Automatyka i pomiary wielkości fizykochemicznych Instrukcja do ćwiczenia II Wyznaczanie charakterystyk statycznych czujników temperatury 1
1. Wstęp Temperatura jest jedną z najważniejszych wielkości fizycznych które są kontrolowane w procesach przemysłowych. Do jej pomiaru stosuje się zwykle termopary i rezystancyjne czujniki temperatury. Zakres pomiarowy, dokładność i łatwość użycia tych czujników różnią się znacznie, dlatego przy wyborze czujnika, należy kierować się m.in. sposobem pomiaru, zakresem mierzonych temperatur a także jego właściwościami dynamicznymi. 2. Termopary Termopary są najpowszechniej używanymi czujnikami do pomiaru temperatury. Wykorzystuje się je w przemyśle, laboratoriach, transporcie, aparaturze pomiarowo-kontrolnej. Termopara składa się z dwóch różnych przewodników (np. drutów metalowych), których końce znajdują się w dwóch różnych temperaturach. W termoparze, w wyniku zjawiska Seebecka, powstaje różnica potencjałów zależna od różnicy temperatur. 2.1. Natura zjawiska Seebecka W ogólnym przypadku efekt Seebecka występujący w metalach i półprzewodnikach jest wynikiem złożonych zjawisk kwantowo-mechanicznych. Jednak w przypadku niektórych metali (np. Pt, Al, Ni, W) w dużym uproszczeniu efekt Seebecka można próbować wyjaśnić na podstawie prostej teorii gazu elektronowego (teoria Drudego). Według tej teorii ruch nośników prądu (w przypadku metali - elektronów) możemy rozpatrywać w sposób podobny do ruchu cząsteczek gazu doskonałego w zamkniętym naczyniu. Rys. 1 Ilustracja efektu Seebecka dla przewodnika typu n i p. W nierównomiernie nagrzanym przewodniku, na skutek różnicy energii i koncentracji nośników ładunku zacznie się ich ukierunkowany ruch. Jeżeli końce termopar znajdują się w temperaturze T1<T2, to na złączu o temperaturze T2 będzie występowała większa koncentracja nośników ładunku i będą one również miały większą energię. W efekcie wystąpi ich dyfuzja w kierunku zimniejszego końca (T1). W warunkach równowagi na zewnątrz przewodnika obserwuje się różnicę potencjałów między punktami o różnej temperaturze. W przypadku półprzewodników typu n, w których nośnikami ładunku są elektrony, zimniejszy koniec próbki będzie miał w stosunku do cieplejszego potencjał ujemny. Dla półprzewodnika typu "p" dodatni. Wartość różnicy potencjałów V na końcach przewodnika można wyznaczyć ze wzoru: V = * T (1) gdzie: jest współczynnikiem Seebecka a T różnica temperatur. 2
Tabela 1 Wartości współczynnika Seebecka dla wybranych metali w temperaturze pokojowej. W przypadku termopary, która składa się sumaryczny współczynnik Seebecka AB : z dwóch przewodników podaje się dla niej AB = A - B (2) Tabela 2 zawiera informacje o składzie chemicznym, oznaczeniu oraz zakresie temperaturowym wybranych termopar. Natomiast Tabela 3 przedstawia znormalizowane wartości siły termoelektrycznej E [μv] dla tych termopar. Zazwyczaj współczynnik Seebecka jest nieznaczny i ma wartość rzędu kilku V/K, dlatego mierzone w praktyce wartości siły termoelektrycznej są najczęściej rzędu miliwoltów. Współczynnik Seebecka dla półprzewodników typu n ma wartość ujemną, natomiast dla półprzewodników typu p ma wartość dodatnią. Natomiast metale mogą wykazywać zarówno ujemny jak i dodatni (!) współczynnik Seebecka pomimo, że nośnikami większościowymi są elektrony. W tym przypadku proste wyjaśnienie oparte na teorii gazu elektronowego nie jest poprawne. 2.2. Budowa termopary Termopary składają się z dwóch różnych metali połączonych szeregowo (Rys. 2). Dzięki temu powstałe napięcie jest wyższe niż podczas użycia jednego materiału i tym samym błąd pomiarowy tego napięcia jest mniejszy. Układ pomiarowy, działający z wykorzystaniem termoelementu składa się z trzech podstawowych części (Rys. 2): ogniwa termoelektrycznego (termoelement) przewodów łączących termoelement z przyrządem pomiarowym przyrządu pomiarowego (np. miliwoltomierz) 3
Rys. 2 Schemat układu pomiarowego. Przedstawiony na Rys. 2 obwód pozwala na zmierzenie różnicy temperatur pomiędzy dwoma końcami termoelektrod. Pomiar bezwzględnej temperatury jest możliwy tylko wtedy, gdy temperatura spoin odniesienia jest znana. Istnieją różne sposoby określenia temperatury spoin odniesienia. W klasycznym przypadku złącza odniesienia umieszcza sie w temperaturze 0 C ( np. w obudowie umieszczonej w termostacie z mieszaniną wody+lodu). Ponieważ to rozwiązanie nie jest wygodne w nowoczesnych urządzeniach pomiarowych do określenia temperatury zimnych końców stosuje się zazwyczaj umieszczony blisko nich rezystancyjny czujnik temperatury. W takim wypadku mierzona temperatura T jest sumą temperatur wskazywanych przez czujnik rezystancyjny T R oraz termoparę T term. T = T R + T term (3) W przypadku stosowania kompensacji zimnych końców przy użyciu termostatu należy zwrócić uwagę na właściwe podłączenie układu pomiarowego. W miejscu styku miedzianych przewodów pomiarowych oraz przewodów termopary również powstaje siła termoelektryczna, która ma wpływ na wynik pomiaru. W takim przypadku konieczne jest utrzymanie stałej temperatury miedzy miejscem połączenia przewodów przyrządów pomiarowych a termoparą. Rys. 3 Schemat obwodu do pomiaru temperatury termoparą z kompensacją zimnych końców. 4
Podczas pomiarów temperatury przy użyciu termopary mierzymy bezpośrednio tzw. siłę elektromotoryczną E [V]. Pomiar należy wykonywać woltomierzem o wysokim oporze wewnętrznym, w porównaniu z oporem drutów termopary. Tabela 2 przedstawia znormalizowane zestawy termoelementów, natomiast w Tabela 3 siły termoelektryczne odpowiadające tym termoelementom (Norma PN-EN 60584-1 PN-IEC 584-1). Tabela 2. Znormalizowane zestawy termoelementów Stop miedzi z niklem nosi nazwę konstantan. Tabela 3. Siła termoelektryczna E [μv] termoelementów o charakterystykach znormalizowanych Spoiny pomiarowe wykonuje się przez spawanie, lutowanie lub zgrzewanie. W niektórych przypadkach może też być to połączenie mechaniczne (zwalcowanie, skręcenie). Na Rys. 4 przedstawione zostały przykłady typowych spoin. Rys. 4 Wykonanie spoin pomiarowych: a) termoelektrody cienkie, b) termoelektrody grubsze; 1 termoelektroda miękka, 2 termoelektroda twarda Przewody kompensacyjne mogą być wykonywane z tego samego materiału co przynależny im termoelement lub z materiałów zastępczych składających się ze stopów, które nie są identyczne z 5
przynależnym termoelementem. Materiały zastępcze, w zakresie temperatur dopuszczalnych dla przewodów kompensacyjnych (patrz norma DIN 43 722), mają jednak te same własności termoelektryczne jak przynależna im termopara. Materiały zastępcze są stosowane do termopar z metali szlachetnych typu K i N oraz do termopar z metali szlachetnych typu R, S i B, ponieważ w tych przypadkach termopary składają się z materiałów bardzo drogich a materiały zastępcze są znacznie tańsze. Dalsza pozytywna własność materiałów zastępczych, mianowicie mniejsza rezystancja nie ma już dzisiaj znaczenia. Nowoczesne elektroniczne mierniki mają bardzo wysoką rezystancję wejściową, tak, więc rezystancje przewodów w obwodzie pomiarowym termoelementu także wtedy nie powodują istotnych błędów pomiarowych, gdy osiągają wartości kilku k. 3. Czujnik rezystancyjny Pomiar temperatury za pomocą termometrów rezystancyjnych oparty jest na wspólnej dla wszystkich przewodników własności, polegającej na tym, że ich oporność jest funkcją temperatury. Własność ta jest mniej lub bardziej wyraźna, w zależności od materiału. Względna zmiana oporności jako funkcja temperatury (dr/dt) nazywana jest współczynnikiem temperaturowym TWR, a jej wartość zwykle nie jest stała w zakresie temperatur roboczych, lecz sama jest funkcją temperatury. W rezultacie matematyczna zależność między opornością a temperaturą przyjmuje postać wielomianu wysokiego stopnia. Rys. 5 pokazuje jak zmienia się oporności w funkcji temperatury, dla termometru rezystancyjnego Pt 100. W celu przeliczenia zmierzonej rezystancji czujnika na temperaturę możemy zastosować następujący przybliżony wzór: gdzie TWR Pt = 0,36 K -1 R 100 rt (1) TWR Pt Rys. 5 Zależność rezystancji od temperatury dla czujnika Pt 100 6
Rezystancyjny czujnik temperatury wykonany jest zwykle ze zwojów drutu platynowego nawiniętych na odpowiedni rdzeń. Uzwojenie jest albo wtopione w szkło albo osadzone na ceramice. W nowoczesnych czujnikach na ceramiczny podkład zamiast drutu nakłada się cienkie warstwy platyny (Rys. 6). Rys. 6 Schematy termometrów rezystancyjnych z uzwojeniu drucianym nawiniętym na karkasach ze szkła, ceramiki oraz termometry cienkowarstwowe. W celu ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi powyższe elementy pomiarowe (wkład pomiarowy) zwykle umieszczane są w odpowiednich osłonach procesowych. Zapewnia to także łatwą wymianę wkładu, bez potrzeby wymiany całego kompletu. Jako że termometry rezystancyjne są kontaktowymi czujnikami temperatury (tj. czujnik musi osiągnąć temperaturę medium, którego temperatura ma być mierzona), obudowa musi być odpowiednio przystosowana do danej aplikacji. W pomiarach temperatury za pomocą termometrów rezystancyjnych należy wziąć pod uwagę fakt, że oporność użytych przewodów może wpływać na wynik pomiarów. Powszechnie używa się trzech typów połączeń: układów dwu-, trój- i czteroprzewodowych. Największą dokładność pomiarów uzyskuje się przy układach czteroprzewodowych, jako że w tym przypadku oporność i temperatura przewodów nie wpływają na pomiary (patrz Tabela 4). Układ trójprzewodowy jest zwykle wykorzystywany do wyeliminowania oporu przewodu (pomiary przy użyciu mostka Wheatstone'a). Rys. 7 oraz Rys. 8 przedstawiają przykładowe schematy pomiarowe odpowiednio dla 2- przewodowej oraz 4- przewodowej metody pomiaru rezystancji. 7
Tabela 4. Metody wykonywania połączeń czujnika rezystancyjnego. Rys. 7 Schemat pomiaru rezystancji metodą 2-przewodową. Rys. 8 Schemat pomiaru rezystancji metodą 4-przewodową. 8
4. Przebieg ćwiczenia I Pomiarów temperatury w układzie z kompensacją i bez kompensacji zimnych końców termopar 1. Pomiar temperatury termoparą w układzie bez kompensacji zimnych końców 2. Pomiar temperatury termoparą w układzie z kompensacją zimnych końców (Rys. 2). 3. Zanotować różnice w pomiarach - wyjaśnić przyczyny rozbieżności II Pomiarów rezystancji czujników w układzie 2 przewodowym i 4 przewodowym 1. Pomiar temperatury czujnikiem rezystancyjnym w układzie 2 przewodowym (Rys. 7) 2. Pomiar temperatury czujnikiem rezystancyjnym w układzie 4- przewodowym (Rys. 8) 3. Zanotować różnice w pomiarach rezystancji - wyjaśnić przyczyny rozbieżności III Wyznaczanie charakterystyk statycznych czujników temperatury 1. Zestawienie obwodów pomiarowych 2. Ustalenie temperatury 3. Po ustaleniu równowagi odczyt: temperatury, rezystancji (czujnik rezystancyjny) i napięcia (termopara) 4. Ustalenie nowej temperatury i powtórzenie punktu 3. Lp Temperatura [ C] R Pt100 [ ] U T [mv] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9
5. Sprawozdanie 1) Opis rezystancyjnych czujników temperatury 2) Opis termoelektrycznych czujników temperatury 3) Opisać przebieg eksperymentów 4) Wyjaśnić przyczyny rozbieżności pomiarów temperatury metodą 2 i 4-przewodową. 5) Wyjaśnić przyczyny rozbieżności pomiarów temperatury bez i z kompensacją zimnych końców. 6) Przedstawić charakterystyki (wykresy) dla obu typów czujników oraz równania liniowe opisujące zależność sygnału czujnika od temperatury 7) Porównać właściwości czujnika rezystancyjnego i termoelektrycznego 10