Czujniki temperatury - ZAOiOS

POLITECHNIKA WARSZAWSKA
WYDZIAŁ INśYNIERII PRODUKCJI
INSTYTUT TECHNIK WYTWARZANIA
SENSORYKA
http://www.cim.pw.edu.pl/sensoryka
Ćwiczenie 3
Czujniki temperatury
ZAKŁAD AUTOMATYZACJI, OBRABIAREK I OBRÓBKI SKRAWANIEM
Sensoryka - cw.3: Czujniki temperatury
1. POMIAR TEMPERATURY.
1.1. Wstęp
W pomiarach temperatury wykorzystuje się zaleŜność właściwości materiałów od
temperatury. W pierwszych termometrach wykorzystywano zmiany objętości cieczy w
funkcji zmian temperatury. Obecnie wykorzystuje się równieŜ zmiany rezystancji, ciśnienia i
innych wielkości.
Przy pomiarach pośrednich istnieje w zasadzie dowolność wyboru skali; w trakcie
rozwoju termometrii powstało więc szereg skal temperatur. Obecnie powszechnie stosowana
jest międzynarodowa praktyczna skala temperatury, pokrywająca się ze skalą Celsjusza.
Międzynarodowa praktyczna skala temperatury wyznaczona jest przez kilka punktów stałych
(tymi punktami są temperatura wrzenia lub krzepnięcia róŜnych ciał), między którymi
dokonuje się interpolacji. Do interpolacji między punktami stałymi, dla przedziału: 180 630°C uŜywa się termometru platynowego, dla przedziału: 630 - 1063°C - termoelementu
platyna-platynarod (10% Rh), a powyŜej temperatury 1063°C -pirometru
monochromatycznego. Punkty stałe skali przyjęte na międzynarodowej konferencji miar i
wag w 1968 r. zestawiono w tab. 8.1. Tak zdefiniowana skala temperatury pokrywa się ze
skalą termodynamiczną. Poprzednie wersje międzynarodowej skali temperatury (z 1933 r. i
1948 r.) róŜniły się nieznacznie od skali termodynamicznej.
1.2. Rodzaje termometrów.
Temperatura jest w przemyśle najczęściej mierzoną wielkością fizyczną. Pomiary
temperatury występują we wszystkich właściwie gałęziach przemysłu. Wymagane zakresy i
dokładności pomiaru temperatury, Ŝądana postać sygnału wyjściowego oraz warunki pracy są
przy tym bardzo róŜnorodne. ZaleŜnie od wymagań stosowane są róŜne rodzaje termometrów,
wykorzystujące róŜne zjawiska fizyczne. MoŜna wyróŜnić następujące rodzaje termometrów:
1. Rozszerzalnościowe, w których wykorzystuje się zjawisko rozszerzalności cieczy lub ciał
stałych.
2. Ciśnieniowe, wykorzystujące zaleŜność ciśnienia cieczy lub gazu od temperatury, przy
stałej ich objętości.
3. Rezystancyjne, w których wykorzystywana jest zaleŜność rezystancji metali (np. platyny,
miedzi, niklu) oraz półprzewodników od temperatury.
4. Termoelektryczne, w których wykorzystywane jest zjawisko powstawania siły
elektromotorycznej w obwodzie, w którym dwa złącza dwóch róŜnych metali znajdują się w
róŜnej temperaturze.
5. Pirometryczne, w których wykorzystywana jest zaleŜność spektralnego rozkładu
promieniowania emitowanego, od temperatury ciała emitującego.
2
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
Sensoryka - cw.3: Czujniki temperatury
Zakresy pomiarowe róŜnych rodzajów termometrów zestawiono w tabeli poniŜej:
Przy pomiarze temperatury termometrem stykowym między czujnikiem termometru a
obiektem badanym występuje wymiana ciepła, w wyniku której temperatura czujnika i
obiektu powinny się wyrównać. Temperatura czujnika i obiektu badanego wyrównają się w
stanie ustalonym, jeŜeli istnieje między nimi idealne sprzęŜenie cieplne.
W rzeczywistości wymiana ciepła między obiektem a czujnikiem odbywa się ze stratami,
wskutek czego temperatura czujnika róŜni się od temperatury obiektu badanego. PoniewaŜ
termometry są konstruowane tak, aby moŜliwie dokładnie przetwarzały temperaturę czujnika
na sygnał wyjściowy, róŜnica temperatury między czujnikiem a obiektem prowadzi do
powstania błędu dodatkowego, niezaleŜnego od klasy termometru.
∆V=V0-V1
przy czym: V0 - temperatura obiektu (ośrodka), V1 - temperatura czujnika.
1.3. Termometry rezystancyjne
W termometrach rezystancyjnych (oporowych) wykorzystuje się zaleŜność
rezystancji niektórych metali oraz niektórych półprzewodników od temperatury. ZaleŜność
taką wykazują prawie wszystkie znane materiały, jednak tylko nieliczne nadają się do
wykorzystania w czujnikach temperatury (termometrach). Materiał, z którego ma być
wykonany rezystancyjny czujnik temperatury, powinien charakteryzować się stałością
charakterystyki rezystancji w funkcji temperatury, duŜym współczynnikiem temperaturowym,
odpornością na wpływy czynników zewnętrznych. Technologia wytwarzania tego materiału
powinna umoŜliwiać uzyskiwanie czujników o powtarzalnych parametrach.
W praktyce pomiarowej największe zastosowanie znalazły rezystory metaliczne
(drutowe lub cienkowarstwowe - napylane), platynowe, niklowe i miedziane oraz
półprzewodnikowe, wykonane z tlenków Ŝelaza, manganu, litu i tytanu (tzw. termistory).
Największe znaczenie w miernictwie mają termo rezystory platynowe. Mają one
bardzo stabilne i powtarzalne w kolejnych egzemplarzach parametry, jeŜeli tylko wykonane
są z dostatecznie czystej platyny. Współczynnik temperaturowy rezystancji platyny zaleŜy od
jej czystości i jest większy dla czystej platyny. Do wyrobu termorezystorów stosuje się
platynę, której współczynnik α jest nie mniejszy niŜ 0,385. Nieliniowość charakterystyk
termorezystorów platynowych w przedziale 0 - 100°C nie przekracza 0,38°C. Właściwości te
spowodowały, Ŝe w zakresie do ok. 700°C termorezystory platynowe słuŜą jako wzorce
temperaturowe i umoŜliwiają wykonywanie najdokładniejszych pomiarów.
3
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
Sensoryka - cw.3: Czujniki temperatury
rys. 1.1 Charakterystyki termorezystorów; 1-platynowego, 2-termistora
Termorezystory półprzewodnikowe - termistory charakteryzują się duŜym, prawie
dziesięciokrotnie
większym
niŜ
termorezystory
metaliczne
współczynnikiem
temperaturowym α. Dla porównania na rys. 1.1 przedstawiono charakterystyki termistora i
termorezystora platynowego. Jak widać, współczynnik α jest dla termistora ujemny
(rezystancja termistora maleje ze wzrostem temperatury) i zaleŜny od temperatury
(charakterystyka jest nieliniowa). Termistory są uŜywane w przedziale temperatury ok. -50°C
- ok. 150°C, ich podstawową zaletę stanowi duŜa czułość, główne wady to silnie nieliniowa
charakterystyka i duŜy rozrzut parametrów. Rozrzut parametrów utrudnia wymianę
termistorów w układach pomiarowych, nawet jeŜeli dysponujemy elementami z tej samej serii
produkcyjnej. Charakterystyki termistorów mogą być w niewielkim zakresie korygowane
przez dołączenie równolegle lub szeregowo-równolegle korekcyjnych rezystorów
manganinowych.
Termistory są wykonywane w postaci prętów, płytek lub drobnych zatapianych w
szkle perełek. Te ostatnie, zwane miniaturowymi, charakteryzują się bardzo małą
bezwładnością cieplną.
rys. 1.2 Termistory a) masywne niehermetyzowane, b) perełkowe zatapiane w szkle
Pomiar temperatury z uŜyciem czujników termorezystancyjnych sprowadza się do
pomiaru rezystancji, jedną ze stosowanych w miernictwie elektrycznym metod. Najczęściej
do takich pomiarów są stosowane mostki niezrównowaŜone oraz równowaŜone ręcznie lub
automatycznie.
Stosunkowo duŜe zmiany rezystancji powodują, Ŝe w przypadku mostków niezrównowaŜonych nie moŜna pominąć nieliniowości charakterystyki mostka. DuŜa czułość
termorezystorów na zmiany temperatury powoduje konieczność (dla uniknięcia błędów
wynikających z samonagrzewania) ograniczania płynącego przez nie prądu. Jest to
szczególnie waŜne przy korzystaniu z termistorów. Błąd dodatkowy, który naleŜy
uwzględniać przy pomiarach temperatury z uŜyciem termorezystorów, jest powodowany
temperaturowymi zmianami rezystancji przewodów łączących. PoniewaŜ długość połączeń
mostka z czujnikiem oraz zmiany temperatury wzdłuŜ nich mogą być znaczne, błąd ten nie
zawsze jest pomijalny.
4
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
Sensoryka - cw.3: Czujniki temperatury
Schemat układu z kompensacją wpływu zmian rezystancji przewodów łączących
przedstawiono na rys. 1.3. Zmiany temperatury doprowadzeń powodują zmiany rezystancji w
sąsiednich gałęziach mostka, a więc nie mają wpływu na jego równowagę.
rys. 1.3 Mostek temometryczny z kompensacją temperaturowych zmian przewodów łączących
(Rv-termorezystor)
1.4. Termometry termoelektryczne
Do pomiaru temperatury jest wykorzystywane zjawisko termoelektryczne Seebecka,
polegające na powstawaniu zaleŜnej od temperatury siły elektromotorycznej na styku dwóch
róŜnych metali.
W prostym obwodzie zawierającym dwa metale A i B (rys. 1.4) powstaną siły
elektromotoryczne. JeŜeli temperatura V0 jest znana, moŜna określić temperaturę mierząc wypadkową siłę termoelektryczną E; złącze dwóch metali moŜe być wykorzystane jako czujnik
temperatury. Taki czujnik zwany jest termoelementem. Włączenie w obwód termoelementu
przyrządu do pomiaru siły termoelektrycznej E oznacza wprowadzenie w ten obwód
przynajmniej jeszcze jednego przewodu C.
rys. 1.4 Prosty obwód termoelektryczny
5
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
Sensoryka - cw.3: Czujniki temperatury
Termoelementy otrzymuje się łącząc trwale (przez zespawanie, zlutowanie,
zagniecenie) końce drutów z odpowiednich metali. W miejscu połączenia powstaje spoina,
pozostałe końce drutów są to tzw. końce wolne. Konstrukcja termoelementu zaleŜy od jego
przeznaczenia.
rys. 1.5 Dwa sposoby włączania miliwoltomierza w obwód termoelementu
Na rys. 1.6 przedstawiono przykładowo konstrukcję termometru termoelektrycznego
typu przemysłowego przeznaczonego do pomiarów temperatury w rurociągach, zbiornikach,
piecach itp. Termometr ten ma masywne osłony ceramiczne i metalowe i charakteryzuje się
duŜą bezwładnością cieplną. Wykonywane są równieŜ termoelementy przeznaczenia
specjalnego do pomiarów powierzchniowych,
rys. 1.6 Budowa czujnika termoelektrycznego oraz budowa termoelementu o małej bezwładności cieplnej
o bardzo małej bezwładności cieplnej i in. Na powyŜej przedstawiono interesujące
rozwiązanie termoelementu o małej bezwładności. Jeden z drutów umieszczony jest wewnątrz
drugiego i izolowany cienką warstwą tlenku. Spoina znajduje się na końcu tak otrzymanego
przewodu koncentrycznego o średnicy zewnętrznej ok. 0,4 mm.
Parametry najczęściej uŜywanych termoelementów zestawiono w tabeli poniŜej.
Szczególne miejsce zajmuje wśród nich termoelement platyna-platynorod. Ma on wprawdzie
6
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
Sensoryka - cw.3: Czujniki temperatury
niewielką czułość, ale ze względu na stabilność charakterystyki słuŜy jako wzorzec w
zakresie 630 -1063°C. Charakterystyki kilku termoelementów przedstawiono na rys. 1.7.
Do pomiaru sił (napięć) termoelektrycznych są stosowane przyrządy przeznaczone do
pomiaru małych napięć stałych, a więc miliwoltomierze magnetoelektryczne i cyfrowe oraz
kompensatory ręczne i automatyczne.
rys. 1.7 Charakterystyki termoelementów: 1-platyna-platynorod; 2-nichrom-nikiel; 3-Ŝelazo-konstantan;
4-miedź-konstantan
1.5. Wykonanie ćwiczenia:
Stanowisko pomiarowe składa się z:
• wzorcowego termometru cyfrowego
• multimetru cyfrowego
• komputera z kartą pomiarową wraz z odpowiednim oprogramowaniem
• dwóch badanych czujników (termistor i termopara)
NaleŜy zbadać charakterystykę czujników:
- Termistora (pomiar oporności multimetrem cyfrowym);
- Termopary (pomiar napięcia – wirtualny woltomierz zaprogramowany w LabVIEW,
wykorzystujący kartę pomiarową).
7
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
Sensoryka - cw.3: Czujniki temperatury
rys. 1.8 Program do pomiaru napięcia termopary
Opis działania programu:
• Po uruchomieniu programu wybrać nr kanału, do którego podłączony jest czujnik
(domyślnie kanał 0);
• Następnie suwakiem wybrać częstość próbkowania, czyli wartość czasu - co ile
milisekund ma być mierzone napięcie;
• Po kliknięci przycisku START mierzone jest napięcie termopary (znika przycisk
„Zapis do pliku”). Pomiar jest wykonywany tak długo aŜ zostanie naciśnięty przycisk
STOP. MoŜna kontynuować pomiary wciskając ponownie przycisk START.
• Po zakończeniu rejestracji sygnału, dane naleŜy zapisać do pliku nadając mu
odpowiednią nazwę i rozszerzenie txt
• W prawych górnym rogu programu cały czas wyświetlana jest wartość chwilowa
napięcia termopary, bez względu na to czy rejestracja jest uruchomiona, czy teŜ nie.
• Wykres zmian napięcia termopary rysowany jest wyłącznie w tracie rejestracji
danych.
1.6. Przykładowe pytania
1. Wymienić i opisać rodzaje termoelementów.
2. Budowa i zasada działania termopary.
3. Budowa i zasada działania termistora.
4. Co to jest bezwładność czujnika?
5. Dlaczego przy pomiarze temperatury termoparą przewody pomiarowe
powinny być jak najkrótsze?
6. Gdzie w przemyśle stosuje się czujniki temperatury?
7. Z jaką dokładnością najczęściej mierzona jest temperatura?
8. Wymień inne typy termometrów niŜ termistor i termopara.
8
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW