POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ INśYNIERII PRODUKCJI INSTYTUT TECHNIK WYTWARZANIA SENSORYKA http://www.cim.pw.edu.pl/sensoryka Ćwiczenie 3 Czujniki temperatury ZAKŁAD AUTOMATYZACJI, OBRABIAREK I OBRÓBKI SKRAWANIEM
1. POMIAR TEMPERATURY. 1.1. Wstęp W pomiarach temperatury wykorzystuje się zaleŝność właściwości materiałów od temperatury. W pierwszych termometrach wykorzystywano zmiany objętości cieczy w funkcji zmian temperatury. Obecnie wykorzystuje się równieŝ zmiany rezystancji, ciśnienia i innych wielkości. Przy pomiarach pośrednich istnieje w zasadzie dowolność wyboru skali; w trakcie rozwoju termometrii powstało więc szereg skal temperatur. Obecnie powszechnie stosowana jest międzynarodowa praktyczna skala temperatury, pokrywająca się ze skalą Celsjusza. Międzynarodowa praktyczna skala temperatury wyznaczona jest przez kilka punktów stałych (tymi punktami są temperatura wrzenia lub krzepnięcia róŝnych ciał), między którymi dokonuje się interpolacji. Do interpolacji między punktami stałymi, dla przedziału: 180-630 C uŝywa się termometru platynowego, dla przedziału: 630-1063 C - termoelementu platyna-platynarod (10% Rh), a powyŝej temperatury 1063 C -pirometru monochromatycznego. Punkty stałe skali przyjęte na międzynarodowej konferencji miar i wag w 1968 r. zestawiono w tab. 8.1. Tak zdefiniowana skala temperatury pokrywa się ze skalą termodynamiczną. Poprzednie wersje międzynarodowej skali temperatury (z 1933 r. i 1948 r.) róŝniły się nieznacznie od skali termodynamicznej. 1.2. Rodzaje termometrów. Temperatura jest w przemyśle najczęściej mierzoną wielkością fizyczną. Pomiary temperatury występują we wszystkich właściwie gałęziach przemysłu. Wymagane zakresy i dokładności pomiaru temperatury, Ŝądana postać sygnału wyjściowego oraz warunki pracy są przy tym bardzo róŝnorodne. ZaleŜnie od wymagań stosowane są róŝne rodzaje termometrów, wykorzystujące róŝne zjawiska fizyczne. MoŜna wyróŝnić następujące rodzaje termometrów: 1. Rozszerzalnościowe, w których wykorzystuje się zjawisko rozszerzalności cieczy lub ciał stałych. 2. Ciśnieniowe, wykorzystujące zaleŝność ciśnienia cieczy lub gazu od temperatury, przy stałej ich objętości. 3. Rezystancyjne, w których wykorzystywana jest zaleŝność rezystancji metali (np. platyny, miedzi, niklu) oraz półprzewodników od temperatury. 4. Termoelektryczne, w których wykorzystywane jest zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w obwodzie, w którym dwa złącza dwóch róŝnych metali znajdują się w róŝnej temperaturze. 5. Pirometryczne, w których wykorzystywana jest zaleŝność spektralnego rozkładu promieniowania emitowanego, od temperatury ciała emitującego. 2
Zakresy pomiarowe róŝnych rodzajów termometrów zestawiono w tabeli poniŝej: Przy pomiarze temperatury termometrem stykowym między czujnikiem termometru a obiektem badanym występuje wymiana ciepła, w wyniku której temperatura czujnika i obiektu powinny się wyrównać. Temperatura czujnika i obiektu badanego wyrównają się w stanie ustalonym, jeŝeli istnieje między nimi idealne sprzęŝenie cieplne. W rzeczywistości wymiana ciepła między obiektem a czujnikiem odbywa się ze stratami, wskutek czego temperatura czujnika róŝni się od temperatury obiektu badanego. PoniewaŜ termometry są konstruowane tak, aby moŝliwie dokładnie przetwarzały temperaturę czujnika na sygnał wyjściowy, róŝnica temperatury między czujnikiem a obiektem prowadzi do powstania błędu dodatkowego, niezaleŝnego od klasy termometru. V=V 0 -V 1 przy czym: V 0 - temperatura obiektu (ośrodka), V 1 - temperatura czujnika. 1.3. Termometry rezystancyjne W termometrach rezystancyjnych (oporowych) wykorzystuje się zaleŝność rezystancji niektórych metali oraz niektórych półprzewodników od temperatury. ZaleŜność taką wykazują prawie wszystkie znane materiały, jednak tylko nieliczne nadają się do wykorzystania w czujnikach temperatury (termometrach). Materiał, z którego ma być wykonany rezystancyjny czujnik temperatury, powinien charakteryzować się stałością charakterystyki rezystancji w funkcji temperatury, duŝym współczynnikiem temperaturowym, odpornością na wpływy czynników zewnętrznych. Technologia wytwarzania tego materiału powinna umoŝliwiać uzyskiwanie czujników o powtarzalnych parametrach. W praktyce pomiarowej największe zastosowanie znalazły rezystory metaliczne (drutowe lub cienkowarstwowe - napylane), platynowe, niklowe i miedziane oraz półprzewodnikowe, wykonane z tlenków Ŝelaza, manganu, litu i tytanu (tzw. termistory). Największe znaczenie w miernictwie mają termo rezystory platynowe. Mają one bardzo stabilne i powtarzalne w kolejnych egzemplarzach parametry, jeŝeli tylko wykonane są z dostatecznie czystej platyny. Współczynnik temperaturowy rezystancji platyny zaleŝy od jej czystości i jest większy dla czystej platyny. Do wyrobu termorezystorów stosuje się platynę, której współczynnik α jest nie mniejszy niŝ 0,385. Nieliniowość charakterystyk termorezystorów platynowych w przedziale 0-100 C nie przekracza 0,38 C. Właściwości te spowodowały, Ŝe w zakresie do ok. 700 C termorezystory platynowe słuŝą jako wzorce temperaturowe i umoŝliwiają wykonywanie najdokładniejszych pomiarów. 3
rys. 1.1 Charakterystyki termorezystorów; 1-platynowego, 2-termistora Termorezystory półprzewodnikowe - termistory charakteryzują się duŝym, prawie dziesięciokrotnie większym niŝ termorezystory metaliczne współczynnikiem temperaturowym α. Dla porównania na rys. 1.1 przedstawiono charakterystyki termistora i termorezystora platynowego. Jak widać, współczynnik α jest dla termistora ujemny (rezystancja termistora maleje ze wzrostem temperatury) i zaleŝny od temperatury (charakterystyka jest nieliniowa). Termistory są uŝywane w przedziale temperatury ok. -50 C - ok. 150 C, ich podstawową zaletę stanowi duŝa czułość, główne wady to silnie nieliniowa charakterystyka i duŝy rozrzut parametrów. Rozrzut parametrów utrudnia wymianę termistorów w układach pomiarowych, nawet jeŝeli dysponujemy elementami z tej samej serii produkcyjnej. Charakterystyki termistorów mogą być w niewielkim zakresie korygowane przez dołączenie równolegle lub szeregowo-równolegle korekcyjnych rezystorów manganinowych. Termistory są wykonywane w postaci prętów, płytek lub drobnych zatapianych w szkle perełek. Te ostatnie, zwane miniaturowymi, charakteryzują się bardzo małą bezwładnością cieplną. rys. 1.2 Termistory a) masywne niehermetyzowane, b) perełkowe zatapiane w szkle Pomiar temperatury z uŝyciem czujników termorezystancyjnych sprowadza się do pomiaru rezystancji, jedną ze stosowanych w miernictwie elektrycznym metod. Najczęściej do takich pomiarów są stosowane mostki niezrównowaŝone oraz równowaŝone ręcznie lub automatycznie. Stosunkowo duŝe zmiany rezystancji powodują, Ŝe w przypadku mostków niezrównowaŝonych nie moŝna pominąć nieliniowości charakterystyki mostka. DuŜa czułość termorezystorów na zmiany temperatury powoduje konieczność (dla uniknięcia błędów wynikających z samonagrzewania) ograniczania płynącego przez nie prądu. Jest to szczególnie waŝne przy korzystaniu z termistorów. Błąd dodatkowy, który naleŝy uwzględniać przy pomiarach temperatury z uŝyciem termorezystorów, jest powodowany temperaturowymi zmianami rezystancji przewodów łączących. PoniewaŜ długość połączeń mostka z czujnikiem oraz zmiany temperatury wzdłuŝ nich mogą być znaczne, błąd ten nie zawsze jest pomijalny. 4
Schemat układu z kompensacją wpływu zmian rezystancji przewodów łączących przedstawiono na rys. 1.3. Zmiany temperatury doprowadzeń powodują zmiany rezystancji w sąsiednich gałęziach mostka, a więc nie mają wpływu na jego równowagę. rys. 1.3 Mostek temometryczny z kompensacją temperaturowych zmian przewodów łączących (R v -termorezystor) 1.4. Termometry termoelektryczne Do pomiaru temperatury jest wykorzystywane zjawisko termoelektryczne Seebecka, polegające na powstawaniu zaleŝnej od temperatury siły elektromotorycznej na styku dwóch róŝnych metali. W prostym obwodzie zawierającym dwa metale A i B (rys. 1.4) powstaną siły elektromotoryczne. JeŜeli temperatura V 0 jest znana, moŝna określić temperaturę mierząc wypadkową siłę termoelektryczną E; złącze dwóch metali moŝe być wykorzystane jako czujnik temperatury. Taki czujnik zwany jest termoelementem. Włączenie w obwód termoelementu przyrządu do pomiaru siły termoelektrycznej E oznacza wprowadzenie w ten obwód przynajmniej jeszcze jednego przewodu C. rys. 1.4 Prosty obwód termoelektryczny 5
Termoelementy otrzymuje się łącząc trwale (przez zespawanie, zlutowanie, zagniecenie) końce drutów z odpowiednich metali. W miejscu połączenia powstaje spoina, pozostałe końce drutów są to tzw. końce wolne. Konstrukcja termoelementu zaleŝy od jego przeznaczenia. rys. 1.5 Dwa sposoby włączania miliwoltomierza w obwód termoelementu Na rys. 1.6 przedstawiono przykładowo konstrukcję termometru termoelektrycznego typu przemysłowego przeznaczonego do pomiarów temperatury w rurociągach, zbiornikach, piecach itp. Termometr ten ma masywne osłony ceramiczne i metalowe i charakteryzuje się duŝą bezwładnością cieplną. Wykonywane są równieŝ termoelementy przeznaczenia specjalnego do pomiarów powierzchniowych, rys. 1.6 Budowa czujnika termoelektrycznego oraz budowa termoelementu o małej bezwładności cieplnej o bardzo małej bezwładności cieplnej i in. Na powyŝej przedstawiono interesujące rozwiązanie termoelementu o małej bezwładności. Jeden z drutów umieszczony jest wewnątrz drugiego i izolowany cienką warstwą tlenku. Spoina znajduje się na końcu tak otrzymanego przewodu koncentrycznego o średnicy zewnętrznej ok. 0,4 mm. Parametry najczęściej uŝywanych termoelementów zestawiono w tabeli poniŝej. Szczególne miejsce zajmuje wśród nich termoelement platyna-platynorod. Ma on wprawdzie 6
niewielką czułość, ale ze względu na stabilność charakterystyki słuŝy jako wzorzec w zakresie 630-1063 C. Charakterystyki kilku termoelementów przedstawiono na rys. 1.7. Do pomiaru sił (napięć) termoelektrycznych są stosowane przyrządy przeznaczone do pomiaru małych napięć stałych, a więc miliwoltomierze magnetoelektryczne i cyfrowe oraz kompensatory ręczne i automatyczne. rys. 1.7 Charakterystyki termoelementów: 1-platyna-platynorod; 2-nichrom-nikiel; 3-Ŝelazo-konstantan; 4-miedź-konstantan 1.5. Wykonanie ćwiczenia: Stanowisko pomiarowe składa się z: wzorcowego termometru cyfrowego multimetru cyfrowego komputera z kartą pomiarową wraz z odpowiednim oprogramowaniem dwóch badanych czujników (termistor i termopara) NaleŜy zbadać charakterystykę czujników: - Termistora (pomiar oporności multimetrem cyfrowym); - Termopary (pomiar napięcia wirtualny woltomierz zaprogramowany w LabVIEW, wykorzystujący kartę pomiarową). 7
rys. 1.8 Program do pomiaru napięcia termopary Opis działania programu: Po uruchomieniu programu wybrać nr kanału, do którego podłączony jest czujnik (domyślnie kanał 0); Następnie suwakiem wybrać częstość próbkowania, czyli wartość czasu - co ile milisekund ma być mierzone napięcie; Po kliknięci przycisku START mierzone jest napięcie termopary (znika przycisk Zapis do pliku ). Pomiar jest wykonywany tak długo aŝ zostanie naciśnięty przycisk STOP. MoŜna kontynuować pomiary wciskając ponownie przycisk START. Po zakończeniu rejestracji sygnału, dane naleŝy zapisać do pliku nadając mu odpowiednią nazwę i rozszerzenie txt W prawych górnym rogu programu cały czas wyświetlana jest wartość chwilowa napięcia termopary, bez względu na to czy rejestracja jest uruchomiona, czy teŝ nie. Wykres zmian napięcia termopary rysowany jest wyłącznie w tracie rejestracji danych. 1.6. Przykładowe pytania 1. Wymienić i opisać rodzaje termoelementów. 2. Budowa i zasada działania termopary. 3. Budowa i zasada działania termistora. 4. Co to jest bezwładność czujnika? 5. Dlaczego przy pomiarze temperatury termoparą przewody pomiarowe powinny być jak najkrótsze? 6. Gdzie w przemyśle stosuje się czujniki temperatury? 7. Z jaką dokładnością najczęściej mierzona jest temperatura? 8. Wymień inne typy termometrów niŝ termistor i termopara. 8