie zredukowane. W takim układzie rezystancja przewodów doprowadzających występuje w 2 gałęziach mostka, co poprawia jego kompensowanie. Dzięki temu, również zmiany temperaturowe rezystancji przewodów są kompensowane. Ze względu na znaczą rezystancję wewnętrzną przetwornika pomiarowego, spadek napięcia na RL jest pomijalny. Stosowany przy znacznych długościach przewodów. 7
4.3 Układ 4- przewodowy. W układzie tym prąd i jest wymuszany przez stabilne źródło prądowe. Jego wartość jest stała niezależnie od wartości rezystancji przewodów oraz ich zmian. Do pomiaru napięcia wykorzystywane są dodatkowe zaciski. Również w tym układzie ze względu na dużą rezystancję wewnętrzną obwodów pomiarowych spadek napięcia na RL jest pomijalny. Spadek napięcia określany tą drogą jest praktycznie niezależny od właściwości przewodów łączących. Stosowane są również układy z pętlą kompensacyjną. Dzięki temu możliwa jest kompensacja temperaturowa mostka poprzez uwzględnienie takich samych zmian rezystancji wynikających ze zmian temperatury w innej gałęzi mostka. Warunkiem jest wykonanie połączeń takim samym przewodem. Rozwiązanie stosowane sporadycznie. 4.4 Samonagrzewanie Przez czujnik rezystancyjny włączony w jedną z gałęzi mostka pomiarowego płynie prąd zależny m.in. od napięcia zasilania mostka. Powoduje on wydzielanie się energii cieplnej na rezystorze pomiarowym, zwiększając tym samym jego temperaturę. W rezultacie pomiar jest obarczony błędem związanym z efektem samonagrzewania czujnika. W zależności od środowiska pracy i zdolności do przekazywania energii z czujnika do otoczenia błąd ten może wahać się od 0.1 C dla czujnika zanurzonego w cieczy do 1.5 C dla czujnika w nieruchomym powietrzu. W celu minimalizacji omawianego zjawiska stosuje się pomiary wykonywane okresowo, a nie ciągle. Ważne jest również ograniczenie do minimum wartości prądu płynącego przez rezystor pomiarowy (typowo 1mA). Możliwe jest również przeprowadzenie kalibracji układu i wyznaczenie poprawki. 5. Dynamiczne właściwości czujników temperatury O właściwościach dynamicznych czujników temperatury w głównej mierze decyduje budowa i sposób wykonania czujnika. W przypadku czujników PT100 wykonanych w postaci spirali ułożonej w korpusie porcelanowym stała czasowa będzie znacznie większa niż czujników, gdzie warstwa rezystancyjna napylona jest na ceramiczne podłoże czy też nieosłoniętego złącza termopary. Właściwości czujnika można w przybliżeniu opisać za pomocą transmitancji G(s): 8
A G( s) = e T 2s + 1 na rysunku: st1 gdzie T1, T2 i A można wyznaczyć z odpowiedzi skokowej jak 6. Przebieg ćwiczenia. 6.1. Należy zdjąć charakterystykę czujników temperatury w zakresie od 20 C do 100 C (minimum 15 pomiarów). W tym celu należy ustawić żądaną temperaturę pokrętłem. Wartość wskazywana przez regulator temperatury traktowana jest jako wzorzec. Dla czujników PT100, NTC i PTC należy dokonać pomiaru rezystancji, a dla LM35 i termopary napięcia. Odczytu dla czujnika LM 35 i termopary dokonać wg schematu: Wyniki przedstawić w formie tabeli i wykresu. 6.2. Dla wybranych 3 różnych temperatur dokonać pomiaru rezystancji czujnika PT100 przy pomocy zrównoważonego mostka. Do tego celu wykorzystać należy rezystor dekadowy. Układ połączyć zgodnie ze schematem: Wyniki zestawić w tabeli i porównać z pomiarami z punktu 6.1. 6.3. Zrównoważony mostek z punktu 6.2. należy zmodyfikować tak, aby czujnik Pt 100 podłączony był przez przewody o rezystancji RL znajdujące się w temperaturze otoczenia. 9
Czy po przełączeniu układu mostek jest w stanie równowagi? Jeśli nie należy dokonać wyzerowania. Zasymuluj zmiany temperatury otoczenia poprzez naciśnięcie przycisku ZT. Określ temperaturę wskazywaną przez mostek porównując aktualną rezystancję z pomiarami z punktu 6.1. i 6.2. Wykonaj pomiar dla 3 temperatur. 6.4. Należy zmodyfikować układ z punktu 6.3. poprzez zastosowanie czujnika 3- przewodowego jak na schemacie w punkcie 4.2. Wykonaj pomiary jak w punkcie 6.3 dla przewodów w różnej temperaturze (naciśnięcie lub zwolnienie przycisku ZT). 6.5. Ustawić temperaturę zadaną na 100 C. Połączyć układ jak w punkcie 6.2. Zrównoważyć mostek. W miejsce mv podłączyć oscyloskop. Ostrożnie umieścić czujnik PT100 w zbiorniku z wodą. Zarejestrować odpowiedź i wyznaczyć parametry jak w punkcie 5. 6.6. Na podstawie pomiarów z punktu 6.1 należy dobrać współczynniki modelu dla czujników PT100, NTC i PTC zgodnie z opisem podanym w punktach 3.2. i 3.3. 7. Zagadnienia Parametryczne i generacyjne czujniki temperatury. Właściwości, charakterystyki, zastosowanie Zrównoważony mostek pomiarowy. Układy pomiarowe 2-, 3- i 4-ro przewodowe. Problem zimnych końców 8.Literatura Romer E. Miernictwo przemysłowe, PWN Syndenham P. Podręcznik metrologii cz.2 WKiŁ Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne, WNT Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury WNT Michalski L., Eckersdorf K., Kucharski J.: Termometria: przyrządy i metody. Rząsa M., Kiczma B.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury 10