pobieranie: instrukcja elektryczne metody pomiaru temperatury
Pobierz dokument docPrzeglądaj wersję html pliku:
1.Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z elektrycznymi metodami
pomiaru temperatury , budową i zasadą działania czujników
wykorzystywanych do tych badań.
2.Wprowadzenie
Pomiarów temperatury dokonuje się metodami pośrednimi , w
których wykorzystuje się zmiany właściwości fizycznych lub
chemicznych ciał pod wpływem zmian temperatury. Dokonywanie pomiarów
temperatury narzuca na badacz konieczność wprowadzenia punktów
odniesienia – skali temperatur. Najbardziej rozpowszechnione skale
temperatur to skala Celsjusza i skala Fahrenheita. Obydwie skale bazują
na dwóch punktach charakterystycznych , którymi są temperatura
zamarzania i wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu powietrza ( 1013 hPa
) . W skali Celsjusza różnice między dwoma punktami bazowymi
podzielono na 100 jednostek – stopni , zaś skal Fahrenheita została
podzielona na 180 jednostek – stopni. W zastosowaniach technicznych
używa się często uniwersalnej skali temperatur. Jednostką miary jest
Kelvin ( K ) równy 10C. Podstawą skali Kelvina jest temperatura
273,16 K (punkt potrójny wody ).
Rozróżnia się trzy podstawowe rodzaje metod pomiaru temperatury:
metody nieelektryczne;
metody radiacyjne;
metody elektryczne;
Metody nieelektryczne pomiaru temperatury bazują na zmianach stanu
lub właściwości fizyczno
chemicznych pod wpływem temperatury ( np. termometr rtęciowy ,
bimetalowy lub ciśnieniowy ).
Metody radiacyjne pomiaru temperatury wykorzystują zależność
zmian promieniowania emitowanego przez powierzchnię ciała w funkcji
temperatury ( np. pirometr optyczny )
Metody elektryczne podzielić można na dwie grupy . Metody
parametryczne pomiaru wykorzystujące zmianę parametrów elektrycznych
czujnika w funkcji temperatury ( termorezystory ) i metody generacyjne
oparte o czujniki wytwarzające pod wpływem temperatury energię ,
której zmiany związane są ze zmianami temperatury ( termoogniwa ) .
2.1 Czujniki parametryczne metod elektrycznych pomiaru temperatury
2.1.1 Czujniki rezystancyjne ( termorezystory )
W układach pomiarowych z czujnikami tego typu wykorzystuje się
odwracalne zmiany rezystancji określonych materiałów pod wpływem
zmian temperatury.
2.1.1.1 Czujniki rezystancyjne metalowe
W czujnikach rezystancyjnych metalowych wraz ze wzrostem
temperatury rośnie również ich rezystancja , której zmiany można
opisać wzorem :
(1)
, gdzie RT – rezystancja w temperaturze rezystora T
R0 – rezystancja rezystora w temperaturze 0 K
am – stałe wyznaczane doświadczalnie
Dla Temperatur bliskich 00C (ok.273K) wzór (1) można zapisać
jako zależność liniową :
(2)
, gdzie α – temperaturowy współczynnik rezystancji [ (/(/0C]
T – temperatura odniesienia do zera
Przy doborze metali , z których wykonuje się termorezystory
metalowe kierowano się następującymi ich właściwościami :
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 ;
Najczęściej wykorzystywane termorezystory metalowe to :
1.Termorezystory platynowe ( Pt ) , mające najszersze zastosowanie. Ich
zalety to duża stałość własności fizycznych , odporność na
korozję i łatwość obróbki mechanicznej. Używana w tych czujnikach
platyna cechuje się dużą czystością . Typowy zakres pracy tego
czujnika to -200÷+8000C.
2.Termorezystory niklowe ( Ni ) , Zalety tych czujników to względnie
duży współczynnik temperaturowy , dosyć duża odporność na
działanie związków agresywnych i utlenianie. Do wad należy zaliczyć
dużą nieliniowość charakterystyk przetwarzania powyżej 3500C.
Zakres pracy termorezystorów niklowych
-60÷1800C.
3.Termorezystory miedziowe ( Cu ), Podstawową zaletą tych czujników
jest możliwość wykonania ich we własnym zakresie. Mimo wysokiej
temperatury topnienia i dużego zakresu pomiarowego nie są zbyt często
wykorzystywane. Praca tych czujników zazwyczaj odbywa się temperaturze
otoczenia , głównie wykorzystywane są chłodnictwie.
=f(t)dla termorezystora platynowego ( Pt) , niklowego (Ni ) miedzianego
( Cu)
Termorezystory wykonuje się jako płytkowe , warstwowe , napylane
( o różnych kształtach i wymiarach ) lub w postaci pałeczek ( drut
nawinięty na ceramiczny rdzeń ).
W termorezystorach metalowych stosuje się obudowy aby umożliwić
ich pracę w trudnych warunkach fizycznych lub chemicznych ( np.
obudowy ciśnieniowe , przeciwwybuchowe ). Rozmiary obudowy często
znacznie przekraczają rozmiary samego czujnika.
Najpopularniejsze rodzaje termorezystorów to Pt100 , Ni100 , Cu100
. Pierwsza część nazwy czujnika mówi o rodzaju materiału z jakiego
został wykonany , druga mówi jaką ten przetwornik ma wartość
rezystancji dla temperatury 00C.
Istotnym czynnikiem mogącym mieć wpływ na dokładność
przeprowadzanych badań jest prąd pomiarowy płynący przez czujnik.
Zbyt duża jego wartość spowodować może samopodgrzewanie się
czujnika , a w efekcie wzrost jego rezystancji i zakłócenie
prawidłowego pomiaru. Dlatego producenci często podają prąd
graniczny mogący płynąć przez czujnik lub dopuszczalną moc jaka
może się na nim wydzielić. Przekroczenie tych wartości spowodować
może efekt samopodgrzania się czujnika.
2.1.1.2 Układy mierników temperatury z termorezystorami metalowymi
Zadanie pomiaru temperatury sprowadza się do znalezienia wartości
rezystancji i jej zmian związanych ze zmianami temperatury. Głównym
elementem wprowadzającym zakłócenia są rezystancje przewodów
łączących czujnik z układem pomiarowym i zmiany ich rezystancji pod
wpływem zmian temperatury. Głównym zadaniem układów pomiarowych
zlikwidowanie tych zakłóceń , a także zapewnienie stałości
zasilania.
a)
b)
c)
d)
ys.2.2 Układ miernika temperatury do współpracy z termorezystorami
metalowymi (a) z rezystorem wzorcowym , (b) połączenie trójprzewodowe
, (c) połączenie czteroprzewodowe , (d) połączenie logometryczne
1.Układ z rezystorem wzorcowym ( Rys.2.2a )
Układ ten służy do eliminacji wpływu zmian rezystancji
przewodów łączeniowych. Dla zwartego termorezystora RX i włączonym
rezystorze RW . Regulując potencjometrem RK ustala się w układzie
pomiarowym wartość odpowiadającą rezystancji RW.
2.Układ połączenia trójprzewodowego ( Rys.2.2b )
Układ połączenia trójprzewodowego jest to połączenie mostkowe
czujnika. Przez odpowiedni dobór parametrów obwodu elektrycznego
można niemal całkowicie wyeliminować wpływ rezystancji przewodów
łączących RP. Warunki równowagi mostka , przy założeniu Równości
rezystancji przewodów łączących Rp= RP1= RP2 mają postać :
(3)
(4)
Dobierając R2=R4 można wyeliminować wpływ rezystancji
przewodów łączących RP. tak więc wpływ rezystancji przewodów
łączących zależy od dokładności doboru rezystorów R2 , R4 a
także równości rezystancji RP.
3.Układ połączeń czteroprzewodowych ( Rys.2.2c)
Układ ten realizuje pomiar spadku napięcia na rezystorze
pomiarowym przy stałej wartości przepływającego przez niego prądu.
Warunkiem poprawności przeprowadzenia badania jest zastosowanie
woltomierza o bardzo dużej rezystancji wejściowej. W tym układzie
eliminuje się całkowicie wpływ rezystancji przewodów łączących.
Ważnym warunkiem dokładności pomiaru jest zapewnienie stałości
prądu zasilającego.
4.Układy logometryczne ( Rys.2.2d )
Układ tego typu zapewnia pomijalnie mały wpływ niestabilności
napięcia zasilania na dokładność pomiaru. Działanie układu z
rys2.2d można opisać następująco. Zakładając , że wskazanie
przyrządu pomiarowego α=f[I1(t) / I2(t) ] , oraz że RW ma stałą
wartość to wychylenie przyrządu pomiarowego zależeć będzie tylko
od zmian wartości rezystora RT , a więc tylko od temperatury.
5.Układy mostkowe ( Rys.2.3 )
Przykładem takiego układu pomiarowego jest układ
niezrównoważonego mostka Wheatstone’a przystosowany do współpracy
z termorezystorami metalowymi. W mostku tym rezystorami stosunkowymi są
R1 , R2 , R3 , natomiast napięcie niezrównoważenia mierzone jest
przez miliwoltomierz wyskalowany w stopniach Celsiusza. Połączenie
tego układu jako trójprzewodowy zapewnia eliminację zmian temperatury
przewodów łączących. Zasilanie odbywa się przez stabilizator
prądu.
Rys.2.2 Układ miernika temperatury do współpracy z termorezystorami
metalowymi w układzie mostkowym
2.1.2.1.Termorezystory półprzewodnikowe ( termistory )
Czujniki tego typu wykonywane są z półprzewodników. Do ich
produkcji wykorzystuje się tlenki manganu (Mn) , żelaza (Fe) , czy
niklu (Ni). Wytwarzanie tych czujników wymaga zachowania
rygorystycznych warunków technologicznych. Podstawową ich zaletą jest
duża czułość ( duży temperaturowy współczynnik rezystancji około
3%÷4% / K i jest przynajmniej o rząd wielkości większa od czułości
termorezystorów metalowych ) , duża rezystywność i co z tego wynika
małe wymiary. Do wad czujników termorezystancyjnych
półprzewodnikowych należy przede wszystkim duża nieliniowość
charakterystyki , a także duży rozrzut parametrów czujników w ramach
jednej partii produkcyjnej , oraz niestabilność czasowa. Produkowane
są dwa typy termistorów :
1.Termistory typu PTC ;
2.Termistory typu NTC;
a) b)
Rys.2.4 Charakterystyki przetwarzania czujnika typu (a)PTC , (b)NTC
Termistory typu PTC ( Positive termally coefficient ) zwane też
pozystorami. Czujniki te charakteryzują się dodatnim temperaturowym
współczynnikiem zmian rezystancji. Wykorzystuje się je najczęściej
jako czujniki wykrywające zmianę temperatury. Wynika to z tego , że w
pewnym zakresie jego charakterystyka jest zbliżona do przekaźnikowej (
Rys.2.4 a)
Znacznie szersze zastosowanie mają termistory typu NTC ( Negative
termally coefficient ) o ujemnym temperaturowym współczynnikiem zmian
rezystancji. Charakterystyka przetwarzania takiego czujnika pokazana
jest na rys.2.4b.Typowy zakres pomiarowy termistorów NTC zawiera się
między
-100÷+1500C.
Zależność rezystancji termistora od temperatury można
przedstawić wzorem :
(5)
, gdzie RT0 – rezystancja termistora w temperaturze odniesienia T0
RT – rezystancja w temperaturze T
( – stała zależna od materiału , z którego został
wykonany termistor
Współczynnik temperaturowy zmian rezystancji można zapisać jako
:
(6)
i mieści się w granicach -2÷-6% /K. Wymiary najbardziej powszechnych
konstrukcji odpowiednio wynoszą:
dla termistorów perełkowych średnica do 1mm , z ochronną obudową
szklaną do 2mm
dla termistorów płytkowych o kształcie walca średnica przy podstawie
wynosi od 1 do 10mm wysokośc do 2mm.
Zastosowanie ochronnej warstwy zapewnia większą stabilność
czasową czujnika. Częściowej eliminacji wady termistorów jaką jest
duży rozrzut parametrów czujników nawet w ramach jednej serii
produkcyjnej ( dotyczy to zwłaszcza parametrów RT0 i β ) dokonuje
się poprzez selekcję w ramach jednej serii.
Ważnym parametrem wpływającym na dokładność pomiaru jest
podobnie jak w przypadku termorezystorów metalowych konieczność
określenia maksymalnego dopuszczalnego prądu pomiarowego.
Przekroczenie tej wartości spowoduje efekt samopodgrzania i czujnik
będzie miał wyższą temperaturę niż ośrodek , w którym się
znajduje , spowoduje to spadek rezystancji termistora a co za tym idzie
napięcia i to pomimo wzrostu prądu pomiarowego. Wynika to z przebiegu
charakterystyk prądowo-napieciowych ( Rys.2.5 ).
Rys.2.5 Charakterystyki napięciowo-prądowe dla termistora typu NTC
Aby uniknąć tego niekorzystnego efektu należy wykorzystać tylko
wznoszącą się część charakterystyki z rys 2.5 określając
dopuszczalny prąd pomiarowy.
2.1.2.2.Układy mierników temperatury z termorezystorami
półprzewodnikowymi
Ze względu na dużą rezystancję i czułość czujnika wpływ
rezystancji przewodów doprowadzających , a także jej zmiana pod
wpływem zmian temperatury jest pomijalnie mała. Głównym problemem
jest konieczność linearyzacji charakterystyk przetwarzania. Dodatkowym
wymogiem przy konstruowaniu układów pomiarowych jest konieczność
zastosowania elementów , dzięki którym można w przypadku wymiany
czujników dopasować układ pomiarowy do nowego czujnika. Wynika to z
dużego rozrzutu własności poszczególnych czujników.
Można zastosować następujące układy pomiarowe :
1.Szeregowe połączenie termistora z rezystorem i zasilanie napięciem
stałym
Płynący w tym układzie prąd można opisać zależnością :
(7)
, gdzie Rd – rezystancja włączonego szeregowo rezystora ;
Rm – rezystancja miernika ;
Β – stała zależna od materiału termistora ;
Rys.2.6 Charakterystyka przetwarzania układu szeregowego połączenia
termistora z rezystorem
Taki układ pomiarowy nie jest optymalny ze względu energetycznych
, a jego zakres pracy obejmuje tylko część w przybliżeniu liniowej
charakterystyki wokół punktu P.
2.Równoległe połączenie termistora RT i rezystora R zasilanych
stałym napięciem.
Rezystancja zastępcza takiego układu ma postać :
(8)
Rys.2.7 Poprawa liniowości charakterystyki przetwarzania przez
zastosowanie równoległego połączenia termistora RT i rezystora
bocznikującego R ( RP =f(T) ) w porównaniu z charakterystyką
przetwarzania samego termistora ( RT =f(T) )
Jak widać z powyższego układ taki jest bardziej liniowy niż sam
czujnik , niestety następuje duże pogorszenie czułości.
2.Zastosowanie dzielnika rezystancyjnego (Rys.2.8a)
Napięcie U0 można opisać wzorem :
(9)
równanie (9) ma postać :
(10)
F(T) zależy od materiału termistora i od parametru a.
a) b)
Rys.2.8 (a)Układ pomiarowy układu z dzielnikiem rezystancyjnym i (b)
jego charakterystyka przetwarzania
Tak więc można uzyskać najlepszą liniowość przetwarzania czujnika
dla określonego zakresu temperatury przez odpowiedni dobór parametru
a.
4.Układy wykorzystujące mikrokomputery
Wykorzystując dostępne proste algorytmy cyfrowego przetwarzania
sygnałów dokonuje się linearyzacji charakterystyk przetwarzania.
2.2.Czujniki generacyjne wykorzystujące elektryczne metody pomiaru
temperatury
Termoogniwa (termopary ) są czujnikami generacyjnymi pomiaru
temperatury. W czujnikach tych wykorzystuje się zjawisko pojawienia
się prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie składającym się z
połączonych prętów metalowych wykonanych z dwóch różnych metali
, których połączenia umieszczono w różnych temperaturach.
Rys.2.9 Idea działania termoogniwa
Idea działania termoogniwa (Rys.2.9) :
Za pojawienie się prądu elektrycznego odpowiedzialne są dwa
zjawisko : zjawisko Peltiera i Thompsona. Zjawisko Peltiera to mechanizm
powstawania różnicy potencjałów o wartości zależnej od temperatury
na styku dwóch różnych metali. Zjawisko Thompsona polega na powstaniu
różnicy potencjałów w przewodniku , na którego długości
występuje pewna różnica temperatur. Siłę termoelektryczną Peltiera
(EP ) można opisać wzorem :
(11)
, gdzie k – stała Boltzmana [ 1,38*10-23 J/K ]
T – temperatura punktu złączenia metali [K]
e – ładunek elektronu [ 1,602*10-19C ]
NA i NB – koncentracja swobodnych elektronów w metalach A
i B
AA i AB – prace wyjścia elektronu z metali A i B
Siła termoelektryczna Thomsona (EP) wyraża się wzorem :
(12)
Wypadkowa siła termoelektryczna powstająca w zamkniętym obwodzie
składającym się z połączonych prętów metalowych jest równa ;
(13)
Po podstawieniu wzorów (11) i (12) do wzoru (13) i po wykonaniu
prostych działań otrzymamy :
(14)
, gdzie c – stała
Wbrew przedstawionemu wzorowi sugerującym liniowość charakterystyk
przetwarzania w rzeczywistych czujnikach jest ona nieliniowa.(Rys.2.10)
Rys.2.10 Charakterystyki zależności siły termoelektrycznej od
temperatury dla termoogniw :
W - Mo , 2- Ir - 60Ir40Rh , 3- 95W 5Re - 74W 26Re , 4- W-Ir
Sygnałem wyjściowym z termoogniwa jest napięcie , które
uzyskujemy rozcinając obwód z rys2.9 w jednym z punktów styku dwóch
metali. Napięcie to jest proporcjonalne do siły termoelektrycznej , a
wiec jest związana ze zmianą temperatury. Jeżeli założymy
stałość temperatury jednego z końców obwodu termoogniwa to
zmierzone napięcie będzie tylko funkcją zmian temperatury drugiego
końca. Spełnienie tego warunku jest podstawowym warunkiem poprawności
pomiaru , co powoduje najczęściej konieczność odsunięcia obydwu
końców termoogniwa możliwie daleko od siebie. Ze względu na wysoki
koszt niekorzystne jest wykonanie przewodów doprowadzających z tego
samego materiału co metale termopary , dlatego spoinę odniesienia
łączy się z odbiornikiem sygnału za pomocą przewodów
doprowadzających. Wprowadzenie tych metali nie powoduje zakłóceń
pomiaru zgodnie z prawem trzeciego metalu pod warunkiem , że oba końce
przewodów doprowadzających znajdują się w tej samej temperaturze.
Wybierane do budowy termoogniw metale powinny znajdować się możliwie
daleko od siebie w szeregu elektrochemicznym metali. Dodatkowo wybrane
metale powinny posiadać wysoką temperaturę topnienia , stabilność
czasową , odporność na zmienne warunki atmosferyczne i małą
rezystywność.
Przykładami termoogniw mogą być :
PtRh-Pt Bardzo duża stałość parametrów , zakres pomiarowy 0÷13000C
i niestety mała czułość ;
NiCr-Ni Duża liniowość , duża czułość , zakres pomiarowy
0÷10000C
Fe-CuFe (żelazo – konstantan) Duża czułość , popularna dla
średniego zakresu pomiarowego
-200÷7000C
2.2.1.Układy mierników temperatury z termoogniwami
Podstawowym problemem przy pomiarze temperatury przy pomocy
termoogniw jest konieczność stabilizacji temperatury odniesienia
wolnych końców termopary. Można zastosować następujące metody :
Stabilizacja temperatury przez umieszczenie punktu odniesienia w
termostacie. Wybór wartości stabilizowanej temperatury narzucony jest
maksymalną wartością temperatury występującą przy pomiarach.
Punkt odniesienia znajduje się w temperaturze otoczenia. Metoda ta
używana jest wtedy , gdy nie jest wymagana duża dokładność i nadaje
się do zastosowań przemysłowych.
Stabilizacja temperatury punktu odniesienia przez umieszczenie go w
mieszaninie wody z lodem (ok..00c). Wadą tej metody jest konieczność
uzupełniania lodu. Metoda laboratoryjna ze względu na dużą
dokładność.
Stabilizacja temperatury punktu odniesienia przez umieszczenie go w
ziemi na głębokości 2m , ze względu na to , że ziemia na tej
głębokości ma temperaturę względnie stałą przez cały rok
(ok..120C). Rzadko stosowana metoda ze względu na konieczność
wykonania studzienki , w której umieszcza się punkt odniesienia.
Stabilizacja temperatury punktu odniesienia przez zastosowanie
elektronicznych elementów korekcyjnych. Najczęściej stosowanym
układem korekcyjnym jest mostek rezystancyjny (Rys.2.11 ) , w którego
jednym z ramion znajduje się czuły na temperaturę rezystor RT ,
umieszczony w temperaturze otoczenia. Mostek wykonuje się tak by był
on zrównoważony dla przyjętej temperatury odniesienia. W przypadku
zmiany temperatury w mostku powstaje napięcie , które w zależności
od wzrostu lub spadku temperatury otoczenia doda albo odejmie się od
siły termoelektrycznej , kompensując zmiany temperatury punktu
odniesienia.
Rys.2.11 Metoda stabilizacja temperatury punktu odniesienia przez mostek
rezystancyjny
Często w układach pomiarowych stosuje się połączenia
równoległe lub szeregowe termoogniw. Połączenie szeregowe
(Rys.2.12a) zwiększa czułość ogniw , gdyż siła termoelektryczna
będzie sumą sił termoelektrycznych pojedynczych termoogniw.
Połączenie równoległe (Rys.2.12b) stosuje się do pomiaru
uśrednionej temperatury płaszczyzny lub pszestszeni. Warunkiem
uśrednienia jest równość rezystancji użytych termoogniw.
Rys2.12 Układy połączeń termoogniw (a) szeregowe i (b)
równoległego
2.3.Dynamiczne właściwości czujników temperatury
Największym ograniczeniem występującym przy pomiarze temperatury
jest bezwładność cieplna czujników. Wielkość tej bezwładności
jest głównie zależna od wielkości czujnika , a także rodzaju i
rozmiarów obudowy , w której się znajduje. Znajomość podstawowych
właściwości dynamicznych jest konieczna ze względu na ustalenie
czasu koniecznego do przeprowadzenia badania w przypadku pomiarów
dynamicznych , a także wyznaczenia rzeczywistych przebiegów wartości
mierzonej , doboru właściwego układu pomiarowego , oraz ewentualnego
opracowania członów korekcyjnych.
Parametrem , który najlepiej opisuje właściwości dynamiczne
jest tutaj stała czasowa czujnika τ. Fizyczna interpretacja stałej
czasowej może być przedstawiona jako czas , po upływie którego
rozpatrywana w danym układzie wielkość wyjściowa (siła
termoelektryczna w termoogniwach lub zmiana rezystancji w
termorezystorach ) przy skokowej zmianie wartości wejściowej (
temperatury ) osiągnęłaby po narastaniu liniowym wzdłuż stycznej w
początku układu współrzędnych wartość równą wartości ustalonej
( Rys.2.13a ). Dla czujników temperatury w obudowie oprócz podania
stałej czasowej τ należy wyznaczyć także czas martwy τm
(Rys.2.13b). Ze względu na złożoność modelu matematycznego
charakterystyki przetwarzania tych czujników wyznacza się
doświadczalnie w warunkach możliwie zbliżonych do warunków , w
których będą pracować.
Rys.2.13.Charakterystyki czasowe odpowiedzi na skok jednostkowy dla
czujnika (a) bez obudowy i (b) w obudowie ( RX – ustalona wartość
rezystancji dla danej temperatury )
Dla poprawienia własności dynamicznych czujników temperatury
zastosować można elementy korekcyjne. Głównym celem takich układów
jest zmniejszenie stałych czasowych czujników , co umożliwia
skrócenie czasu trwania badania. Umożliwia to dokładniejsze
odtworzenie rzeczywistych , dużo szybszych zmian temperatury niż dla
czujników bez członów korekcyjnych. Najczęściej dla poprawy
właściwości dynamicznych stosuje się elementy
proporcjonalno-różniczkujące ( PD ) (Rys2.14).
Rys2.14 Użycie elementu korekcyjnego typu PD do korekcji własności w
układzie pomiarowym z termoogniwem ( U1 – bez korekcji , U2
– z korekcją PD )
Zastosowanie elementu korekcyjnego typu PD zmniejszyło wyraźnie
stałą czasową. Niestety jest to
związane z dużą utratą czułości.
3.Badania
3.1 Cel przeprowadzanych badań
Przeprowadzane badania mają na celu wyznaczenie odpowiedzi na skok
jednostkowy
temperatury różnych termorezystorów metalowych , w obudowach i bez. W
badaniach będą
używane następujące czujniki : Pt100 bez obudowy i z obudową oraz
Ni100 w obudowie,
3.2 Przeprowadzenie pomiarów
Wyznaczanie odpowiedzi na skok jednostkowy wykonywane jest w
układzie z rys.3.1.
Rys.3.1.Schemat układu wykorzystywanego w ćwiczeniu
Skok wartości temperatury realizowany jest przez zanurzenie
czujnika w wodzie z
lodem (ok.00C) i odczekanie na ustalenie się temperatury a następnie
zanurzenie go w naczyniu z
wrzącą wodą (ok.1000C). Po ustaleniu się temperatury stosujemy skok
temperatury od 1000C
do 00C. Rejestrator podłączony do wyjścia mostka rezystancyjnego
prądu stałego umożliwia
przedstawienie wyników pomiarów w formie trwałej. Mostek
rezystancyjny prądu
stałego , w którego jednym z ramion znajduje się termorezystor
umożliwia przetworzenie
zmian rezystancji , związanych z temperaturą na napięcie.
Potencjometr RP pozwala na
wstępne zrównoważenie mostka pomiarowego.
3.3 Opracowanie wyników pomiarów
Należy wyznaczyć wartości stałych czasowych dla poszczególnych
otrzymanych charakterystyk.
PAGE
PAGE 14
PAGE
PAGE 14
instrukcja elektryczne metody pomiaru temperatury
1.Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z elektrycznymi metodami
pomiaru temperatury , budową i zasadą działania czujników
wykorzystywanych do tych badań.
2.Wprowadzenie
Pomiarów temperatury dokonuje się metodami pośrednimi , w
których wykorzystuje się zmiany właściwości fizycznych lub
chemicznych ciał pod wpływem zmian temperatury. Dokonywanie pomiarów
temperatury narzuca na badacz konieczność wprowadzenia punktów
odniesienia – skali temperatur. Najbardziej rozpowszechnione skale
temperatur to skala Celsjusza i skala Fahrenheita. Obydwie skale bazują
na dwóch punktach charakterystycznych , którymi są temperatura
zamarzania i wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu powietrza ( 1013 hPa
) . W skali Celsjusza różnice między dwoma punktami bazowymi
podzielono na 100 jednostek – stopni , zaś skal Fahrenheita została
podzielona na 180 jednostek – stopni. W zastosowaniach technicznych
używa się często uniwersalnej skali temperatur. Jednostką miary jest
Kelvin ( K ) równy 10C. Podstawą skali Kelvina jest temperatura
273,16 K (punkt potrójny wody ).
Rozróżnia się trzy podstawowe rodzaje metod pomiaru temperatury:
metody nieelektryczne;
metody radiacyjne;
metody elektryczne;
Metody nieelektryczne pomiaru temperatury bazują na zmianach stanu
lub właściwości fizyczno
chemicznych pod wpływem temperatury ( np. termometr rtęciowy ,
bimetalowy lub ciśnieniowy ).
Metody radiacyjne pomiaru temperatury wykorzystują zależność
zmian promieniowania emitowanego przez powierzchnię ciała w funkcji
temperatury ( np. pirometr optyczny )
Metody elektryczne podzielić można na dwie grupy . Metody
parametryczne pomiaru wykorzystujące zmianę parametrów elektrycznych
czujnika w funkcji temperatury ( termorezystory ) i metody generacyjne
oparte o czujniki wytwarzające pod wpływem temperatury energię ,
której zmiany związane są ze zmianami temperatury ( termoogniwa ) .
2.1 Czujniki parametryczne metod elektrycznych pomiaru temperatury
2.1.1 Czujniki rezystancyjne ( termorezystory )
W układach pomiarowych z czujnikami tego typu wykorzystuje się
odwracalne zmiany rezystancji określonych materiałów pod wpływem
zmian temperatury.
2.1.1.1 Czujniki rezystancyjne metalowe
W czujnikach rezystancyjnych metalowych wraz ze wzrostem
temperatury rośnie również ich rezystancja , której zmiany można
opisać wzorem :
(1)
, gdzie RT – rezystancja w temperaturze rezystora T
R0 – rezystancja rezystora w temperaturze 0 K
am – stałe wyznaczane doświadczalnie
Dla Temperatur bliskich 00C (ok.273K) wzór (1) można zapisać
jako zależność liniową :
(2)
, gdzie α – temperaturowy współczynnik rezystancji [ (/(/0C]
T – temperatura odniesienia do zera
Przy doborze metali , z których wykonuje się termorezystory
metalowe kierowano się następującymi ich właściwościami :
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 ;
Najczęściej wykorzystywane termorezystory metalowe to :
1.Termorezystory platynowe ( Pt ) , mające najszersze zastosowanie. Ich
zalety to duża stałość własności fizycznych , odporność na
korozję i łatwość obróbki mechanicznej. Używana w tych czujnikach
platyna cechuje się dużą czystością . Typowy zakres pracy tego
czujnika to -200÷+8000C.
2.Termorezystory niklowe ( Ni ) , Zalety tych czujników to względnie
duży współczynnik temperaturowy , dosyć duża odporność na
działanie związków agresywnych i utlenianie. Do wad należy zaliczyć
dużą nieliniowość charakterystyk przetwarzania powyżej 3500C.
Zakres pracy termorezystorów niklowych
-60÷1800C.
3.Termorezystory miedziowe ( Cu ), Podstawową zaletą tych czujników
jest możliwość wykonania ich we własnym zakresie. Mimo wysokiej
temperatury topnienia i dużego zakresu pomiarowego nie są zbyt często
wykorzystywane. Praca tych czujników zazwyczaj odbywa się temperaturze
otoczenia , głównie wykorzystywane są chłodnictwie.
=f(t)dla termorezystora platynowego ( Pt) , niklowego (Ni ) miedzianego
( Cu)
Termorezystory wykonuje się jako płytkowe , warstwowe , napylane
( o różnych kształtach i wymiarach ) lub w postaci pałeczek ( drut
nawinięty na ceramiczny rdzeń ).
W termorezystorach metalowych stosuje się obudowy aby umożliwić
ich pracę w trudnych warunkach fizycznych lub chemicznych ( np.
obudowy ciśnieniowe , przeciwwybuchowe ). Rozmiary obudowy często
znacznie przekraczają rozmiary samego czujnika.
Najpopularniejsze rodzaje termorezystorów to Pt100 , Ni100 , Cu100
. Pierwsza część nazwy czujnika mówi o rodzaju materiału z jakiego
został wykonany , druga mówi jaką ten przetwornik ma wartość
rezystancji dla temperatury 00C.
Istotnym czynnikiem mogącym mieć wpływ na dokładność
przeprowadzanych badań jest prąd pomiarowy płynący przez czujnik.
Zbyt duża jego wartość spowodować może samopodgrzewanie się
czujnika , a w efekcie wzrost jego rezystancji i zakłócenie
prawidłowego pomiaru. Dlatego producenci często podają prąd
graniczny mogący płynąć przez czujnik lub dopuszczalną moc jaka
może się na nim wydzielić. Przekroczenie tych wartości spowodować
może efekt samopodgrzania się czujnika.
2.1.1.2 Układy mierników temperatury z termorezystorami metalowymi
Zadanie pomiaru temperatury sprowadza się do znalezienia wartości
rezystancji i jej zmian związanych ze zmianami temperatury. Głównym
elementem wprowadzającym zakłócenia są rezystancje przewodów
łączących czujnik z układem pomiarowym i zmiany ich rezystancji pod
wpływem zmian temperatury. Głównym zadaniem układów pomiarowych
zlikwidowanie tych zakłóceń , a także zapewnienie stałości
zasilania.
a)
b)
c)
d)
ys.2.2 Układ miernika temperatury do współpracy z termorezystorami
metalowymi (a) z rezystorem wzorcowym , (b) połączenie trójprzewodowe
, (c) połączenie czteroprzewodowe , (d) połączenie logometryczne
1.Układ z rezystorem wzorcowym ( Rys.2.2a )
Układ ten służy do eliminacji wpływu zmian rezystancji
przewodów łączeniowych. Dla zwartego termorezystora RX i włączonym
rezystorze RW . Regulując potencjometrem RK ustala się w układzie
pomiarowym wartość odpowiadającą rezystancji RW.
2.Układ połączenia trójprzewodowego ( Rys.2.2b )
Układ połączenia trójprzewodowego jest to połączenie mostkowe
czujnika. Przez odpowiedni dobór parametrów obwodu elektrycznego
można niemal całkowicie wyeliminować wpływ rezystancji przewodów
łączących RP. Warunki równowagi mostka , przy założeniu Równości
rezystancji przewodów łączących Rp= RP1= RP2 mają postać :
(3)
(4)
Dobierając R2=R4 można wyeliminować wpływ rezystancji
przewodów łączących RP. tak więc wpływ rezystancji przewodów
łączących zależy od dokładności doboru rezystorów R2 , R4 a
także równości rezystancji RP.
3.Układ połączeń czteroprzewodowych ( Rys.2.2c)
Układ ten realizuje pomiar spadku napięcia na rezystorze
pomiarowym przy stałej wartości przepływającego przez niego prądu.
Warunkiem poprawności przeprowadzenia badania jest zastosowanie
woltomierza o bardzo dużej rezystancji wejściowej. W tym układzie
eliminuje się całkowicie wpływ rezystancji przewodów łączących.
Ważnym warunkiem dokładności pomiaru jest zapewnienie stałości
prądu zasilającego.
4.Układy logometryczne ( Rys.2.2d )
Układ tego typu zapewnia pomijalnie mały wpływ niestabilności
napięcia zasilania na dokładność pomiaru. Działanie układu z
rys2.2d można opisać następująco. Zakładając , że wskazanie
przyrządu pomiarowego α=f[I1(t) / I2(t) ] , oraz że RW ma stałą
wartość to wychylenie przyrządu pomiarowego zależeć będzie tylko
od zmian wartości rezystora RT , a więc tylko od temperatury.
5.Układy mostkowe ( Rys.2.3 )
Przykładem takiego układu pomiarowego jest układ
niezrównoważonego mostka Wheatstone’a przystosowany do współpracy
z termorezystorami metalowymi. W mostku tym rezystorami stosunkowymi są
R1 , R2 , R3 , natomiast napięcie niezrównoważenia mierzone jest
przez miliwoltomierz wyskalowany w stopniach Celsiusza. Połączenie
tego układu jako trójprzewodowy zapewnia eliminację zmian temperatury
przewodów łączących. Zasilanie odbywa się przez stabilizator
prądu.
Rys.2.2 Układ miernika temperatury do współpracy z termorezystorami
metalowymi w układzie mostkowym
2.1.2.1.Termorezystory półprzewodnikowe ( termistory )
Czujniki tego typu wykonywane są z półprzewodników. Do ich
produkcji wykorzystuje się tlenki manganu (Mn) , żelaza (Fe) , czy
niklu (Ni). Wytwarzanie tych czujników wymaga zachowania
rygorystycznych warunków technologicznych. Podstawową ich zaletą jest
duża czułość ( duży temperaturowy współczynnik rezystancji około
3%÷4% / K i jest przynajmniej o rząd wielkości większa od czułości
termorezystorów metalowych ) , duża rezystywność i co z tego wynika
małe wymiary. Do wad czujników termorezystancyjnych
półprzewodnikowych należy przede wszystkim duża nieliniowość
charakterystyki , a także duży rozrzut parametrów czujników w ramach
jednej partii produkcyjnej , oraz niestabilność czasowa. Produkowane
są dwa typy termistorów :
1.Termistory typu PTC ;
2.Termistory typu NTC;
a) b)
Rys.2.4 Charakterystyki przetwarzania czujnika typu (a)PTC , (b)NTC
Termistory typu PTC ( Positive termally coefficient ) zwane też
pozystorami. Czujniki te charakteryzują się dodatnim temperaturowym
współczynnikiem zmian rezystancji. Wykorzystuje się je najczęściej
jako czujniki wykrywające zmianę temperatury. Wynika to z tego , że w
pewnym zakresie jego charakterystyka jest zbliżona do przekaźnikowej (
Rys.2.4 a)
Znacznie szersze zastosowanie mają termistory typu NTC ( Negative
termally coefficient ) o ujemnym temperaturowym współczynnikiem zmian
rezystancji. Charakterystyka przetwarzania takiego czujnika pokazana
jest na rys.2.4b.Typowy zakres pomiarowy termistorów NTC zawiera się
między
-100÷+1500C.
Zależność rezystancji termistora od temperatury można
przedstawić wzorem :
(5)
, gdzie RT0 – rezystancja termistora w temperaturze odniesienia T0
RT – rezystancja w temperaturze T
( – stała zależna od materiału , z którego został
wykonany termistor
Współczynnik temperaturowy zmian rezystancji można zapisać jako
:
(6)
i mieści się w granicach -2÷-6% /K. Wymiary najbardziej powszechnych
konstrukcji odpowiednio wynoszą:
dla termistorów perełkowych średnica do 1mm , z ochronną obudową
szklaną do 2mm
dla termistorów płytkowych o kształcie walca średnica przy podstawie
wynosi od 1 do 10mm wysokośc do 2mm.
Zastosowanie ochronnej warstwy zapewnia większą stabilność
czasową czujnika. Częściowej eliminacji wady termistorów jaką jest
duży rozrzut parametrów czujników nawet w ramach jednej serii
produkcyjnej ( dotyczy to zwłaszcza parametrów RT0 i β ) dokonuje
się poprzez selekcję w ramach jednej serii.
Ważnym parametrem wpływającym na dokładność pomiaru jest
podobnie jak w przypadku termorezystorów metalowych konieczność
określenia maksymalnego dopuszczalnego prądu pomiarowego.
Przekroczenie tej wartości spowoduje efekt samopodgrzania i czujnik
będzie miał wyższą temperaturę niż ośrodek , w którym się
znajduje , spowoduje to spadek rezystancji termistora a co za tym idzie
napięcia i to pomimo wzrostu prądu pomiarowego. Wynika to z przebiegu
charakterystyk prądowo-napieciowych ( Rys.2.5 ).
Rys.2.5 Charakterystyki napięciowo-prądowe dla termistora typu NTC
Aby uniknąć tego niekorzystnego efektu należy wykorzystać tylko
wznoszącą się część charakterystyki z rys 2.5 określając
dopuszczalny prąd pomiarowy.
2.1.2.2.Układy mierników temperatury z termorezystorami
półprzewodnikowymi
Ze względu na dużą rezystancję i czułość czujnika wpływ
rezystancji przewodów doprowadzających , a także jej zmiana pod
wpływem zmian temperatury jest pomijalnie mała. Głównym problemem
jest konieczność linearyzacji charakterystyk przetwarzania. Dodatkowym
wymogiem przy konstruowaniu układów pomiarowych jest konieczność
zastosowania elementów , dzięki którym można w przypadku wymiany
czujników dopasować układ pomiarowy do nowego czujnika. Wynika to z
dużego rozrzutu własności poszczególnych czujników.
Można zastosować następujące układy pomiarowe :
1.Szeregowe połączenie termistora z rezystorem i zasilanie napięciem
stałym
Płynący w tym układzie prąd można opisać zależnością :
(7)
, gdzie Rd – rezystancja włączonego szeregowo rezystora ;
Rm – rezystancja miernika ;
Β – stała zależna od materiału termistora ;
Rys.2.6 Charakterystyka przetwarzania układu szeregowego połączenia
termistora z rezystorem
Taki układ pomiarowy nie jest optymalny ze względu energetycznych
, a jego zakres pracy obejmuje tylko część w przybliżeniu liniowej
charakterystyki wokół punktu P.
2.Równoległe połączenie termistora RT i rezystora R zasilanych
stałym napięciem.
Rezystancja zastępcza takiego układu ma postać :
(8)
Rys.2.7 Poprawa liniowości charakterystyki przetwarzania przez
zastosowanie równoległego połączenia termistora RT i rezystora
bocznikującego R ( RP =f(T) ) w porównaniu z charakterystyką
przetwarzania samego termistora ( RT =f(T) )
Jak widać z powyższego układ taki jest bardziej liniowy niż sam
czujnik , niestety następuje duże pogorszenie czułości.
2.Zastosowanie dzielnika rezystancyjnego (Rys.2.8a)
Napięcie U0 można opisać wzorem :
(9)
równanie (9) ma postać :
(10)
F(T) zależy od materiału termistora i od parametru a.
a) b)
Rys.2.8 (a)Układ pomiarowy układu z dzielnikiem rezystancyjnym i (b)
jego charakterystyka przetwarzania
Tak więc można uzyskać najlepszą liniowość przetwarzania czujnika
dla określonego zakresu temperatury przez odpowiedni dobór parametru
a.
4.Układy wykorzystujące mikrokomputery
Wykorzystując dostępne proste algorytmy cyfrowego przetwarzania
sygnałów dokonuje się linearyzacji charakterystyk przetwarzania.
2.2.Czujniki generacyjne wykorzystujące elektryczne metody pomiaru
temperatury
Termoogniwa (termopary ) są czujnikami generacyjnymi pomiaru
temperatury. W czujnikach tych wykorzystuje się zjawisko pojawienia
się prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie składającym się z
połączonych prętów metalowych wykonanych z dwóch różnych metali
, których połączenia umieszczono w różnych temperaturach.
Rys.2.9 Idea działania termoogniwa
Idea działania termoogniwa (Rys.2.9) :
Za pojawienie się prądu elektrycznego odpowiedzialne są dwa
zjawisko : zjawisko Peltiera i Thompsona. Zjawisko Peltiera to mechanizm
powstawania różnicy potencjałów o wartości zależnej od temperatury
na styku dwóch różnych metali. Zjawisko Thompsona polega na powstaniu
różnicy potencjałów w przewodniku , na którego długości
występuje pewna różnica temperatur. Siłę termoelektryczną Peltiera
(EP ) można opisać wzorem :
(11)
, gdzie k – stała Boltzmana [ 1,38*10-23 J/K ]
T – temperatura punktu złączenia metali [K]
e – ładunek elektronu [ 1,602*10-19C ]
NA i NB – koncentracja swobodnych elektronów w metalach A
i B
AA i AB – prace wyjścia elektronu z metali A i B
Siła termoelektryczna Thomsona (EP) wyraża się wzorem :
(12)
Wypadkowa siła termoelektryczna powstająca w zamkniętym obwodzie
składającym się z połączonych prętów metalowych jest równa ;
(13)
Po podstawieniu wzorów (11) i (12) do wzoru (13) i po wykonaniu
prostych działań otrzymamy :
(14)
, gdzie c – stała
Wbrew przedstawionemu wzorowi sugerującym liniowość charakterystyk
przetwarzania w rzeczywistych czujnikach jest ona nieliniowa.(Rys.2.10)
Rys.2.10 Charakterystyki zależności siły termoelektrycznej od
temperatury dla termoogniw :
W - Mo , 2- Ir - 60Ir40Rh , 3- 95W 5Re - 74W 26Re , 4- W-Ir
Sygnałem wyjściowym z termoogniwa jest napięcie , które
uzyskujemy rozcinając obwód z rys2.9 w jednym z punktów styku dwóch
metali. Napięcie to jest proporcjonalne do siły termoelektrycznej , a
wiec jest związana ze zmianą temperatury. Jeżeli założymy
stałość temperatury jednego z końców obwodu termoogniwa to
zmierzone napięcie będzie tylko funkcją zmian temperatury drugiego
końca. Spełnienie tego warunku jest podstawowym warunkiem poprawności
pomiaru , co powoduje najczęściej konieczność odsunięcia obydwu
końców termoogniwa możliwie daleko od siebie. Ze względu na wysoki
koszt niekorzystne jest wykonanie przewodów doprowadzających z tego
samego materiału co metale termopary , dlatego spoinę odniesienia
łączy się z odbiornikiem sygnału za pomocą przewodów
doprowadzających. Wprowadzenie tych metali nie powoduje zakłóceń
pomiaru zgodnie z prawem trzeciego metalu pod warunkiem , że oba końce
przewodów doprowadzających znajdują się w tej samej temperaturze.
Wybierane do budowy termoogniw metale powinny znajdować się możliwie
daleko od siebie w szeregu elektrochemicznym metali. Dodatkowo wybrane
metale powinny posiadać wysoką temperaturę topnienia , stabilność
czasową , odporność na zmienne warunki atmosferyczne i małą
rezystywność.
Przykładami termoogniw mogą być :
PtRh-Pt Bardzo duża stałość parametrów , zakres pomiarowy 0÷13000C
i niestety mała czułość ;
NiCr-Ni Duża liniowość , duża czułość , zakres pomiarowy
0÷10000C
Fe-CuFe (żelazo – konstantan) Duża czułość , popularna dla
średniego zakresu pomiarowego
-200÷7000C
2.2.1.Układy mierników temperatury z termoogniwami
Podstawowym problemem przy pomiarze temperatury przy pomocy
termoogniw jest konieczność stabilizacji temperatury odniesienia
wolnych końców termopary. Można zastosować następujące metody :
Stabilizacja temperatury przez umieszczenie punktu odniesienia w
termostacie. Wybór wartości stabilizowanej temperatury narzucony jest
maksymalną wartością temperatury występującą przy pomiarach.
Punkt odniesienia znajduje się w temperaturze otoczenia. Metoda ta
używana jest wtedy , gdy nie jest wymagana duża dokładność i nadaje
się do zastosowań przemysłowych.
Stabilizacja temperatury punktu odniesienia przez umieszczenie go w
mieszaninie wody z lodem (ok..00c). Wadą tej metody jest konieczność
uzupełniania lodu. Metoda laboratoryjna ze względu na dużą
dokładność.
Stabilizacja temperatury punktu odniesienia przez umieszczenie go w
ziemi na głębokości 2m , ze względu na to , że ziemia na tej
głębokości ma temperaturę względnie stałą przez cały rok
(ok..120C). Rzadko stosowana metoda ze względu na konieczność
wykonania studzienki , w której umieszcza się punkt odniesienia.
Stabilizacja temperatury punktu odniesienia przez zastosowanie
elektronicznych elementów korekcyjnych. Najczęściej stosowanym
układem korekcyjnym jest mostek rezystancyjny (Rys.2.11 ) , w którego
jednym z ramion znajduje się czuły na temperaturę rezystor RT ,
umieszczony w temperaturze otoczenia. Mostek wykonuje się tak by był
on zrównoważony dla przyjętej temperatury odniesienia. W przypadku
zmiany temperatury w mostku powstaje napięcie , które w zależności
od wzrostu lub spadku temperatury otoczenia doda albo odejmie się od
siły termoelektrycznej , kompensując zmiany temperatury punktu
odniesienia.
Rys.2.11 Metoda stabilizacja temperatury punktu odniesienia przez mostek
rezystancyjny
Często w układach pomiarowych stosuje się połączenia
równoległe lub szeregowe termoogniw. Połączenie szeregowe
(Rys.2.12a) zwiększa czułość ogniw , gdyż siła termoelektryczna
będzie sumą sił termoelektrycznych pojedynczych termoogniw.
Połączenie równoległe (Rys.2.12b) stosuje się do pomiaru
uśrednionej temperatury płaszczyzny lub pszestszeni. Warunkiem
uśrednienia jest równość rezystancji użytych termoogniw.
Rys2.12 Układy połączeń termoogniw (a) szeregowe i (b)
równoległego
2.3.Dynamiczne właściwości czujników temperatury
Największym ograniczeniem występującym przy pomiarze temperatury
jest bezwładność cieplna czujników. Wielkość tej bezwładności
jest głównie zależna od wielkości czujnika , a także rodzaju i
rozmiarów obudowy , w której się znajduje. Znajomość podstawowych
właściwości dynamicznych jest konieczna ze względu na ustalenie
czasu koniecznego do przeprowadzenia badania w przypadku pomiarów
dynamicznych , a także wyznaczenia rzeczywistych przebiegów wartości
mierzonej , doboru właściwego układu pomiarowego , oraz ewentualnego
opracowania członów korekcyjnych.
Parametrem , który najlepiej opisuje właściwości dynamiczne
jest tutaj stała czasowa czujnika τ. Fizyczna interpretacja stałej
czasowej może być przedstawiona jako czas , po upływie którego
rozpatrywana w danym układzie wielkość wyjściowa (siła
termoelektryczna w termoogniwach lub zmiana rezystancji w
termorezystorach ) przy skokowej zmianie wartości wejściowej (
temperatury ) osiągnęłaby po narastaniu liniowym wzdłuż stycznej w
początku układu współrzędnych wartość równą wartości ustalonej
( Rys.2.13a ). Dla czujników temperatury w obudowie oprócz podania
stałej czasowej τ należy wyznaczyć także czas martwy τm
(Rys.2.13b). Ze względu na złożoność modelu matematycznego
charakterystyki przetwarzania tych czujników wyznacza się
doświadczalnie w warunkach możliwie zbliżonych do warunków , w
których będą pracować.
Rys.2.13.Charakterystyki czasowe odpowiedzi na skok jednostkowy dla
czujnika (a) bez obudowy i (b) w obudowie ( RX – ustalona wartość
rezystancji dla danej temperatury )
Dla poprawienia własności dynamicznych czujników temperatury
zastosować można elementy korekcyjne. Głównym celem takich układów
jest zmniejszenie stałych czasowych czujników , co umożliwia
skrócenie czasu trwania badania. Umożliwia to dokładniejsze
odtworzenie rzeczywistych , dużo szybszych zmian temperatury niż dla
czujników bez członów korekcyjnych. Najczęściej dla poprawy
właściwości dynamicznych stosuje się elementy
proporcjonalno-różniczkujące ( PD ) (Rys2.14).
Rys2.14 Użycie elementu korekcyjnego typu PD do korekcji własności w
układzie pomiarowym z termoogniwem ( U1 – bez korekcji , U2
– z korekcją PD )
Zastosowanie elementu korekcyjnego typu PD zmniejszyło wyraźnie
stałą czasową. Niestety jest to
związane z dużą utratą czułości.
3.Badania
3.1 Cel przeprowadzanych badań
Przeprowadzane badania mają na celu wyznaczenie odpowiedzi na skok
jednostkowy
temperatury różnych termorezystorów metalowych , w obudowach i bez. W
badaniach będą
używane następujące czujniki : Pt100 bez obudowy i z obudową oraz
Ni100 w obudowie,
3.2 Przeprowadzenie pomiarów
Wyznaczanie odpowiedzi na skok jednostkowy wykonywane jest w
układzie z rys.3.1.
Rys.3.1.Schemat układu wykorzystywanego w ćwiczeniu
Skok wartości temperatury realizowany jest przez zanurzenie
czujnika w wodzie z
lodem (ok.00C) i odczekanie na ustalenie się temperatury a następnie
zanurzenie go w naczyniu z
wrzącą wodą (ok.1000C). Po ustaleniu się temperatury stosujemy skok
temperatury od 1000C
do 00C. Rejestrator podłączony do wyjścia mostka rezystancyjnego
prądu stałego umożliwia
przedstawienie wyników pomiarów w formie trwałej. Mostek
rezystancyjny prądu
stałego , w którego jednym z ramion znajduje się termorezystor
umożliwia przetworzenie
zmian rezystancji , związanych z temperaturą na napięcie.
Potencjometr RP pozwala na
wstępne zrównoważenie mostka pomiarowego.
3.3 Opracowanie wyników pomiarów
Należy wyznaczyć wartości stałych czasowych dla poszczególnych
otrzymanych charakterystyk.
PAGE
PAGE 14
PAGE
PAGE 14
