MIERNICTWO WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH I ...
Transcript of MIERNICTWO WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH I ...
Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu
MIERNICTWO WIELKOŚCI
ELEKTRYCZNYCH
I NIEELEKTRYCZNYCH
Kod przedmiotu:
ENS1A511254
Ćwiczenie pt.
Badanie przetworników do pomiaru temperatury
Numer ćwiczenia
MEN 08
Opracowali:
dr inż. Andrzej Gładyszewski
dr inż. Ryszard Piotrowski
dr inż. Adam Idźkowski
Białystok 2013
2
Wszystkie prawa zastrzeżone.
Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej
instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami
zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli.
3
1. Wprowadzenie
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z właściwościami dwóch
rodzajów przetworników pomiarowych temperatury a mianowicie:
termorezystorów i termoelementów
Temperatura jest jedną z najczęściej mierzonych wielkości
nieelektrycznych. Zakres, w którym jest mierzona w przemyśle,
zwiera się w obszarze rozciągającym się od ok. –200oC do ponad
3000oC. Tak szeroki zakres mierzonej wielkości, jak i różnorodność
celów, warunków oraz wymaganych dokładności pomiarów sprzyjał
powstaniu ogromnej liczby różnorodnych przetworników temperatury.
Ogólnie dzieli się je na dwie grupy:
przetworniki stykowe, (zwane potocznie termometrami) do
których należą także termorezystory i termoelementy,
pozostające podczas dokonywania pomiarów w bezpośrednim
mechanicznym kontakcie z ciałem lub ośrodkiem, którego
temperaturę się mierzy,
przetworniki bezstykowe (zwane pirometrami) mierzące
temperaturę ciała lub ośrodka za pośrednictwem emitowanego
promieniowania termicznego.
Te ostatnie nie są omawiane i badane w niniejszym ćwiczeniu.
Termometry szklane
Mimo postępu w technice, termometry szklane odgrywają
znaczną rolę nie tylko w życiu codziennym, ale także w technice.
Zakresy pomiarowe termometrów napełnionych rtęcią wynoszą
od –35oC do +500
oC. Do pomiaru niższych temperatur, do ok. –200
oC
termometry napełnia się cieczami organicznymi (alkohole, pentan,
eter).
4
Czułość termometrów dobierać można w bardzo szerokich
granicach poprzez zastosowanie odpowiedniego stosunku objętości
bańki zawierającej rtęć do średnicy kapilary. Praktyczne granice
czułości wynoszą od 0,002oC na działkę do 10
oC na działkę.
Niedokładność wskazań termometrów określa się przy pomocy
błędu bezwzględnego dla całego zakresu pomiarowego, a nie przy
pomocy klasy dokładności, co uzasadnione jest charakterem źródeł
błędów. Na błąd wskazań wpływa niedokładność wykonania skali,
zmienność średnicy kapilary (chodzi tu o niejednakową średnicę rurki
na całej jej długości), wreszcie błędy wzorcowania. Niedokładności te
utrzymuje się przy precyzyjnych termometrach laboratoryjnych
zazwyczaj w granicach jednej działki elementarnej.
Termorezystory
Kropla historii
Za początki termometrii rezystancyjnej można uważać rok 1887,
kiedy to C. W. Siemens opublikował pracę pod tytułem „On the
practical measurement of temperature”
Termorezystor metalowy stanowi uzwojenie wykonane z
metalu (zwykle platyny, niklu, miedzi), nawinięte na kształtce z
materiału izola- cyjnego.
Zasada jego działania polega na zmianach rezystancji
przewodnika pod wpływem temperatury. Powstałe w ten sposób
zmiany rezystancji są mierzone i stanowią miarę temperatury.
Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder
atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów
swobodnych i jonów, co ze względu na hamowanie ruchów
elektronów powoduje wzrost rezystancji.
Głównym powodem zmian rezystancji przewodników jest zmiana ich
rezystywności (gdy pominie się zmiany wymiarów przewodu pod
5
wpływem temperatury) Dla większości metali zależność
rezystywności od temperatury opisuje z dostateczną dokładnością
następująca zależność,
321 CTBTAToT
gdzie: T – oznacza rezystywność w temperaturze T
o – rezystywność w temperaturze 0oC
T – temperatura
A, B, C – współczynniki
W pewnych zakresach temperatur i dla niektórych metali
współczynniki B, C przybierają pomijalnie małe wartości, wobec
czego można wtedy przyjąć, że rezystywność jest liniową funkcją
temperatury
Rezystancja termorezystora jest opisana zależnością analogiczną
do przy- toczonej wyżej:
321 CTBTATRR oT
gdzie: RT, Ro – rezystancje termorezystora odpowiednio
w temperaturach T i 0oC.
Zmiana rezystancji termorezystora pod wpływem temperatury
jest określona przez tzw. współczynnik temperaturowy rezystancji ,
określający względną zmianę rezystancji przypadającą na jeden
stopień zmiany temperatury:
CT
R
R
0
0
1
1
gdzie: R0 oznacza rezystancję przewodnika przed zmianą temperatury
Współczynnik ten określany jest w praktyce jako średni
współczynnik temperaturowy rezystancji dla zakresu zmian
temperatury w granicach od 0oC do 100
oC, skąd wynika następująca
postać jego definicji:
6
C1
1
100
1
C100 0
0100
0
0
0
0100
RR
R
R
RR
gdzie: R100, R0 – rezystancje przewodnika odpowiednio
w temperaturach 100oC i 0
oC
Metale stosowane do budowy przetworników rezystancyjnych
powinny spełniać następujące wymagania:
mieć duży współczynnik temperaturowy rezystancji
dużą rezystywność, co pozwala na konstruowanie
przetworników o małym wymiarach
stałe właściwości fizyczne
brak histerezy temperaturowej
łatwość odtwarzania metalu o identycznych
właściwościach, co umożliwia wymienność przetworników
odporność na korozję
wysoką temperaturę topnienia
dostateczną wytrzymałość mechaniczną
Metalem najlepiej spełniającym powyższe wymagania jest
czysta platyna (Pt). Ponadto do budowy termorezystorów stosuje
się nikiel (Ni) i miedź (Cu). Podstawowe parametry tych metali
podaje Tablica 1.
Tablica 1
Metal
Zakres zastosowania Rezystywność
0
100
R
R
typowy graniczny
oC
oC m -
Platyna
Nikiel
Miedź
-200 +850
-60 +150
-50 +150
-250 +1000
-60 +180
–
0,1
0,1
0,017
1,385
1,617
1,426
Stosowane w technice przetworniki rezystancyjne temperatury
składają się z rezystora termoelektrycznego oraz odpowiedniej osłony.
Osłona jest wykonana z materiału dobrze przewodzącego ciepło (np.
7
z metalu) i ma za zadanie chronić delikatny rezystor przed
uszkodzeniami mechanicznymi i działaniem czynników chemicznych.
Sam rezystor ma najczęściej postać rezystora pałeczkowatego, to
znaczy uzwojenia nawiniętego na pręcie lub rurce ze szkła, kwarcu
czy ceramiki. Po nawinięciu uzwojenia nasuwa się na nie zewnętrzna
rurkę z tego samego materiału co korpus, na którym nawinięto
uzwojenie. Stapiając tę rurkę w odpowiedniej temperaturze, powoduje
się zalanie zwojów rezystora, co izoluje go od wpływów chemicznych
i chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi. Izolację zewnętrzną
stanowi w niektórych przypadkach taśma z włókna szklanego lub
teflonu, albo lakier.
Średnice rezystorów pałeczkowych wynoszą od jednego do kilku
milimetrów, a ich długość od kilkunastu do kilkudziesięciu
milimetrów.
Nowoczesne rezystory termoelektryczne, tzw.
cienkowarstwowe, czyli wykonane techniką warstw cienkich, mają
znacznie mniejsze wymiary. Są to rezystory platynowe płaskie,
napylane na płytki ceramiczne o wymiarach np. 1031mm, a nawet
mniejszych. Rezystory te odznaczają się bardzo małą bezwładnością
cieplną.
Rezystancją znamionową termorezystora jest jego rezystancja
w temperaturze 0oC. Wynosi ona z reguły 100 , jakkolwiek spotyka
się i inne wartości znamionowe, np. 10 , 25 , 50 .
Charakterystyki przedstawiające zależność rezystancji
rezystorów platynowych, niklowych i miedzianych podane są
w postaci odpowiednich tablic.
8
Pomiary rezystancji termorezystorów metalowych
Ponieważ w przetwornikach termorezystorowych temperatura
mierzona przetwarzana jest rezystancję (zmianę rezystancji), zachodzi
konieczność dokładnego pomiaru rezystancji (zmian rezystancji).
Pomiary rezystancji termorezystorów odbywają się przy pomocy:
laboratoryjnych kompensatorów i mostków Wheatstone’a
omomierzy ilorazowych (tzw. logometrów)
mostków niezrównoważonych
automatycznych mostków zrównoważonych
Termoelementy
Nieco historii
W roku 1821 T. Seebek stwierdził, że w zamkniętym obwodzie
składającym się z dwóch różnych metali, o ile miejsca styku tych
metali znajdują się w różnych temperaturach, obserwuje się przepływ
prądu elektrycznego.
T2 T1
B
A
i
Ilustracja zjawiska zaobserwowanego przez Seebeka
Ilościowe opisanie tego zjawiska było wówczas niemożliwe,
gdyż prawo Ohma, stanowiące jego podstawę, zostało sformułowane
dopiero w roku 1926 przez G.S. Ohma.
W roku 1834 I.C.A. Peltier stwierdził, że gdy prąd przepływa
przez miejsce złączenia dwóch różnych metali, to zależnie od
kierunku przepływu prądu przez złącze, złącze to nagrzewa się lub
9
oziębia, nie uwzględniając oczywiście ciepła Joule’a wydzielającego
się w każdym przewodzie 2cRIQ .
W roku 1854 Lord Kelvin (W. Thomson) doszedł do wniosku,
że poza zjawiskami termoelektrycznymi występuje w spoinach,
również w pojedynczym przewodzie jednorodnym, na którego
długości występuje gradient temperatury, zależnie od rodzaju metalu i
kierunku przepływu prądu, następuje wydzielanie się lub pochłanianie
ciepła.
Zjawisko Peltiera można rozważać jako zjawisko występowania
pewnej siły termoelektrycznej na długości poszczególnych
przewodów obwodu elektrycznego.
Przyczyną zjawiska Peltiera jest różna koncentracja swobodnych
elektronów po obu stronach styku dwóch różnych metali w określonej
temperaturze. Różnica ta powoduje powstanie w miejscu styku
pewnej różnicy potencjałów o wartości zależnej od temperatury.
Przyczyną zjawiska Thomsona jest różny stopień zagęszczenia
elektronów swobodnych wzdłuż przewodnika, na którego długości
występuje pewien gradient temperatury.
Zasada działania przetwornika
Rozpatrzmy złącze dwóch różnych metali przedstawione na
rysunku 1.
N2 N1
E12 1 2
Rys. 1. Złącze dwóch różnych metali
10
Na złączu (spoinie) dwóch różnych metali powstaje niewielka
siła elektromotoryczna E12. Jest ona skierowana od metalu o większej
koncentracji swobodnych elektronów (N1) do metalu o mniejszej
koncentracji elektronów (N2). Wartość tej siły elektromotorycznej
określa następujący wzór.
2
12112 ln
N
N
e
kT
e
AAE
gdzie:
A1, A2 – prace wyjścia elektronów z tych metali
e = 1,602 10-19
C (ładunek elektronu)
k =1,38 10-23
J/K – stała Boltzmanna
T – temperatura bezwzględna spoiny
N1, N2 – koncentracja swobodnych elektronów w jednostce
objętości każdego z metali
T e r mo e l e me n t
Termoelement tworzą dwie elektrody A, B, nazywane
termoelektrodami (rys. 2), wykonane z różnych metali (stopów lub
czystych metali) zespolonych ze sobą jednym końcem. Miejsce
spojenia przybiera najczęściej kształt niewielkiej kuleczki, która
stanowi tak zwaną spoinę pomiarową SP. Spoinę pomiarową
umieszcza się w miejscu, gdzie mierzona jest temperatura. Jeżeli
temperatury T1, T2 różnią się między sobą, to między wolnymi
końcami termoelementu powstaje siła elektromotoryczna E, nazywana
siłą termoelektry- czną (w skrócie STE).
Przyjmuje ona na ogół niewielkie wartości wynoszące kilka,
kilkadziesiąt lub kilkaset miliwoltów.
11
OBIEKT
BADANY
SP
T1
T2 T2 E
B A
Rys. 2. Termoelement czyli złącze dwóch różnych metali A, B
(np. A jest stopem metali: NiCr; B stopem metali: NiAl)
Wartość siły termoelektrycznej E z dobrym przybliżeniem można
przyjmować za wprost proporcjonalną do różnicy temperatur ΔT, to
znaczy:
)( 21 TTkTkE (1)
Gdzie k nazywany jest współczynnikiem czułości termoelementu:
K
mV
T
Ek
Na przykład dla stosowanego w tym ćwiczeniu termoelementu
typu K (NiCr –NiAl), współczynnik k = 0,041 mV/K. Dla drugiego
ze stosowanych w ćwiczeniu termoelementu typu J (Fe-CuNi),
współczynnik k = 0,054 mV/K, przy czym 1K = 1oC.
Dokładną zależność siły termoelektrycznej od temperatury
odczytuje się z odpowiednich tablic, które udostępnia się ćwiczącym.
Zależność (1) pozwala na wyznaczenie temperatury T1 wewnątrz
obiektu badanego, gdy znana jest temperatura otoczenia T2:
CTk
ET o 21 (2)
12
Ostatnia zależność wykorzystywana jest (patrz Tablica 2) do
wyznaczania temperatury wewnątrz pieca elektrycznego, który
w ćwiczeniu występuje w roli obiektu badanego
Prawo trzeciego metalu
Pomiar siły elektromotorycznej E związany jest z pojawieniem
się w układzie trzeciego metalu (oprócz dwóch metali stanowiących
termoelement), jakim jest np. miedziane uzwojenie cewki
miliwoltomierza magnetoelektrycznego (rys. 3). Na stykach trzeciego
metalu z termoelektrodami powstają dodatkowe siły
termoelektryczne. Wykazuje się jednak, że nie wpływają one na
wartość mierzonej siły termoelektrycznej gdy tylko oba końce
trzeciego metalu znajdują się w takiej samej temperaturze.
1 2
3
E12
E32 E13
T1
T2 T2
Rys. 3. Złącze trzech metali 1, 2, z metalem trzecim – 3,
którym jest miedziana cewka miliwoltomierza
W omawianym ćwiczeniu wolne końce termoelektrod 1, 2
doprowadzone są bezpośrednio do zacisków miliwoltomierzy
(porównaj rys. 4), tak więc układ przedstawiony na rysunku 3
odpowiada pod względem elektrycznym rzeczywistemu układowi
pomiarowemu.
13
2. Przebieg pomiarów
Pomiary dokonywane są w układzie, którego schemat przedstawia
rysunek 4.
~U
G
Ni
B
PŁ
Pt
grzejnik
TE1 Rt
W
PIEC
V1 MW V2
TE2
AT
V
Rys. 4. Schemat układu pomiarowego
V1, V2 – woltomierze cyfrowe
V – woltomierz mierzący napięcie zasilające grzejnik pieca
MW – laboratoryjny mostek Wheatstone’a
G – galwanometr magnetoelektryczny
B – bateria zasilająca mostek
PŁ – przełącznik
TE1 – przetwornik termoelektryczny (NiCr-NiAl)
TE2 – przetwornik termoelektryczny (Fe-CuNi)
Pt – przetwornik rezystancyjny platynowy
Ni – przetwornik rezystancyjny niklowy
Rt – termometr rtęciowy mierzący temperaturę otoczenia
AT – autotransformator laboratoryjny
14
W piecu elektrycznym umieszczone są 4 przetworniki:
przetwornik termoelektryczny TE1 typu K (NiCr-NiAl)
przetwornik termoelektryczny TE2 typu J (Fe-CuNi)
termorezystor platynowy (Pt)
termorezystor niklowy (Ni)
Ćwiczący nastawiają przy pomocy autotransformatora napięcie
zasilające grzejnik pieca na podstawie dołączonych do ćwiczenia
charakterystyk pieca. Wskazana przy tej czynności jest konsultacja
ćwiczących z osobą prowadzącą ćwiczenie.
Chodzi m. in. o to, aby napięcie zasilające nie było zbyt duże,
a co za tym idzie temperatura wewnątrz pieca nie wzrastała zbyt
szybko, uniemożliwiając jednoczesne dokonanie wszystkich
niezbędnych odczytów i pomiarów w danym punkcie
zdejmowanych charakterystyk. Z drugiej zaś strony temperatura
pieca nie powinna narastać zbyt wolno z racji ograniczonego
czasu trwania ćwiczenia (należy dokonać ok. 20 pomiarów).
Pomiary rozpoczynają się w chwili włączenia napięcia
zasilającego piec. Od tej chwili należy w równych odstępach czasu
(ustalonych wcześniej) dokonywać odczytów wskazań woltomierzy
cyfrowych i pomiarów rezystancji termorezystorów przy pomocy
mostka Wheatstone’a. Ważne jest tu dobre zorganizowanie pracy i
podział czynności między poszczególnych członków grupy
studenckiej.
Wyniki poszczególnych odczytów i pomiarów należy zapisywać
w Tablicy 2.
15
Tablica 2 to = ……..oC
L.p. E1 otk
Et
1
11
E2 otk
Et
2
22
RPt RNi
mV oC mV
oC
1
2
….
20
Objaśnienia do Tablicy 2
to – temperatura otoczenia odczytana ze wskazań termometru rtęciowego
E1 – SEM zmierzona woltomierzem V1,
E2 – SEM zmierzona woltomierzem V2,
k1 – współczynnik czułości termoelementu TE1
k2 – współczynnik czułości termoelementu TE2
t1 – temperatura wewnątrz pieca zmierzona termoelementem TE1
t2 – temperatura wewnątrz pieca zmierzona termoelementem TE2
RPt – rezystancja termorezystora platynowego zmierzona mostkiem
Wheatstone’a
RNi – rezystancja termorezystora niklowego zmierzona mostkiem Wheatstone’a
W sprawozdaniu należy:
1. Wykreślić charakterystyki: E1 = f(t1) oraz E2 = f(t2). Na tym samym
wykresie narysować charakterystyki na podstawie danych zawartych w
odpowiednich tablicach i uznając je za wzorcowe, stwierdzić, który z
badanych termoelementów mierzy z mniejszym błędem.
2. Wykreślić charakterystyki: RPt = f(t), RNi = f(t) (jako wartości
temperatury t przyjąć wartości t1, obliczone dla termoelementu TE1) i na
ich podstawie wyznaczyć współczynniki temperaturowe rezystancji dla
każdego z termorezystorów. Porównać je ze współczynnikami podanymi
w literaturze.
3. Określić zakresy, w których charakterystyki można traktować jako
liniowe
4. Przedstawić wnioski, jakie nasunęło wykonywane ćwiczenie.
16
3. Pytania i zadania kontrolne
1. Omów zasadę działania termorezystorów metolowych.
2. Omów zasadę działania przetworników termoelektrycznych.
3. Wyjaśnij zjawisko Peltiera, Thomsona, Seebeka.
4. Wymień metody pomiaru rezystancji termorezystorów i omów
jedną z nich.
5. Wymień metody pomiaru siły termoelektrycznej i omów jedną z
nich.
6. Przyczyny błędów pomiaru temperatury termorezystorami
metolowymi.
7. Przyczyny błędów pomiaru temperatury termoelementami.
8. Wymień metody stabilizacji temperatury spoiny odniesienia i
omów jedną z nich.
4. Literatura
1. Miłek M.: Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi,
Podręcznik akademicki, Zielona Góra, 2006.
2. Rząsa M.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury, WKŁ 2005.
3. Michalski L., Eckersdorf K., Kucharski J.: Termometria. Przyrządy
i metody, Politechnika Łódzka, Łódź 1998.
4. Zakrzewski J., Kampik M.: Sensory i przetworniki pomiarowe,
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013.
5. Gajek A., Juda Z.: Czujniki, WKŁ, Warszawa 2009.
6. Nawrocki W.: Sensory i systemy pomiarowe, Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej 2006.
17
Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest
zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz
przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na
stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed
rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi
wskazanymi przez prowadzącego.
W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad.
Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są
w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.
Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.
Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po
wyrażeniu zgody przez prowadzącego.
Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą
obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami
układu znajdującymi się pod napięciem.
Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana
elementów składowych stanowiska pod napięciem.
Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się
odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.
W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć
wszystkie urządzenia.
Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz
nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać
prowadzącemu zajęcia.
Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania
z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia.
W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy
niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą
wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej
w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.
18