POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ TRANSPORTU KATEDRAA TRANSPORTU SZYNOWEGO LABORATORIUM DIAGNOSTYKI POJAZDÓP ÓW SZYNOWYCH ĆWICZENIE 6 Pomiar temperatury w diagnostyce pojazdów szynowych Katowice, 2009..10.01
1 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie studentów z różnymi metodami pomiaru temperatury stosowanymi w diagnostyce pojazdów szynowych. Przedstawienie metod pomiaru temperatury właściwych dla różnych badanych obiektów w transporcie szynowym. Przeprowadzenie wzorcowania termopary wykonanej w trakcie zajęć laboratoryjnych. Analiza jakościowa i ilościowa wykorzystanych w trakcie zajęć metod do pomiaru temperatury (dokładność, bezwładność temperaturowa, czułość, zakres pomiarowy, sygnał wyjściowe, wady i zalety systemu pomiarowego i zastosowanej metody, itp.). 2. WSTĘP TEORETYCZNY 2.1. Termopary 2.1.1. Definicja termopary Termopara jest to element złożony z dwóch przewodników połączonych ze sobą na jednym końcu i tworzących część układu wykorzystującego zjawisko termoelektryczne (zjawisko Seebecka). Przewodniki te wykonane są z różnych materiałów. Termopary odznaczają się dużą dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach. Wadą jest mechaniczna nietrwałość złącza pomiarowego i możliwość przepływu prądu poza obwodem termopary, gdy złącze nie jest izolowane. Izolacja złącza eliminuje ten efekt, ale wydłuża czas reakcji termopary na zmianę temperatury. Dlatego w pomiarach o dużej dynamice zmian stosuje się termopary bez osłony. 2.1.2. Definicja zjawiska Seebecka Termoelektryczne zjawisko Seebecka polega na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach. Zostało ono odkryte w 1821 roku przez fizyka niemieckiego Th. J. Seebecka. 1
2 Rys. 1. Obwód elektryczny (T1,T2 - termopary w miejscu styku metali; A, B różne metale lub półprzewodniki) W przedstawionym obwodzie elektrycznym powstanie napięcie określone wzorem: 1 Lp. 2.1.3. Oznaczenia termopar i zakresy ich stosowania Symbol Oznaczenie Oznaczenia termopar i zakresy stosowania [1] Rodzaj termoelementu 1 R RRh13-RP Platyna 13% rod/platyna 2 S trh10-r Platyna 10% rod/platyna 3 B PtRh30- Platyna 30% PtRh6 rod/platyna 4 J Fe-CuNi Żelazo/miedź - nikiel 5 T Cu-CuNi Miedź/miedź - nikiel 6 E NiCr-CuNi Nikiel - chrom/ miedź - nikiel 7 K Nikiel chrom/ NiCr-NiAl nikiel aluminium 8 N Nikiel chromkrzem/nikiel-krzem NiCrSi-NiSi Zakres temperatur dla stosowania długotrwałego ( C) Tabela 1 Temperatury maksymalne dla stosowania krótkotrwałego ( C) -100...1300 1300...1600-200...1300 1300...1600 0...1600 1600...1800-200...700 700...900-200...400 400...600-200...700 700...1000-200...1000 1000...1300-200...600 600...1300 2
3 2.1.4. Wartości sił termoelektrycznych termopar Wartości siły termoelektrycznej dla poszczególnych rodzajów termopar [1] STE(mV) T( C) T J K N S R B -100-3,378-4,633-3,554-2,407 - - - -50 - -2,43-1,889-1,269 - - - 0 0,000 10,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 20-1,019 0,798 0,525 0,113 0,111-50 - 2,585 2,023 1,340 0,299 0,296 0,02 100 4,277 5,269 4,096 2,774 0,646 0,647 0,033 150-8,010 6,138 4,302 1,029 1,041 0,092 200 9,268 10,779 8,138 5,913 1,441 1,469 0,178 500-27,393 20,644 16,748 4,233 4,471 1,242 1000 - - 41,276 36,256 9,587 10,506 4,834 Tabela 2 2.1.5. Tolerancje termoelementów Tolerancje dla termoelementów [2] Tabela 3 Typ termoelementu T E J Klasa 1 Klasa 2 Klasa 3 Zakres stosowania ( C) Tolerancja ( C) Zakres stosowania ( C) Tolerancja ( C) Zakres stosowania ( C) Tolerancja ( C) od -40 do +125 ± 0,5 od -40 do +133±1 od -67 do +40±1 od +125 do +350 ± 0,004/t/ od +133 do +350 ± 0,0075/t/ od -200 do -67 ± 0,015/t/ od -40 do +375 ± 1,5 od -40 do +333±2,5 od -167 do +40±2,5 od +375 do +800 ± 0,004/t/ od +333 do +900 ± 0,0075/t/ od -200 do -167 ± 0,015/t/ do +333±2,5 od +333 do +750 ± 0,0075/t/ od -40 do +375 od +375 do +750 ± 1,5 od -40 ± 0,004/t/ K od -40 do +375 ± 1,5 od -40 od +375 do +1000 ± 0,004/t/ N od -40 do +375 ± 1,5 od -40 od +375 do +1000 ± 0,004/t/ R od 0 do +1000 ± 1 od 0 od +1100 ± (1+0,003) S do +1600 (/t/-1100) B od +600 do +333±2,5 od +333 do +1200 do +333±2,5 od +333 do +1200 do +600±1,5 od +600 do +1600 do +1700 od +800 do +1700 od -167 ± 0,0075/t/ ± 0,0075/t/ ± 0,0025/t/ ± 0,0025/t/ ± 0,005/t/ do +40±2,5 od -200 do -167 od +600 do +800 ± 0,015/t/ ±4 2.1.6. Termoelementy płaszczowe 3
4 Termoelementy płaszczowe spełniająą szczególne wymagania techniczne oraz nadają się do specjalnych zastosowań np. medycznych. Charakteryzująą się niewielkimi wymiarami, wysokąą rezystancjąą izolacji i dużą odpornością na agresywne środowisko. Rys. 2.Przykładowyy termoelement płaszczowy [7] Jednolity przewód termoelementu płaszczowego składa się z: dwóch przewodów (termoelektrod); warstwy izolacji - silnie sprasowanego proszku mineralnego (przeważniee tlenek magnezu); płaszcza metalowegoo zapewniającego osłonę mechaniczną chemicznej pomiarowej i termoelektrody; spoiny Na jednym końcu termoelektrody są zespawane tworząc spoinę pomiarową (gorący koniec termoelementu). Zamknięty jest również płaszcz termopary, aby odizolowaćć spoinę pomiarową od wpływów zewnętrznych. Drugi koniec termoelementu jest podłączony do przewodu przedłużającego lub kompensacyjnego, bezpośrednioo lub poprzez złącze wtyczkę - gniazdo. Dzięki bardzo silnemu sprasowaniu warstwy izolacji i odpowiedniej strukturze metalurgicznej zarówno termoelektrod jak i płaszcza, termoelementy są bardzo giętkie i mogą być wyginane z minimalnymm promieniem krzywizny trzy razy większym od ich średnicy zewnętrznej. Małe średnicee zewnętrzne termoelementów temperatury nawet w miejscach trudno dostępnych. umożliwiają, zatem pomiar 2.1.7. Ewentualne błędy pomiaru termoelementami płaszczowymi 4
5 2.1.7.1. Błędy niejednorodności Niejednorodność termoelementów może być spowodowana przez skład chemiczny lub zmianę w strukturze krystalicznej. Wewnątrz drutów termoelektrod pojawia się niepożądana siła elektromotoryczna, która zawsze ma negatywny wpływ na dokładność pomiaru, jeśli termoelement umieszczony jest w obszarze z gradientem temperatury. Błąd zależy wtedy tak od niejednorodności, jak i od gradientu temperatury. Zmiany w strukturze drutów termoelektrod mogą powstać w czasie ich zwijania, składania lub rozciągania. Mają one charakter odwracalny. Powrót do pierwotnej struktury następuje w wyniku podgrzania termoelementu do temperatury 800 C. 2.1.7.2. Błędy wynikające z niewłaściwego miejsca pomiaru. Zasadniczo, spoina pomiarowa, która stanowi czujnik termoelementu, powinna być umieszczona w gorącej części obiektu, którego temperaturę mierzymy. Jeśli to nie jest spełnione, temperatura nie jest mierzona poprawnie. Dodatkowo, zakłócenia w polu temperatury mogą mieć ujemny wpływ na pomiar. Przewodność cieplna materiałów konstrukcyjnych takich, jak izolator, druty termoelektrod i płaszcz powoduje, że zachodzi przez nie wymiana ciepła. Jeżeli płaszcz jest w wyższej temperaturze niż spoina pomiarowa, następuje przepływ ciepła w kierunku spoiny. Tą samą drogą ciepło może odpływać od spoiny. Oba przypadki zakłócają pomiar temperatury. Poprawę można osiągnąć poprzez odpowiednią konstrukcję i zamocowanie termoelementu. Należy zapewnić tak dobrą, jak to jest możliwe, wymianę ciepła pomiędzy mierzonym obiektem a spoiną pomiarową. Niedopuszczalne jest wykonywanie istotnych pomiarów temperatury z wykorzystaniem termopary zetkniętej punktowo z badanym elementem bez izolacji termicznej od warunków otoczenia (np. konwekcji). Jest to szczególnie istotne dla elementów lub pojazdów będących w ruchu. 2.1.7.3. Błędy wynikające z dryftu Defekty termoelementów nie wynikają wyłącznie z mechanicznych uszkodzeń czy złamań, ale także stąd, że siła elektromotoryczna nie mieści się już w granicach tolerancji. To zjawisko, znane jako dryft, zachodzi bez żadnych zewnętrznych zmian w temperaturze i może stopniowo zmienić siłę termoelektryczną. Jedną z przyczyn dryftu jest zanieczyszczenie 5
6 drutów termoelektrod zachodzące pod wpływem temperatury. W termoelementach typu K przyczyną dryftu jest fakt, że w wysokich temperaturach chrom w drucie (+) utlenia się łatwiej, niż nikiel. Następuje redukcja chromu i siła elektromotoryczna zmniejsza się. Błąd ten pojawia się często, także wtedy, gdy termopara jest używana w atmosferze beztlenowej. Brak tlenu przeszkadza w utlenianiu i uformowaniu się naturalnej osłony. Pojawiający się nalot niszczy druty termoelektrod. Pomiary temperatury termoelementu typu K w atmosferze bogatej w siarkę powoduje jej oddziaływanie z drutem niklowym. Powoduje to kruchość materiału. Inną przyczyną dryftu jest zbyt gwałtowne schłodzenie termoelementu od temperatury przekraczającej 700 C. 2.1.7.4. Błędy wynikające z niewłaściwego przewodu kompensacyjnego W marę możliwości należy unikać elementów pośrednich w obwodzie termopary i systemu pomiarowego. Należy mieć na uwadze, że każde przedłużenie przewodów termopary powoduje dołożenie dodatkowych złącz termoparowych, których wpływ można wyeliminować jedynie za pomocą przewodu kompensacyjnego. Przewód kompensacyjny jest potrzebny w celu przedłużenia termoelementu do urządzenia pomiarowego. Jego dołączenie może być przyczyną powstania błędu w pomiarach. Aby tego uniknąć należy pamiętać, że błędy siły elektromotorycznej spowodowane często są zmianą polaryzacji kabli przy łączeniu, zastosowaniem niewłaściwego przewodu kompensacyjnego, zbyt wysoką temperaturą otoczenia oraz niewłaściwym uziemieniem ekranowania przewodów termoelektrycznych, jeśli przechodzą one przez pole magnetyczne. Jeśli stwierdza się występowanie błędów pomiarowych zalecane jest najpierw sprawdzenie przewodu kompensacyjnego. UWAGA: Należy mieć na uwadze, że prawidłowo przygotowany tor pomiarowy powinien pozwalać na pomiar temperatury otoczenia wolnych końców pomiarowych, której wynik powinien być uwzględniony przy podawaniu wyniku pomiaru temperatury w spoinie pomiarowej termopary. Przykładem jest tutaj system IDAM i moduł o nr 7018. 6
7 2.1.8. Spoiny pomiarowe termoelementów SP SO 2SP SOA SOB SE SO2 Rys. 3.Spoiny pomiarowe termoelementów.[8] SP - spoina pomiarowa pojedyncza, połączona (uziemiona) galwanicznie z osłoną czujnika (z płaszczem). Spoina odizolowana jest od chemicznego i mechanicznego wpływu ośrodka. Stosowana w ośrodkach nieprzewodzących. Posiada krótki czas odpowiedzi. SO - spoina pomiarowa pojedyncza, odizolowana od osłony czujnika (od płaszcza). Stosowana przy pomiarach w przewodzącym ośrodku lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego. Posiada długi czas odpowiedzi. 2SP - spoina pomiarowa podwójna, podobnie jak spoina SP połączona (uziemiona) galwanicznie z osłoną czujnika (z płaszczem). Spoina odizolowana jest od chemicznego i mechanicznego wpływu ośrodka. Stosowana w ośrodkach nieprzewodzących. Również w pomiarach wymagających zachowania ciągłości pomiaru temperatury procesu (uszkodzenie jednego obwodu pomiarowego nie przerywa pomiaru). Posiada krótki czas odpowiedzi. SOA - spoina pomiarowa podwójna, podobnie jak spoina SO odizolowana od osłony czujnika (od płaszcza). Spoiny są zwarte między sobą. Stosowana przy pomiarach w przewodzącym ośrodku lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego. Posiada długi czas odpowiedzi. SOB - spoina pomiarowa podwójna, odizolowana od osłony czujnika (od płaszcza). Spoiny pomiarowe odizolowane od siebie. Stosowana przy pomiarach w przewodzącym ośrodku lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego. Posiada długi czas odpowiedzi. SE - spoina pomiarowa pojedyncza nieosłonięta lub wyprowadzona poza osłonę czujnika, eksponowana. Bardzo dobra do pomiarów szybkich zmian temperatury. Spoina narażona na urazy mechaniczne oraz nieodporna na wpływ atmosfery korozyjnej. Posiada najkrótszy czas odpowiedzi. 7
8 SO2 - spoina pomiarowa pojedyncza, odizolowana od podwójnej osłony czujnika. Stosowana przy pomiarach w przewodzącym, agresywnym ośrodku. Posiada najdłuższy czas odpowiedzi. 2.1.9. Definicja czasu odpowiedzi termoelementów Czas odpowiedzi [t] jest to czas, którego potrzebuje system pomiarowy po skoku temperatury, aby wskazać określoną część skoku temperatury. Wykres 1. Czas odpowiedzi termoelementów [1] Czas odpowiedzi [t 05 ], jest to czas po którym termometr wskaże 50% skoku temperatury. Czas odpowiedzi [t 09 ], jest to czas po którym termometr wskaże 90% skoku temperatury. Czasy odpowiedzi wyznaczane są w następujących warunkach: w powietrzu, gdzie: prędkość przepływu V = 3 ± 0,3 m/s; temperatura powietrza T 0 = 10 30 C; skok temperatury D T = 10 20 C; minimalna głębokość zanurzenia = (długość + 15 średnic) części czułej; w wodzie. gdzie: prędkość przepływu V = 0,4 ± 0,05 m/s; temperatura początkowa T 0 = 5 30 C; skok temperatury D T = 10 C; minimalna długość zanurzenia = (długość + 5 średnic) części czułej. 2.2. Przemysłowe termometry rezystancyjne 2.2.1. Definicja Platynowe i niklowe termometry rezystancyjne są to przyrządy reagujące na zmianę temperatury zmianą rezystancji wbudowanego w nie rezystora. W osłonie ochronnej, oprócz rezystora termometrycznego znajdują się odizolowane wewnętrzne przewody łączeniowe oraz 8
9 zaciski zewnętrzne do przyłączenia elektrycznych przyrządów pomiarowych. Mogą zawierać elementy montażowe lub głowice przyłączeniowe. 2.2.2. Charakterystyki termometrów rezystancyjnych. Według PN - EN 60751 + A2: 1997 zależność między temperaturą, a rezystancją dla rezystorów platynowych możliwa jest do określenia za pomocą poniższych wzorów: w zakresie -200 C do 0[ C]: R t = R 0 [1 + At + Bt 2 + C (t - 100 C) t 3 ] (2) w zakresie 0 C do 850[ C]: R t = R 0 (1 + At + Bt 2 ) (3) R 0 - opór w temperaturze 0 C R t - opór w temperaturze t t - temperatura w C Dla platyny o jakości zwykle stosowanej w przemysłowych termometrach rezystancyjnych wartości stałych w powyższych równaniach są następujące: A = 3,9083 x 10-3 C -1 B = - 5,775 x 10-7 C -2 C = - 4,183 x 10-12 C -4 W przypadku termometrów rezystancyjnych podaje się również współczynnik temperaturowy a, definiowany jako: a = ( R 100 - R 0 ) / ( 100 x R 0 ) = 0,00385[ C -1 ] (4) R 100 - rezystancja w temperaturze 100[ C] R 0 - rezystancja w temperaturze 0[ C] Do obliczeń stosuje się dokładną wartość 0,00385055 C -1 9
10 Dla czujników niklowych w całym zakresie pracy (od -60 do 250 C) zależność między temperaturą, a rezystancją oblicza się według następującego równania (wg DIN 43760): R t = R 0 ( 1 + 0,5485 x 10-2 t + 0,665 x 10-5 t 2 + 2,805 x 10-11 t 4-2 x 10-17 t 6 ) (5) R 0 - rezystancja w temperaturze 0[ C]; R t - rezystancja w temperaturze t [Ω]; t temperatura w [ C], t bezwzględna wartość temp. C. Charakterystyka termometrycznego Zakres temperatury Tolerancja 60 0 C ±(0,4 0,0028 t ) C 0 +300 C ±(0,4 0,007 t ) C Tabela 4 rezystora Ni100[1] Tabela rezystora Pt100[1] Rezystor Pt100 Rezystancja Temperatura [Ω] [ C] -200 18,49 100 138,50-100 60,25 120 146,06-20 92,16 140 153,58 0 100,00 160 161,04 20 107,79 180 168,46 40 115,54 200 175,84 60 123,24 400 247,04 80 130,89 800 375,51 Temperatura [ C] Rezystancja [Ω] Dopuszczalne odchyłki temperatury rezystora Ni100 [1] Rezystor Ni100 Temperatura [ C] Rezystancja [Ω] -60 69,51-40 79,06-20 89,26 0 100,00 20 111,25 40 123,01 60 135,30 80 148,19 100 161,71 120 175,94 140 190,93 160 206,70 180 223,10 5.Charakterystyka termometrycznego Tabela 6 10
11 2.2.3. Dopuszczalne odchyłki rezystorów termometrycznych. Temperatura [ C] Wykres 2.Dopuszczalne odchyłki rezystancji i temperatury rezystora PT100[1] Temperatura [ C] Rezystancja [Ω] 2.2.4. Obwody pomiarowe rezystorów termometrycznych Kod kolorów izolacji przewodów stosowany w czujnikach rezystancyjnych: B biały C czerwony Z zielony Cz czarny Połączenie jednym przewodem do każdego końca rezystora termometrycznego. Układ połączenia stosowany, gdy rezystancja przewodów połączeniowych może być rozpatrywana jako składowa stała w układzie pomiarowym. Również, gdy błąd pomiaru spowodowany wpływem rezystancji przewodów przyłączeniowych może być ignorowany. 11
12 Połączenie jednym przewodem do jednego końca rezystora termometrycznego i dwoma przewodami do drugiego końca rezystora. Układ połączenia przeznaczony do współpracy z urządzeniami zaprojektowanymi z wejściem trzyprzewodowym. Umożliwia kompensację błędu pomiaru wynikającego z rezystancji oraz ze zmian rezystancji przewodów przyłączeniowych. Najczęściej używany układ połączeń przewodów przyłączeniowych. Połączenie jednym przewodem do każdego końca rezystora termometrycznego i osobną pętlą przewodów do kompensacji rezystancji i zmian rezystancji przewodów przyłączeniowych. Układ takiego połączenia jest rzadko stosowany. Połączenie dwoma przewodami do każdego końca rezystora termometrycznego. Układ umożliwia dokładną kompensację rezystancji i zmian rezystancji przewodów przyłączeniowych. Stosowany do pomiarów wymagających najwyższej dokładności. Dwa odizolowane od siebie rezystory termometryczne w jednej obudowie z przyłączeniem jednym przewodem do każdego końca rezystora. Stosowany w układach wymagających zabezpieczenia ciągłości pomiaru (uszkodzenie obwodu jednego rezystora nie przerywa pomiaru). Układ połączenia nie zapewnia kompensacji rezystancji i zmian rezystancji przewodów przyłączeniowych. Stosowany, gdy rezystancja przewodów przyłączeniowych może być rozpatrywana jako składowa stała w układzie pomiarowym. Również gdy błąd pomiaru spowodowany wpływem rezystancji przewodów przyłączeniowych może być ignorowany. 12
13 Dwa odizolowane od siebie rezystory termometryczne w jednej obudowie. Przyłączenie każdego rezystora jednym przewodem do jednego końca i dwoma przewodami do drugiego końca. Stosowany w układach wymagających zabezpieczenia ciągłości pomiaru procesu. Umożliwia kompensację błędu pomiaru wynikającego z rezystancji oraz ze zmian rezystancji przewodów przyłączeniowych. Układ połączenia przeznaczony do współpracy z urządzeniami zaprojektowanymi z wejściem trzyprzewodowym. 2.3. Pirometry 2.3.1. Zasada działania Pirometry służą do bezstykowego pomiaru temperatury. Wykorzystują one promieniowanie cieplne badanych obiektów. Zakres tego promieniowania zawiera się w granicach od ok. 0,1 do 400µm. Emisyjność cieplna badanego ciała zależy od rodzaju materiału z jakiego zostało ono wykonane oraz od rodzaju jego powierzchni (np. powierzchnia chropowata posiada większą emisyjność cieplną niż powierzchnia wypolerowana). 4.3.2 Rodzaje pirometrów W zależności od wykorzystywanego zakresu długości fal promieniowania cieplnego oraz sposobu obsługi, pirometry można podzielić na: Pirometry ręczne (manualnie ustawiane) o monochromatyczne z zanikającym włóknem (luminescencyjne). Pracują one w bardzo wąskim paśmie promieniowania cieplnego (λ~0,65µm), o dwubarwowe. Pirometry samoczynne o radiacyjne (całkowitego promieniowania). Wykorzystują one zakres długości fal zawierający się między 0,2 14µm, o fotoelektryczne (pasmowe), o dwupasmowe, o wielopasmowe. W pirometrze każdego rodzaju można wydzielić następujące części: układ optyczny, skupiający promieniowanie na detektorze, detektor promieniowania termiczny, fotoelektryczny lub oko ludzkie, układ przetwarzania sygnału, wskaźnik wielkości mierzonej.[12] 13
14 3. STANOWISKO ORAZ APARATURA POMIAROWA NIEZBĘDNA DO WYKONANIA ĆWICZENIA Do wykonania ćwiczenia laboratoryjnego niezbędne jest wykorzystanie stanowiska nr 6 laboratorium diagnostyki pojazdów szynowych. W skład stanowiska wchodzą między innymi: Czujnik temperatury IT-CP6-K; Czujnik temperatury ATPK2; Czujnik temperatury ATPK4; Czujnik TOPG11; Czujniki termoparowe typu K (biały, żółty, zielony); Termopara wykonana w trakcie zajęć np.: złącze miedź stal; Przewody pomiarowe; Miernik temperatury TES 1307; Mierniki MY-64; Pirometr z termometrem kontaktowym TES-1322. 4. SPOSÓB POSTĘPOWANIA Uwaga: w trakcie realizacji ćwiczenia laboratoryjnego należy zwrócić szczególna uwagę i zachować ostrożność ze względu na możliwość występowania wysokich temperatur płyty grzewczej, płyty niedzianej oraz czujników pomiarowych! Płyta grzewcza zasilana jest napięciem 230 V nie chłodzić wodą! Wykonać termoparę z materiałów wskazanych przez prowadzącego zajęcia; Zamocować w stanowisku termoparę wykonaną w trakcie zajęć; Przygotować aparaturę pomiarową i sprawdzić poprawność połączeń elektrycznych oraz przyleganie czujników temperatury do płyty grzewczej; Upewnić się, że są przygotowane karty pomiarowe i jest wyznaczona kolejność osób odczytujących wartości z poszczególnych mierników; Odczytać temperaturę i wilgotność względną otoczenia; Upewnić się, że załączenie płyty grzewczej nie zagraża bezpieczeństwu! Przekazać prowadzącemu zajęcia, że jest możliwość załączenia płyty grzewczej (p.1). Co 1 minutę wykonywać pomiar napięcia oraz temperatury miernikami MY-64 oraz TES 1307 a otrzymane wyniki zapisywać na kartę pomiarową. Co 3 minut wykonywać pomiar temperatury pirometrem TES-1322. Otrzymane wyniki zapisywać w karcie pomiarowej. Wyłączyć grzejnik ustawiając bieg 0, gdy temperatura na mierniku TES-1307 wyniesie 150 C. 14
15 Przed opuszczeniem stanowiska upewnić się, że temperatura płyty grzewczej nie przekracza 60 C, a instalacja elektryczna stanowiska jest wyłączona. Przekazać do podpisu kartę pomiarową prowadzącemu zajęcia. 5. OPIS PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH WYKORZYSTANYCH W TRAKCIE LABORATORIUM 5.1. Czujnik IT-CP6-K 5.1.1. Zastosowanie: Pomiar temperatury powierzchni i bloków maszyn i urządzeń technicznych. 5.1.2. Budowa: Spoina pomiarowa termoelementu zalutowana jest do miedzianego radiatora. Radiator ten przytwierdzany jest do powierzchni, której temperaturę mierzymy. Odizolowana spoina pomiarowa zapewnia dobry czas reakcji. Nieodporny na szkodliwe działanie atmosfery. Rys. 4.Czujnik IT-CP6-K[8] Spoina pomiarowa: SE- spoina wyeksponowana Konstrukcja łącznika: Rys. 5. Spoina pomiarowa typu SE[8] KO32 oczkowa końcówka kablowa, otwór 3,2mm 15
16 Przewód przyłączeniowy: Przewód termoelementowy: 2 0,22mm w podwójnej izolacji i oplocie metalowym. Długość = 1,5[m] Element pomiarowy: termoelement (TC): NiCr-Ni 5.1.3. Zakres pomiarowy: -40 do +400[ C] Klasa elementu pomiarowego: 2 5.2. Czujnik ATPK2 5.2.1. Zastosowanie: Czujnik stosowany jest jako sonda pomiarowa do przenośnych mierników temperatury (np. TES, FLUKE). Przeznaczony jest do pomiaru temperatury cieczy, żeli i materiałów sypkich. 5.2.2. Budowa: Czujnik posiada rękojeść z tworzywa sztucznego (temperatura pracy -20 do +80[ C]). Wyprowadzenie przewodu z rękojeści jest osłonięte sprężyną. Średnica osłony: d = 3[mm] Materiał osłony: stal kwasoodporna 1H18N9T Długość czujnika: L = 200[mm] Przewód przyłączeniowy: Przewód w izolacji poliwimitowej o długości L=1,5m zakończony wtykiem mini. 16
17 Spoina pomiarowa: Rys. 6. Czujnik ATPK2[8] Typu SP spoina zwarta z osłoną (uziemiona). Element pomiarowy: termoelement (TC): NiCr-Ni Rys. 7.Spoina pomiarowa typu SP[8] 5.2.3. Zakres pomiarowy: -50 do +1000[ C] - pomiar ciągły, dokładność 2,2[ C] lub 0,75% zakresu pomiarowego. Klasa elementu pomiarowego: 2. 17
18 5.3. Czujnik ATPK4 5.3.1. Zastosowanie: Czujnik stosowany jest jako sonda pomiarowa do przenośnych mierników temperatury (np. TES, FLUKE). Wyeksponowana spoina pomiarowa umożliwia przylgowy pomiar temperatury powierzchni w szczególności małych elementów elektronicznych. 5.3.2. Budowa: Czujnik posiada rękojeść z tworzywa sztucznego (temperatura pracy -20 do +80[ C]). Czujnik posiada stalowe, półkuliste osłony chroniące spoinę przed uszkodzeniami mechanicznymi. Średnica osłony: d = 15[mm] Materiał osłony: stal kwasoodporna 1H18N9 Przewód przyłączeniowy: 120 140 1500 1773 Przewód w izolacji Rys. 8.Czujnik ATPK4[8] poliwimitowej o długości L=1,5m zakończony wtykiem mini. Spoina pomiarowa: SE- spoina wyeksponowana 18
19 Element pomiarowy: Rys. 9. Spoina pomiarowa typu SE[8] termoelement (TC): NiCr-Ni 5.3.3. Zakres pomiarowy: -50 do +800 pomiar ciągły, dokładność 2,2[ C] lub 0,75% zakresu pomiarowego. Klasa elementu pomiarowego: 2 5.4. Czujnik TOPG11 5.4.1. Zastosowanie: Przeznaczony do pomiaru temperatury cieczy i gazów w przemysłowych rurociągach o dużym natężeniu przepływu czynnika oraz zbiornikach ciśnieniowych. 5.4.2. Budowa: Czujnik posiada wymienny wkład pomiarowy typu W1P/6. Wyposażony jest w aluminiową głowicę przyłączeniową typu NA. Średnica osłony: d = 11[mm] Materiał osłony: stal kwasoodporna 1H18N9T Długość osłony: L = 160[mm] Minimalna głębokość zanurzenia: 70[mm] 19
20 Rys. 10.Czujnik typu TOPG11[8] Spoina pomiarowa: Typu SO spoina odizolowana od osłony. Element przetwarzający: Rys. 11.Spoina pomiarowa typu SO[8] Termorezystor (RTD) PT-100 20
21 5.4.3. Zakres pomiarowy: -200 do +700[ C] Obwód pomiarowy: Klasa elementu 2 6. MIERNIKI WYKORZYSTANE W ĆWICZENIU 6.1. Miernik temperatury TES 1307 6.1.1. Informacja o bezpieczeństwie: Przed uruchomieniem miernika należy przeczytać poniższe informacje; Korzystać z miernika tylko w sposób opisany poniżej, w przeciwnym razie nie gwarantuje się bezpiecznych warunków pracy. 6.1.2. Dane techniczne: Zakres pomiarowy: Typ K: - 190[ C] 1333[ C] Typ J: - 190[ C] 760[ C] Rozdzielczości: 0,1[ C], 1[ C] Rozdzielczość 0,1[ C] Tabela 7. Dokładności pomiarowe miernika TES 1307.[9] Zakres Typ K Typ J Dokładność - 190[ C] 0 [ C] - 190[ C] 0[ C] (0,5% odczytu + 0,7 C) 0[ C] 1000[ C] 0[ C] 7600[ C] (0,1% odczytu + 0,5 C) 1[ C] 1000[ C] 1333[ C] (0,2% odczytu + 1 C) 0,1[ C] - 310[ C] 0[ C] - 310[ C] 0[ C] (0,5% odczytu + 1,4 C) 0[ C] 32[ C] - 58[ C] 32[ C] (0,1% odczytu + 1 C) 1[ C] 1000[ C] 2431[ C] 1000 [ C] 1400[ C] (0,2% odczytu + 2 C) 21
22 UWAGA! Dane dotyczące dokładności podstawowej nie zawierają błędu sondy. 6.1.3. Sposób obsługi i funkcje miernika. Wetknąć sondę temperaturową do gniazdka wejściowego T1 lub T2. Nacisnąć jeden raz przycisk ON/OFF/HOLD, aby włączyć miernik. Jeżeli pojawia się -----, oznacza to brak sondy temperatury lub, że sonda jest przerwana. Rys. 12. Miernik TES 1307.[9] 1 Wyświetlacz; 2 Przycisk ON/OFF (włączanie/wyłączanie) i HOLD (zawieszenie); Nacisnąć ten przycisk, aby włączyć termometr Ponowne naciśnięcie tego przycisku spowoduje przejście do trybu HOLD (zawieszenie), termometr pokazuje bieżący odczyt i wstrzymuje dalsze pomiary. Kolejne naciśnięcie przycisku kasuje tryb HOLD. Nacisnąć i przytrzymać przycisk przez 3 sekundy, aby wyłączyć termometr.] 22
23 3 MAX/MIN/AVG Nacisnąć ten przycisk, aby wprowadzić MAX/MIN/AVG z trybem M (wyświetlanie odczytu maksymalnego z czasem, odczytu minimalnego i odczytu średniego zapisanego w trybie M (4 pamięci). Nacisnąć przycisk jeden raz, wyświetlacz LCD pokażę M. Zegar na wyświetlaczu LCD zostanie uruchomiony. Wyświetlacz będzie pokazywał maksymalny wynik pomiaru wraz z czasem, zanotowanym od ostatniego resetowania miernika. Ponowne naciśnięcie tego przycisku pokaże M. Wyświetlacz będzie pokazywał minimalny wynik pomiaru wraz z czasem, zanotowanym od ostatniego resetowania miernika. Ponowne naciśnięcie tego przycisku wyświetlacz pokaże średnią z 10 pierwszych zapisów. Po naciśnięciu i przytrzymaniu przycisku przez 3 sekundy, zapisane wartości maksimum i minimum zostaną wykasowane. Miernik wróci do normalnego trybu. 4 HOLD J; Po naciśnięciu tego przycisku, aby przejść do trybu wartości względnych, gdy jako wartość odniesienia wyświetlane jest zero, pojawia się wyświetlany komunikat 0.0. Ponowne naciśnięcie tego przycisku powoduje wyjście z trybu wartości względnych. Przytrzymując naciśnięty przycisk i naciskając przycisk włączania ON/OFF/HOLD, nastawia się typ termoelementu jako typ J, gdy taki jest włączony. 5 Gniazdo wejścia termoelementu T1; 6 T1/T2/T1-T2; Przy pierwszym włączeniu miernika, jego główny wyświetlacz pokazuje T1, a drugi wyświetlacz pokazuje T2. Gdy zostanie naciśnięty ten przycisk, główny wyświetlacz miernika pokaże T2, a drugi wyświetlacz pokaże T1. Przy ponownym naciśnięciu tego przycisku, główny wyświetlacz miernika pokaże T1- T2, a drugi wyświetlacz pokazuje T1, T2 na przemian. 7 REC/ERASE; 23
24 Zapis (rejestrowanie) danych / resetowanie centralnego rejestru 8 - C/ F; Ten przycisk należy nacisnąć, chcąc zmienić skalę temperatury między C, a F. 9 Gniazdo wejścia termoelementu T2; 10 Złącze RS-232. Rys. 13. Wyświetlacz LCD miernika TES 1307.[9] Tabela 8. Opis funkcji wyświetlacza miernika TES 1307.[9] Numer Funkcja Numer Funkcja 1 Znak ujemnego spolaryzowania 10 Minimum 2 Znak słabej baterii 11 Maksimum 3 Odczyt czasu 12 Pamięć 4 Zegar 13 Tryb wartości względnych 5 Tryb pomiaru (drugi wyświetlacz) 14 Zapis (rejestrowanie) danych 6 Ujemne spolaryzowanie (drugi Tryb pomiaru (główny 15 wyświetlacz) wyświetlacz) 7 Wartość zmierzona (drugi wyświetlacz) 16 Typ K 8 Jednostka C, F 17 Funkcja zawieszania (wstrzymania) 9 Odczyt średni 24
25 6.2. Miernik MY-64. 6.2.1. Zastosowanie miernika. Multimetr może być stosowany do pomiarów: napięcia stałego (DC) i przemiennego (AC); prądu stałego (DC) i przemiennego (AC); rezystancji; kontroli ciągłości obwodu; pojemności; diód półprzewodnikowych i tranzystorów; częstotliwości; temperatury. 6.2.2. Specyfikacja techniczna. Dokładność: ± (X1 % wartości wskazanej + X2 cyfr, działek elementarnych): Pomiar napięcia stałego (DC). Pomiar rezystancji. Tabela 9. Dokładności pomiarowe pomiaru napięcia stałego.[10]. Zakres Rozdzielczość Dokładność 200mV 0,1mV 2V 1mV 20V 10mV ±(0,5% w.w. + 1C) 200V 0,1V 1000V 1V ±(0,8% w.w. + 2C) Tabela 10. Dokładności pomiarowe pomiaru rezystancji.[10]. Zakres Rozdzielczość Dokładność 200Ω 0,1 Ω ±(0,8% w.w. + 3C) 2 kω 1 Ω 20 kω 10 Ω 200 kω 100 Ω ±(0,8% w.w. + 1C) 2MΩ 1k Ω 20M Ω 10k Ω ±(1,0% w.w. + 2C) 25
26 200MΩ 100k Ω ±(5,0% (w.w. 10C)+10C) Dokładność Zakres Rozdzielczość 20 C 0 C 0 C 400 C 400 C 1000 C 20 C 1000 C 1 C ±(5,0% w.w. + 4C) ±(1,0% w.w. + 3C) ±(2,0% w.w. ) Pomiar temperatury. Tabela 11. Dokładności pomiarowe pomiaru temperatury.[10] 6.2.3. Opis elementów zewnętrznych przyrządu. Rys. 14. Miernik MY-64.[10] Tabela 12. Opis elementów zewnętrznych miernika MY-64.[10] Numer Funkcja 1 Włącznik/wyłącznik zasilania ON/OFF 26
27 2 Gniazdo wejściowe do pomiaru pojemności 3 Gniazdo wejściowe do pomiaru temperatury TEMP 4 Wyświetlacz 5 Gniazdo wejściowe testera tranzystorów 6 Przełącznik funkcji i zakresów pomiarowych 7 Gniazda wejściowe: V/Ω/Hz, COM(do podłączenia ujemnego przewodu), ma oraz A 6.2.4. Wykonanie pomiarów Pomiar napięcia stałego: Przyłączyć - do wejścia COM, a + do wejścia V/Ω/Hz Przełącznik funkcji multimetru przełączyć na zakresy w obrębie napięć stałych V, a następnie przyłączyć przewody pomiarowe równolegle do końców, zacisków itp., między którymi mierzone jest napięcie Odczytać wskazanie przyrządu. Jeśli na wyświetlaczu pojawi się cyfra 1, informująca o przekroczeniu zakresu pomiarowego, przełącznik funkcji należy ustawić na wyższy zakres Pomiar rezystancji: Przyłączyć czarny przewód do gniazda COM, a przewód czerwony do gniazda V/Ω/Hz. Przełącznik funkcji multimetru przełączyć na zakresy w obrębie rezystancji Ω, a następnie przyłączyć przewody pomiarowe do zacisków badanej rezystancji. Jeżeli wartość rezystancji przekracza maksymalną wartość dla danego zakresu pomiarowego lub gdy obwód pomiarowe rezystancji nie jest zamknięty, wyświetlony zostanie symbol 1. Pomiar temperatury: Przełącznik funkcji multimetru przełączyć na pozycję TEMP - C. Na wyświetlaczu zostanie wyświetlona temperatura otoczenia. 27
28 Do gniazda oznaczonego symbolem TEMP włożyć zaciski sondy typu K. Końcem sondy dotknąć obiektu, którego temperaturę chcemy zmierzyć. Wartość odczytać z wyświetlacza. Zamierzając po skończonych pomiarach temperatury przeprowadzić pomiar innych wielkości, należy zaciski sondy wyjąć z gniazda TEMP. 6.3. Pirometr z termometrem kontaktowym TES-1322 6.3.1. Dane techniczne: Pirometr: Zakres pomiarowy: -20 C 500 C Rozdzielczość: 1 C Dokładność: ±3% wartości odczytu lub ±3 C Współczynnik temperaturowy: 0,1 mnożone przez odpowiednią, podaną dokładność na każdy C w zakresie 0 C 18 C i 28 C 40 C. Czas odpowiedzi: 1 raz na sekundę. Zakres widmowy 6 ~ 14 nm. Pole widzenia: stosunek optyczny 8:1 przy minimalnym obiekcie 1. Współczynnik emisji: 0,1 ~ 1,0 Wskaźnik: laserowy 1mW (klasa2). Czujnik: Termoelement. Miernik kontaktowy z termoparą typu K: Zakres pomiarowy: -50 C 1333 C Rozdzielczość: 0,1 C, 1 C Czas odpowiedzi: 1 raz na sekundę. 28
29 Współczynnik temperaturowy: 0,1 mnożone przez odpowiednią, podaną dokładność na każdy C w zakresie 0 C 18 C i 28 C 40 C. Tabela 13. Dokładności pomiarowe miernika.[11]. Rozdzielczość Zakres Dokładność 50 C 0 C ±(0,2 % rdg + 1,0 C) 0,1 C 0 C 200 C ±(0,1 % rdg + 0,8 C) 1,0 C 200 1333 C ±(0,2 % rdg + 2 C) 6.3.2. Opis elementów zewnętrznych miernika Rys. 15. Pirometr z termometrem kontaktowym TES 1322.[11] 29
30 Opis elementów zewnętrznych miernika TES-1322 [11] Numer Funkcja 1 Wyświetlacz 2 Przycisk podświetlania 3 Przycisk włączenia zasilania 4 Przycisk wskaźnika laserowego 5 Wybór trybu pomiaru (pirometr --- termometr kontaktowy) 6 Wtyk wejścia termoelementu typu K 7 Otwór lasera 8 Soczewki ogniskujące Tabela 14 Rys. 16. Wyświetlacz LCD miernika TES -1322.[11] Opis funkcji wyświetlacza miernika TES 1322. Tabela 15 Numer Funkcja 1 Znak wyczerpanej baterii 2 Maksimum 3 Ujemne spolaryzowanie 4 Wartość zmierzona 5 Jednostka C, F 6 Wskaźnik laserowy 7 Funkcja zatrzymania 8 Alarm górny (Hi) 9 Alarm dolny (Lo) 10 Symbol SET 30
31 6.3.3. Pomiar temperatury: Nacisnąć przycisk MEAS, aby włączyć miernik i rozpocząć pomiar. Zwolnić przycisk MEAS aby zakończyć pomiar i automatycznie zatrzymać wynik. Pomiar wartości maksymalnych: nacisnąć przycisk MEAS oraz nacisnąć przycisk MODE, aby wybrać pomiar wartości maksymalnej i tryb pomiaru ogólnego. Ciągły pomiar: Nacisnąć przyciski MODE i MEAS, aby włączyć zasilanie. Pirometr rozpoczyna pomiar ciągły. W międzyczasie na wyświetlaczu LCD znika symbol H, co znaczy, że niedostępna jest funkcja zatrzymania. W czasie pomiaru ciągłego, aby zatrzymać pomiar i zablokować odczyt należy nacisnąć przycisk MEAS W czasie pomiaru ciągłego, aby wybrać pomiar wartości maksymalnej i tryb pomiaru ogólnego należy nacisnąć i trzymać przycisk MEAS i nacisnąć przycisk MODE Pomiar za pomocą termoelementu typu K: W trybie pomiaru w podczerwieni, naciśnięcie przycisku MODE powoduje przejście do pomiaru za pomocą termoelementu typu K. W trybie pomiaru za pomocą termoelementu typu K, naciśnięcie przycisku MEAS przez 3 sekundy powoduje wyłączenie miernika. 6.3.4. Wybór jednostki C, F Przy włączeniu miernika na wyświetlaczu pojawia się taka jednostka temperatury, jaka była używana przy ostatnim pomiarze. Gdy trzeba zmienić jednostkę temperatury, należy przede wszystkim wyłączyć miernik, a następnie nacisnąć i przytrzymać ( C) lub ( F) i nacisnąć przycisk MEAS, aby włączyć miernik otrzymując właściwą jednostkę. 31
32 7. OPRACOWANIE WYNIKÓW 7.1. Przedstawić teoretyczne aspekty realizowanego ćwiczenia laboratoryjnego. 7.2. Przeprowadzić analizę błędów pomiarowych oraz przedstawić wady i zalety wykorzystanych systemów i metod pomiaru.. 7.3. Przeprowadzić analizę uzyskanych wyników pomiarów. 7.4. Opracować wnioski i zalecenia. Dla realizacji ćwiczenia laboratoryjnego niezbędne jest przeprowadzenie wzorcowania następujących czujników temperatury wyznaczonych przez prowadzącego zajęcia. Wzorcowanie należy przeprowadzić względem czujnika ATPK4. Niezbędne jest przedstawienie uzyskanych wyników na wykresach wraz z aproksymacją oraz z podaniem wartości współczynników. - na osi odciętych (x) mv na rzędnych 0 C; - na osi odciętych (x) czas [s] na rzędnych 0 C; - porównanie wyników uzyskanych z pirometru na polu czarnym płyty grzewczej i na polu miedzianym; - przeanalizować zmianę temperatury płyty grzewczej (miedzianej) bezpośrednio po wyłączeniu nagrzewania 7.5. Opracować wnioski z przeprowadzonych badań wraz z analizą możliwości poprawy dokładności prowadzenia badań. 8. LITERATURA [1] PN-EN 60584-1:1997. Termoelementy Charakterystyki. [2] PN-EN 60584-2:1997. Termoelementy Tolerancje. [3] PN-83 / M-53861. Termometry elektryczne - Głowice czujników [4] PN-89 / M-53859. Termometry elektryczne - Przewody kompensacyjne dla termoelementów. [5] PN-79/M-53857 Termometry elektryczne - Osłony czujników. 32
33 [6] PN-EN 60751 +A2:1997. Czujniki platynowe przemysłowych termometrów rezystancyjnych [7] www.scholaris.pl. [8] www.introl.pl. [9] Instrukcja obsługi Termometru TES-1307. Introl Sp. z o.o [10] Instrukcja obsługi Multimetru MY-64. [11] Instrukcja obsługi Pirometr z Termometrem Kontaktowym Introl Sp. z o.o [12] Michalski L., Eckersdorf K., Kucharski J.: Termometria. Przyrządy i metody. Łódź: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 1998. [13] Rząsa M., Kiczma B.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury. Warszawa: WKŁ,2005. PRZYKŁADOWE KARTY POMIAROWE Czujnik ATPK2 Czujnik ATPK4 Czujnik IT CPG-K Żółta termopara Biała termopara Złącze miedź - stal Czas[min] Temperatura [ C] Temperatura [ C] Napięcie [mv] Temperatura [ C] Napięcie [mv] Napięcie [mv] 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33
Pirometr TES-1322 pomiar na polu miedzianym Temperatura Czas[min] [ C] 0 5 10 15 20 25 30 Diagnostyka pojazdów szynowych Pirometr TES-1322 pomiar na polu czarnym Temperatura Czas[min] [ C] 0 5 10 15 20 25 30 34 Czujnik ATPK4 Czujnik ATPK2 Czujnik IT CPG-K Czujnik PT100 Zielona termopara Pirometr Temperatura Temperatura Napięcie Rezystancja Napięcie Temperatura [ C] [ C] [mv] [Ω] [mv] [ C] 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 34