Pomiar temperatury, Energetyka Politechnika Krakowska Wydział Mechaniczny I stopień, Podstawy Termodynamiki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
POMIARY TEMPERATURY
1.
Cel
ę
wiczenia.
Celem
ę
wiczenia jest zapoznanie si
ħ
z metodami pomiaru temperatury oraz
wyznaczenie charakterystyk wybranych czujników temperatury (NTC, PTC, PT100, LM35,
termopara typu K).
2.
Przebieg
ę
wiczenia.
Nale
Ň
y dokona
ę
pomiarów wielko
Ļ
ci przedstawionych w dalszej cz
ħĻ
ci instrukcji. Do
zasilania czujnika LM 35 wykorzysta
ę
napi
ħ
cie 5V z zasilacza stanowiska. Zwróci
ę
szczególn
Ģ
uwag
ħ
na wybrany zakres pomiarowy i wielko
Ļę
mierzon
Ģ
przyrz
Ģ
dów przy
naprzemiennym pomiarze rezystancji i napi
ħ
cia.
3.
Pomiar temperatury.
Realizacja pomiaru temperatury mo
Ň
e odbywa
ę
si
ħ
z wykorzystaniem metod
dotykowych (konieczny jest prawidłowy kontakt czujnika z przedmiotem) oraz
bezdotykowych (pomiar parametrów promieniowania emitowanego przez ciało - pirometria).
W zale
Ň
no
Ļ
ci od wykorzystanych do pomiaru własno
Ļ
ci fizycznych czujnika pomiarowego,
wyró
Ň
ni
ę
mo
Ň
na:
•
Czujniki generacyjne:
o
wytwarzania napi
ħ
cia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w
ró
Ň
nych temperaturach,
•
Czujniki parametryczne
o
zmiany rezystancji elementu (termistor),
o
zmiany obj
ħ
to
Ļ
ci cieczy, gazu lub długo
Ļ
ci ciała stałego,
o
zmiana barwy - barwa
Ň
aru, barwa nalotowa stali, farba zmieniaj
Ģ
ca kolor
pod wpływem temperatury,
o
zmiany parametrów zł
Ģ
cza półprzewodnikowego
o
odkształcenia bimetalu,
o
sto
Ň
ki Segera.
W przypadku automatycznego pomiarów temperatury do celów regulacji procesów
najszerzej znajduj
Ģ
zastosowanie pomiary z wykorzystaniem pomiaru zmian rezystancji oraz
napi
ħ
cia termopary. Coraz powszechniej wykorzystywane s
Ģ
równie
Ň
scalone czujniki
temperatury jak analogowy LM35 czy cyfrowy DS18B20.
3.1 Termopara
to zł
Ģ
cze dwóch ró
Ň
nych metali, na którym powstaje napi
ħ
cie zale
Ň
ne
od ró
Ň
nicy temperatury miedzy „zimnymi” i „gor
Ģ
cymi” ko
ı
cami. Współczynnik
temperaturowy jest rz
ħ
du 40-50 µV/°C. Zakres pracy od -270°C do ok+2000°C. Spoiny
termopar wykonuje si
ħ
najcz
ħĻ
ciej przez spawanie, a rzadziej lutowanie, zgrzewanie czy
skr
ħ
canie i zwalcowywanie.
Materiały stosowane na termoelementy powinny wykazywa
ę
nast
ħ
puj
Ģ
ce cechy:
wysoka temperatura topnienia, wysoka dopuszczalna temperatura pracy ci
Ģ
głej, du
Ň
a
odporno
Ļę
na wpływy atmosferyczne, mo
Ň
liwie mała rezystywno
Ļę
, mały cieplny
współczynnik rezystancji, stało
Ļę
parametrów w czasie. Działanie termopar opiera si
ħ
na
zjawiskach Seebecka, Peltiera i Thomsona. Najwi
ħ
ksz
Ģ
rol
ħ
odgrywa zjawisko Seebecka,
1
które polega na powstawaniu siły elektromotorycznej i przepływie pr
Ģ
du elektrycznego w
miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o ró
Ň
nych temperaturach, w zamkni
ħ
tym
obwodzie. Typowe charakterystyki dla temperatury odniesienia 0°C przedstawione s
Ģ
na
wykresie:
Przykładowy układ do pomiaru temperatury za pomoc
Ģ
termopary:
Warto
Ļę
mierzonego napi
ħ
cia zale
Ň
y od ró
Ň
nicy temperatur obu zł
Ģ
cz E=f(T1-T2).
Pomiar bezwzgl
ħ
dny temperatury jest mo
Ň
liwy za pomoc
Ģ
termopar tylko wtedy, gdy
temperatura zacisków odniesienia jest znana, np. zł
Ģ
cze odniesienia umieszcza si
ħ
w stałej
temperaturze (np. 0°C – woda+lód). W specjalizowanych listwach pomiarowych, do
okre
Ļ
lenia temperatury „zimnych” ko
ı
ców, stosuje si
ħ
zazwyczaj rezystancyjny czujnik
temperatury. Nale
Ň
y zwróci
ę
uwag
ħ
na podł
Ģ
czenie układu pomiarowego. W miejscu styku
Cu oraz przewodów termopary równie
Ň
powstaje siła termoelektryczna, która ma wpływ na
wynik pomiaru. W takim przypadku konieczne jest utrzymanie stałej temperatury mi
ħ
dzy
miejscem poł
Ģ
czenia przewodów przyrz
Ģ
dów pomiarowych a termopar
Ģ
.
Rozwi
Ģ
zaniem jest stosowanie specjalizowanych listew pomiarowych, których zaciski
wykonane s
Ģ
z materiałów, które nie powoduj
Ģ
powstawania siły termoelektrycznej oraz
zapewniaj
Ģ
pomiar temperatury zimnych ko
ı
ców.
2
Za
kresy pracy i tolerancje poszczególnych typów termopar
Termoelement
Maksymalna
temperatura pracy
Typ
Klasa tolerancji PN-EN 60584-2
Klasa 1 -40 do +750
o
C:
±
0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +750
o
C:
±
0.0075 x | t |
Fe-CuNi
J
750°C
Klasa 1 -40 do +350
o
C:
±
0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +350
o
C:
±
0.0075 x | t |
Klasa 3 -200 do +40
o
C:
±
0.015 x | t |
Cu-CuNi
T
350°C
Klasa 1 -40 do +1000
o
C:
±
0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +1200
o
C:
±
0.0075 x | t |
Klasa 3 -200 do +40
o
C:
±
0.015 x | t |
NiCr-NiAl
K
1200°C
Klasa 1 -40 do +800
o
C:
±
0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +900
o
C:
±
0.0075 x | t |
Klasa 3 -200 do +40
o
C:
±
0.015 x | t |
NiCr-CuNi
E
900°C
Klasa 1 -40 do +1000
o
C:
±
0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +1200
o
C:
±
0.0075 x | t |
Klasa 3 -200 do +40
o
C:
±
0.015 x | t |
NiCrSi-NiSi
N
1200°C
Klasa 1 -0 do +1600
o
C:
±
[ 1 + ( t – 1100 ) x 0.003 ]
Klasa 2 -40 do +16000
o
C:
±
0.0025 x | t |
Pt10Rh-Pt
S
1600°C
Klasa 1 -0 do +1600
o
C:
±
[ 1 + ( t – 1100 ) x 0.003 ]
Klasa 2 -40 do +16000
o
C:
±
0.0025 x | t |
Pt13Rh-Pt
R
1600°C
Klasa 2 +600 do +1700
o
C:
±
0.0025 x | t |
Klasa 3 +600 do +1700
o
C:
±
0.005 x | t |
Pt30Rh-Pt6Rh
B
1800°C
Warto
Ļę
siły termoelektrycznej µV dla termopary K i temperatury odniesienia 0°C
°
C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-200
-5891
-6035
-6158
-6262
-6344
-6404
-6441
-6458
x
x
-100
-3554
-3852
-4138
-4411
-4669
-4913
-5141
-5354
-5550
-5730
-0
0
-392
-778
-1156
-1527
-1889
-2243
-2587
-2910
-3243
+0
0
397
798
1203
1612
2023
2436
2851
3267
3682
100
4096
4509
4920
5328
5735
6138
6540
6941
7340
7739
200
8138
8539
8940
9343
9747
10153
10561
10971
11382
11795
300
12209
12624
13040
13457
13874
14293
14713
15133
15554
15975
400
16397
16820
17243
17667
18091
18516
18941
19366
19792
20218
500
20644
21071
21497
21924
22350
22776
23203
23629
24055
24480
600
24905
25330
25755
26179
26602
27025
27447
27869
28289
28710
700
29129
29548
29965
30382
30798
31213
31628
32041
32453
32865
800
33275
33685
34093
34501
34908
35313
35718
36121
36524
36925
900
37326
37725
38124
38522
38918
39314
39708
40101
40494
40885
1000
41276
41665
42053
42440
42826
43211
43595
43978
44359
44740
1100
45119
45797
45873
46249
46623
46995
47367
47737
48105
48473
1200
48838
49292
49565
49926
50286
50664
51000
51355
51708
52060
x
1300
52410
52759
53106
53451
53795
54138
54479
54819
x
Tolerancja dla termopary J (do 750°C) i K wykonanej w 1 i 2 klasie..
3.2
Pomiar temperatury
rezystorami termometrycznymi i termistorami
sprowadza
si
ħ
do pomiaru zmian rezystancji wywołanych zmian
Ģ
temperatury. Stosowane s
Ģ
ró
Ň
ne
metody (ilorazowa, kompensacyjna, mostka zrównowa
Ň
onego i niezrównowa
Ň
onego) w
zale
Ň
no
Ļ
ci od wymaganej dokładno
Ļ
ci pomiaru.
3
Pomiar rezystancji
metod
Ģ
kompensacyjn
Ģ
polega na pomiarze spadku napi
ħ
cia na
rezystorze termometrycznym R i porównaniu go ze spadkiem napi
ħ
cia na rezystorze
porównawczym. Zalet
Ģ
tej metody jest zupełna niezale
Ň
no
Ļę
pomiaru od rezystancji
przewodów ł
Ģ
cz
Ģ
cych czujnik z przyrz
Ģ
dem (stosowana wtedy, gdy rezystancje przewodów
doprowadzaj
Ģ
cych s
Ģ
znaczne i jest wymagany bardzo dokładny pomiar temperatury).
Schemat
zrównowa
Ň
onego mostka Wheatstone'a
przedstawiony jest na rys.1, gdzie
R jest rezystancj
Ģ
czujnika temperatury, a R1,R2, R3 stanowi
Ģ
elementy mostka, a
potencjometr P słu
Ň
y do jego równowa
Ň
enia. Mostek znajduje si
ħ
w równowadze, gdy
napi
ħ
cie przek
Ģ
tnej Ug = 0V.
Warunek równowagi mostka.
R
1
R
2
=
R
3
+
r
3
R
+
r
w zale
Ň
no
Ļ
ci od wybranego czujnika temperatury jego warto
Ļę
zmienia si
ħ
od Rmin
do Rmax. Nale
Ň
y dobra
ę
warto
Ļę
potencjometru P tak aby mo
Ň
liwe było zrównowa
Ň
enie
mostka w całym zakresie pomiarowym tzn. spełnione były równania:
R
1
R
2
Ê
=
Í
2
−
(
R
min
+
R
3)
+
(
R
min
−
R
3)
+
4
R R
3
max
R
3
R
min
+
P
a w rezultacie:
P
=
Ë
Í
R
1
R
2
2
=
Í
Ì
R
3
+
P
R
max
Rezystor wyrównawczy mo
Ň
na wprost wyskalowa
ę
w stopniach temperatury. Zalet
Ģ
równowa
Ň
onych mostków do pomiaru temperatury jest niezale
Ň
no
Ļę
ich wskaza
ı
do zmian
napi
ħ
cia zasilaj
Ģ
cego i zmian temperatury otoczenia (przy zało
Ň
eniu,
Ň
e rezystory R1, R2,
R3,r, s
Ģ
wykonane z manganinu). Mostek wymaga równowa
Ň
enia, które mo
Ň
e by
ę
przeprowadzane r
ħ
cznie lub w sposób zautomatyzowany.
W praktyce stosowane s
Ģ
czujniki wykonane z platyny (Pt, du
Ň
a stało
Ļę
własno
Ļ
ci
fizycznych, odporno
Ļę
na korozj
ħ
, -250÷1000
0
C), niklu (Ni, wzgl
ħ
dnie du
Ň
y współczynnik
temperaturowy, du
Ň
a odporno
Ļę
na działanie zwi
Ģ
zków agresywnych i utlenianie, du
Ň
a
4
nieliniowo
Ļę
charakterystyki powy
Ň
ej 350
0
C, -60÷180
0
C), miedzi (Cu, niewielkie rezystancje,
szybkie utlenianie -50÷150
0
C) oraz stopy
Ň
elaza i niklu (Ni/Fe) o rezystancjach w
temperaturze 0°C 100, 1000W. Materiał czujnika powinien cechowa
ę
si
ħ
:
-
du
Ň
ym współczynnikiem temperaturowym zmian rezystancji,
-
du
ŇĢ
rezystywno
Ļ
ci
Ģ
umo
Ň
liwiaj
Ģ
c
Ģ
wykonanie czujników o małych wymiarach,
-
odporno
Ļ
ci
Ģ
na korozj
ħ
,
-
wysok
Ģ
temperatur
Ģ
topnienia,
-
stało
Ļ
ci
Ģ
wła
Ļ
ciwo
Ļ
ci
fizycznych
i
chemicznych
w
wykorzystywanym
zakresie
temperatury,
-
łatwo
Ļ
ci
Ģ
obróbki mechanicznej ( ci
Ģ
gliwo
Ļ
ci
Ģ
i wytrzymało
Ļ
ci
Ģ
),
-
brakiem histerezy , ci
Ģ
gło
Ļ
ci
Ģ
funkcji przetwarzania,
-
powtarzalno
Ļ
ci
Ģ
podstawowych parametrów czujników wykonanych z tego samego
materiału.
Przykładowe charakterystyki zmian rezystancji dla poszczególnych materiałów przedstawione
s
Ģ
na rysunku:
Współczynnik temperaturowy oraz zakres pracy dla metalowych czujników rezystancyjnych
przedstawione s
Ģ
w tabeli.
A
Zakr.
pracy
°C
Materiał
W
/
W
/°C
Opis
Najlepsza dokładno
Ļę
i stabilno
Ļę
, niemal liniowa
charakterystyka, najszerszy zakres temperatur, du
Ň
a
rezystywno
Ļę
: dost
ħ
pne w wersjach 100, 200, 500, 1000W przy
0°C (Pt100 Pt1000);
0.00385–
0.003923
–200
do
850
Pt
–40
do
300
Najwy
Ň
szy współczynnik temperaturowy, gorsza stabilno
Ļę
ni
Ň
Pt. Po przekroczeniu punktu Curie (352°C) nieprzewidywalna
histereza. Tani – klimatyzacja, sprz
ħ
t AGD
0.0067
Ni
Najbardziej liniowa charakterystyka, mały zakres temperatur.
Bardzo niska rezystywno
Ļę
. Stosowane rzadko. Przewa
Ň
nie
wykorzystuj
Ģ
ju
Ň
istniej
Ģ
ce uzwojenia (np. w silnikach i
generatorach)
–73
do
149
0.0043
Cu
–46
do
343
0.0051
Wysoki współczynnik temperaturowy. Ta
ı
sze ni
Ň
Ni. Szerszy
zakres temperatur.
Ni/Fe
(70/30)
Dokładno
Ļę
pomiaru temperatury czujnikami rezystancyjnymi uzale
Ň
niona jest od klasy
czujnika. Norma IEC 751 okre
Ļ
la bł
Ģ
d dla:
klasy A –
(
)
D
T
= ±
0.15
+
0.002
T
dla 2- i 3-przewodowych w zakresie -200°C do 650°C,
(
)
klasy B –
D
T
= ±
0.30
+
0.005
T
w całym zakresie pomiarowym.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]