pobieranie: pomiar temperauty
Pobierz dokument docPrzeglądaj wersję html pliku:
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA
Wydział Mechaniczny
Instytut Inżynierii Materiałowej
LABORATORIUM MIERNICTWA I SYSTEMÓW POMIAROWYCH
Temat:
Pomiar temperatury
Szczecin 2005
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) .
Układy mostkowe
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.
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.
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.
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. 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).
Rys. 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.Schemat stanowisk pomiarowego.
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.
4.Wyniki
Czujnik temperatury ma swoje określone parametry charakterystyczne,
które charakteryzują jego dynamiką działania, np. wzmocnienie,
stałą czasową opóźnienia, stałą czasową inercji. Parametry te
są ujęte w transmitancji dla danego czujnika w naszym przypadku
traktujemy oba czujniki jako elementy inercyjne I-go rzędu z
opóźnieniem transmitancja takiego czujnika wynosi:
gdzie: K – wzmocnienie które wyraża się wzorem:
τ – stała czasowa
T – stała czasowa inercji
Awe – amplituda wejściowa równa skokowi temperatury
Awyj – amplituda wyjściowa ma być odczytana z wykresu
Dla czujnika 1Pt385 skala jest następująca w osi Y:1cm=20mV, a w osi
X:1cm=2,5s.
Dla czujnika Ni100 skala jest następująca w osi Y:1cm=20mV, a w osi
X:1cm=10s.
Tabelka z wynikami pomiarów:
5.Wnioski:
Na podstawie wartości parametrów dynamicznych czujnika odczytanych z
wykresu możemy stwierdzić, że wyniki są do siebie zbliżone.
Ewentualne różnice mogą być spowodowane tym, że zmienialiśmy
dość szybka wodę z gorącej na zimną oraz dynamiką samego czujnika
jego reakcją na zmianę temperatury. Najlepiej w tej próbie wypadł
czujnik, 1Pt835, który wykazał się szybkimi reakcjami na zmianę
temperatury mały czas inercji oraz mały opóźnieniem w działaniu
wynika to z tego, że był to czujnik o małych wymiarach czujnik ten
mało też wpływał na temperaturę na obiekcie. Jego zupełnym
przeciwieństwem jest czujnik Ni100 który był dużym czujnikiem, przez
co miał bardzo duży czas inercji oraz dużo większe opóźnienie w
zadziałaniu oraz jego wpływ na temperaturę wody był znacznie
większy.
pomiar temperauty
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA
Wydział Mechaniczny
Instytut Inżynierii Materiałowej
LABORATORIUM MIERNICTWA I SYSTEMÓW POMIAROWYCH
Temat:
Pomiar temperatury
Szczecin 2005
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) .
Układy mostkowe
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.
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.
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.
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. 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).
Rys. 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.Schemat stanowisk pomiarowego.
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.
4.Wyniki
Czujnik temperatury ma swoje określone parametry charakterystyczne,
które charakteryzują jego dynamiką działania, np. wzmocnienie,
stałą czasową opóźnienia, stałą czasową inercji. Parametry te
są ujęte w transmitancji dla danego czujnika w naszym przypadku
traktujemy oba czujniki jako elementy inercyjne I-go rzędu z
opóźnieniem transmitancja takiego czujnika wynosi:
gdzie: K – wzmocnienie które wyraża się wzorem:
τ – stała czasowa
T – stała czasowa inercji
Awe – amplituda wejściowa równa skokowi temperatury
Awyj – amplituda wyjściowa ma być odczytana z wykresu
Dla czujnika 1Pt385 skala jest następująca w osi Y:1cm=20mV, a w osi
X:1cm=2,5s.
Dla czujnika Ni100 skala jest następująca w osi Y:1cm=20mV, a w osi
X:1cm=10s.
Tabelka z wynikami pomiarów:
5.Wnioski:
Na podstawie wartości parametrów dynamicznych czujnika odczytanych z
wykresu możemy stwierdzić, że wyniki są do siebie zbliżone.
Ewentualne różnice mogą być spowodowane tym, że zmienialiśmy
dość szybka wodę z gorącej na zimną oraz dynamiką samego czujnika
jego reakcją na zmianę temperatury. Najlepiej w tej próbie wypadł
czujnik, 1Pt835, który wykazał się szybkimi reakcjami na zmianę
temperatury mały czas inercji oraz mały opóźnieniem w działaniu
wynika to z tego, że był to czujnik o małych wymiarach czujnik ten
mało też wpływał na temperaturę na obiekcie. Jego zupełnym
przeciwieństwem jest czujnik Ni100 który był dużym czujnikiem, przez
co miał bardzo duży czas inercji oraz dużo większe opóźnienie w
zadziałaniu oraz jego wpływ na temperaturę wody był znacznie
większy.
