2. Badanie czujników temperatury.

POMIARY TEMPERATURY
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiaru temperatury oraz
wyznaczenie charakterystyk wybranych czujników temperatury (NTC, PTC, PT100, LM35,
termopara typu K).
2. Przebieg ćwiczenia.
Należy dokonać pomiarów wielkości przedstawionych w dalszej części instrukcji. Do
zasilania czujnika LM 35 wykorzystać napięcie 5V z zasilacza stanowiska. Zwrócić
szczególną uwagę na wybrany zakres pomiarowy i wielkość mierzoną przyrządów przy
naprzemiennym pomiarze rezystancji i napięcia.
3. Pomiar temperatury.
Realizacja pomiaru temperatury może odbywać się z wykorzystaniem metod
dotykowych (konieczny jest prawidłowy kontakt czujnika z przedmiotem) oraz
bezdotykowych (pomiar parametrów promieniowania emitowanego przez ciało - pirometria).
W zależności od wykorzystanych do pomiaru własności fizycznych czujnika pomiarowego,
wyróżnić można:
• Czujniki generacyjne:
o wytwarzania napięcia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w
różnych temperaturach,
• Czujniki parametryczne
o zmiany rezystancji elementu (termistor),
o zmiany objętości cieczy, gazu lub długości ciała stałego,
o zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor
pod wpływem temperatury,
o zmiany parametrów złącza półprzewodnikowego
o odkształcenia bimetalu,
o stożki Segera.
W przypadku automatycznego pomiarów temperatury do celów regulacji procesów
najszerzej znajdują zastosowanie pomiary z wykorzystaniem pomiaru zmian rezystancji oraz
napięcia termopary. Coraz powszechniej wykorzystywane są również scalone czujniki
temperatury jak analogowy LM35 czy cyfrowy DS18B20.
3.1 Termopara to złącze dwóch różnych metali, na którym powstaje napięcie zależne
od różnicy temperatury miedzy „zimnymi” i „gorącymi” końcami. Współczynnik
temperaturowy jest rzędu 40-50 µV/°C. Zakres pracy od -270°C do ok+2000°C. Spoiny
termopar wykonuje się najczęściej przez spawanie, a rzadziej lutowanie, zgrzewanie czy
skręcanie i zwalcowywanie.
Materiały stosowane na termoelementy powinny wykazywać następujące cechy:
wysoka temperatura topnienia, wysoka dopuszczalna temperatura pracy ciągłej, duża
odporność na wpływy atmosferyczne, możliwie mała rezystywność, mały cieplny
współczynnik rezystancji, stałość parametrów w czasie. Działanie termopar opiera się na
zjawiskach Seebecka, Peltiera i Thomsona. Największą rolę odgrywa zjawisko Seebecka,
1
które polega na powstawaniu siły elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w
miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o różnych temperaturach, w zamkniętym
obwodzie. Typowe charakterystyki dla temperatury odniesienia 0°C przedstawione są na
wykresie:
Przykładowy układ do pomiaru temperatury za pomocą termopary:
Wartość mierzonego napięcia zależy od różnicy temperatur obu złącz E=f(T1-T2).
Pomiar bezwzględny temperatury jest możliwy za pomocą termopar tylko wtedy, gdy
temperatura zacisków odniesienia jest znana, np. złącze odniesienia umieszcza się w stałej
temperaturze (np. 0°C – woda+lód). W specjalizowanych listwach pomiarowych, do
określenia temperatury „zimnych” końców, stosuje się zazwyczaj rezystancyjny czujnik
temperatury. Należy zwrócić uwagę na podłączenie układu pomiarowego. W miejscu styku
Cu oraz przewodów termopary również powstaje siła termoelektryczna, która ma wpływ na
wynik pomiaru. W takim przypadku konieczne jest utrzymanie stałej temperatury między
miejscem połączenia przewodów przyrządów pomiarowych a termoparą.
Rozwiązaniem jest stosowanie specjalizowanych listew pomiarowych, których zaciski
wykonane są z materiałów, które nie powodują powstawania siły termoelektrycznej oraz
zapewniają pomiar temperatury zimnych końców.
2
Zakresy pracy i tolerancje poszczególnych typów termopar
Termoelement
Typ
Maksymalna
temperatura pracy
Fe-CuNi
J
750°C
Cu-CuNi
T
350°C
NiCr-NiAl
K
1200°C
NiCr-CuNi
E
900°C
NiCrSi-NiSi
N
1200°C
Pt10Rh-Pt
S
1600°C
Pt13Rh-Pt
R
1600°C
Pt30Rh-Pt6Rh
B
1800°C
Klasa tolerancji PN-EN 60584-2
Klasa 1 -40 do +750oC: ± 0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +750 oC: ± 0.0075 x | t |
Klasa 1 -40 do +350oC: ± 0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +350 oC: ± 0.0075 x | t |
Klasa 3 -200 do +40 oC: ± 0.015 x | t |
Klasa 1 -40 do +1000oC: ± 0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +1200 oC: ± 0.0075 x | t |
Klasa 3 -200 do +40 oC: ± 0.015 x | t |
Klasa 1 -40 do +800oC: ± 0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +900 oC: ± 0.0075 x | t |
Klasa 3 -200 do +40 oC: ± 0.015 x | t |
Klasa 1 -40 do +1000oC: ± 0.004 x | t |
Klasa 2 -40 do +1200 oC: ± 0.0075 x | t |
Klasa 3 -200 do +40 oC: ± 0.015 x | t |
Klasa 1 -0 do +1600oC: ± [ 1 + ( t – 1100 ) x 0.003 ]
Klasa 2 -40 do +16000 oC: ± 0.0025 x | t |
Klasa 1 -0 do +1600oC: ± [ 1 + ( t – 1100 ) x 0.003 ]
Klasa 2 -40 do +16000 oC: ± 0.0025 x | t |
Klasa 2 +600 do +1700 oC: ± 0.0025 x | t |
Klasa 3 +600 do +1700 oC: ± 0.005 x | t |
Wartość siły termoelektrycznej µV dla termopary K i temperatury odniesienia 0°C
°C
-200
-100
-0
+0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
0
-5891
-3554
0
0
4096
8138
12209
16397
20644
24905
29129
33275
37326
41276
45119
48838
52410
10
-6035
-3852
-392
397
4509
8539
12624
16820
21071
25330
29548
33685
37725
41665
45797
49292
52759
20
-6158
-4138
-778
798
4920
8940
13040
17243
21497
25755
29965
34093
38124
42053
45873
49565
53106
30
-6262
-4411
-1156
1203
5328
9343
13457
17667
21924
26179
30382
34501
38522
42440
46249
49926
53451
40
-6344
-4669
-1527
1612
5735
9747
13874
18091
22350
26602
30798
34908
38918
42826
46623
50286
53795
50
-6404
-4913
-1889
2023
6138
10153
14293
18516
22776
27025
31213
35313
39314
43211
46995
50664
54138
60
-6441
-5141
-2243
2436
6540
10561
14713
18941
23203
27447
31628
35718
39708
43595
47367
51000
54479
70
-6458
-5354
-2587
2851
6941
10971
15133
19366
23629
27869
32041
36121
40101
43978
47737
51355
54819
80
x
-5550
-2910
3267
7340
11382
15554
19792
24055
28289
32453
36524
40494
44359
48105
51708
x
90
x
-5730
-3243
3682
7739
11795
15975
20218
24480
28710
32865
36925
40885
44740
48473
52060
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
się do pomiaru zmian rezystancji wywołanych zmianą temperatury. Stosowane są różne
metody (ilorazowa, kompensacyjna, mostka zrównoważonego i niezrównoważonego) w
zależności od wymaganej dokładności pomiaru.
3
Pomiar rezystancji metodą kompensacyjną polega na pomiarze spadku napięcia na
rezystorze termometrycznym R i porównaniu go ze spadkiem napięcia na rezystorze
porównawczym. Zaletą tej metody jest zupełna niezależność pomiaru od rezystancji
przewodów łączących czujnik z przyrządem (stosowana wtedy, gdy rezystancje przewodów
doprowadzających są znaczne i jest wymagany bardzo dokładny pomiar temperatury).
Schemat zrównoważonego mostka Wheatstone'a przedstawiony jest na rys.1, gdzie
R jest rezystancją czujnika temperatury, a R1,R2, R3 stanowią elementy mostka, a
potencjometr P służy do jego równoważenia. Mostek znajduje się w równowadze, gdy
napięcie przekątnej Ug = 0V.
Warunek równowagi mostka.
R1
R2
=
R3 + r 3 R + r
w zależności od wybranego czujnika temperatury jego wartość zmienia się od Rmin
do Rmax. Należy dobrać wartość potencjometru P tak aby możliwe było zrównoważenie
mostka w całym zakresie pomiarowym tzn. spełnione były równania:
R2
 R1
 R3 = R min + P
−( R min + R3) + ( R min − R3) 2 + 4 R3R max
P
=
a
w
rezultacie:

2
 R1 = R 2
 R3 + P R max
Rezystor wyrównawczy można wprost wyskalować w stopniach temperatury. Zaletą
równoważonych mostków do pomiaru temperatury jest niezależność ich wskazań do zmian
napięcia zasilającego i zmian temperatury otoczenia (przy założeniu, że rezystory R1, R2,
R3,r, są wykonane z manganinu). Mostek wymaga równoważenia, które może być
przeprowadzane ręcznie lub w sposób zautomatyzowany.
W praktyce stosowane są czujniki wykonane z platyny (Pt, duża stałość własności
fizycznych, odporność na korozję, -250÷10000C), niklu (Ni, względnie duży współczynnik
temperaturowy, duża odporność na działanie związków agresywnych i utlenianie, duża
4
nieliniowość charakterystyki powyżej 3500C, -60÷1800C), miedzi (Cu, niewielkie rezystancje,
szybkie utlenianie -50÷1500C) oraz stopy żelaza i niklu (Ni/Fe) o rezystancjach w
temperaturze 0°C 100, 1000Ω. Materiał czujnika powinien cechować się:
- 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.
Przykładowe charakterystyki zmian rezystancji dla poszczególnych materiałów przedstawione
są na rysunku:
Współczynnik temperaturowy oraz zakres pracy dla metalowych czujników rezystancyjnych
przedstawione są w tabeli.
Materiał
A
Ω/Ω/°C
Zakr.
pracy
°C
Pt
0.00385–
0.003923
–200
do
850
Ni
Cu
Ni/Fe
(70/30)
0.0067
0.0043
0.0051
–40
do
300
–73
do
149
–46
do
343
Opis
Najlepsza dokładność i stabilność, niemal liniowa
charakterystyka,
najszerszy
zakres
temperatur,
duża
rezystywność: dostępne w wersjach 100, 200, 500, 1000Ω przy
0°C (Pt100 Pt1000);
Najwyższy współczynnik temperaturowy, gorsza stabilność niż
Pt. Po przekroczeniu punktu Curie (352°C) nieprzewidywalna
histereza. Tani – klimatyzacja, sprzęt AGD
Najbardziej liniowa charakterystyka, mały zakres temperatur.
Bardzo niska rezystywność. Stosowane rzadko. Przeważnie
wykorzystują już istniejące uzwojenia (np. w silnikach i
generatorach)
Wysoki współczynnik temperaturowy. Tańsze niż Ni. Szerszy
zakres temperatur.
Dokładność pomiaru temperatury czujnikami rezystancyjnymi uzależniona jest od klasy
czujnika. Norma IEC 751 określa błąd dla:
klasy A – ∆T = ± ( 0.15 + 0.002 T ) dla 2- i 3-przewodowych w zakresie -200°C do 650°C,
klasy B – ∆T = ± ( 0.30 + 0.005 T
) w całym zakresie pomiarowym.
5
Graficzne przedstawienie tolerancja dla rezystancyjnych czujników temperatury PT100
wykonanych w klasie A i B zamieszczone jest na rysunku.
W czujnikach rezystancyjnych metalowych zmiany rezystancji można opisać wzorem:
RT = R0 (1 + a1T + a2T 2 + ... + anT n )
gdzie: RT – rezystancja w temperaturze rezystora T
R0 – rezystancja rezystora w temperaturze odniesienia
a1- an – stałe wyznaczane doświadczalnie
Dla temperatur bliskich 0°C wzór można zapisać jako zależność liniową:
RT = R0 (1 + α T )
gdzie: α – temperaturowy współczynnik rezystancji [ Ω/Ω/0°C]
T – przyrost temperatury względem temperatury odniesienia
3.3 Termistory to półprzewodnikowe elementy rezystancyjne o ujemnym lub
dodatnim współczynniku temperaturowym zmian rezystancji. Na ogół stosowane są
termistory o rezystancji, w temperaturze pokojowej, rzędu kilku kΩ. Ze względu na dużą
rezystancję, charakteryzują się dużą zmianą jej wartości na każdy stopień zmiany
temperatury. W praktyce oznacza to łatwiejszy pomiar większych zmian rezystancji niż ma to
miejsce w przypadku czujników np. PT100. Wadą jest stosunkowo duży rozrzut parametrów.
Termistory charakteryzują się nieliniową funkcją zmian rezystancji od temperatury o
charakterystykach: NTC – ujemny współczynnik, PTC – dodatni współczynnik
temperaturowy oraz CTR – o skokowej zmianie rezystancji, w którym wzrost temperatury
powyżej określonej powoduje gwałtowną zmianę wzrost/spadek rezystancji. Charakterystyki
B
T
termistora, w przybliżeniu, opisują równania: dla NTC: RT = Ae oraz PTC: RT = A1 + Ae BT
6
Najprostszym sposobem „linearyzacji” jest połączenie szeregowe termistora z
dodatkowym rezystorem. Przykładowe charakterystyki przed i po „linearyzacji”
przedstawione są na rysunku:
3.4 Scalony czujnik temperatury LM 35.
Czujnik ten jest precyzyjnym analogowym czujnikiem temperatury, mogącym
pracować w zakresie temperatur od -50 do +125ºC. Sygnałem wyjściowym jest napięcie,
które jest wprost proporcjonalne do temperatury otoczenia ze współczynnikiem 10mV/ ºC.
Szczegóły budowy i parametry układu znajdują się w załączonej karcie katalogowej.
4. Układy pomiarowe
Czujniki rezystancyjne wykonywane są w wersji: 2-, 3- i 4-ro przewodowej.
4.1 Układ 2-przewodowy.
Łączenie czujnika z układem pomiarowym odbywa się z wykorzystaniem dwóch
przewodów. Przy znacznym oddaleniu czujnika od układu pomiarowego rezystancja
przewodów może mieć znaczący wpływ na wynik pomiaru. Przy wykorzystaniu mostka
pomiarowego rezystancje przewodów wraz z rezystancją czujników występują w tej samej
gałęzi. Dodatkowo, przewody wykonane są z miedzi co powoduje zmianę ich rezystancji w
funkcji temperatury. Powoduje to trudności w skompensowaniu mostka. Układ stosowany
przy krótkich przewodach. Najmniej dokładny.
4.2 Układ 3- przewodowy.
Wpływy rezystancji doprowadzeń oraz fluktuacji wraz z temperaturą są znacznie
zredukowane. W takim układzie rezystancja przewodów doprowadzających występuje w 2
gałęziach mostka, co poprawia jego kompensowanie. Dzięki temu, również zmiany
temperaturowe rezystancji przewodów są kompensowane. Ze względu na znaczą rezystancję
wewnętrzną przetwornika pomiarowego, spadek napięcia na RL jest pomijalny. Stosowany
przy znacznych długościach przewodów.
7
4.3 Układ 4- przewodowy.
W układzie tym prąd i jest wymuszany przez stabilne źródło prądowe. Jego wartość
jest stała niezależnie od wartości rezystancji przewodów oraz ich zmian. Do pomiaru napięcia
wykorzystywane są dodatkowe zaciski. Również w tym układzie ze względu na dużą
rezystancję wewnętrzną obwodów pomiarowych spadek napięcia na RL jest pomijalny.
Spadek napięcia określany tą drogą jest praktycznie niezależny od właściwości przewodów
łączących.
Stosowane są również układy z pętlą kompensacyjną. Dzięki temu możliwa jest
kompensacja temperaturowa mostka poprzez uwzględnienie takich samych zmian rezystancji
wynikających ze zmian temperatury w innej gałęzi mostka. Warunkiem jest wykonanie
połączeń takim samym przewodem. Rozwiązanie stosowane sporadycznie.
4.4 Samonagrzewanie
Przez czujnik rezystancyjny włączony w jedną z gałęzi mostka pomiarowego płynie
prąd zależny m.in. od napięcia zasilania mostka. Powoduje on wydzielanie się energii cieplnej
na rezystorze pomiarowym, zwiększając tym samym jego temperaturę. W rezultacie pomiar
jest obarczony błędem związanym z efektem samonagrzewania czujnika. W zależności od
środowiska pracy i zdolności do przekazywania energii z czujnika do otoczenia błąd ten może
wahać się od 0.1°C dla czujnika zanurzonego w cieczy do 1.5°C dla czujnika w nieruchomym
powietrzu. W celu minimalizacji omawianego zjawiska stosuje się pomiary wykonywane
okresowo, a nie ciągle. Ważne jest również ograniczenie do minimum wartości prądu
płynącego przez rezystor pomiarowy (typowo 1mA). Możliwe jest również przeprowadzenie
kalibracji układu i wyznaczenie poprawki.
5. Dynamiczne właściwości czujników temperatury
O właściwościach dynamicznych czujników temperatury w głównej mierze decyduje
budowa i sposób wykonania czujnika. W przypadku czujników PT100 wykonanych w postaci
spirali ułożonej w korpusie porcelanowym stała czasowa będzie znacznie większa niż
czujników, gdzie warstwa rezystancyjna napylona jest na ceramiczne podłoże czy też
nieosłoniętego złącza termopary. Właściwości czujnika można w przybliżeniu opisać za
pomocą transmitancji G(s):
8
G (s) =
A
e − sT 1 gdzie T1, T2 i A można wyznaczyć z odpowiedzi skokowej jak
T 2s + 1
na rysunku:
6. Przebieg ćwiczenia.
6.1. Należy zdjąć charakterystykę czujników temperatury w zakresie od 20°C do 100°C
(minimum 15 pomiarów). W tym celu należy ustawić żądaną temperaturę pokrętłem. Wartość
wskazywana przez regulator temperatury traktowana jest jako wzorzec. Dla czujników
PT100, NTC i PTC należy dokonać pomiaru rezystancji, a dla LM35 i termopary napięcia.
Odczytu dla czujnika LM 35 i termopary dokonać wg schematu:
Wyniki przedstawić w formie tabeli i wykresu.
6.2. Dla wybranych 3 różnych temperatur dokonać pomiaru rezystancji czujnika PT100 przy
pomocy zrównoważonego mostka. Do tego celu wykorzystać należy rezystor dekadowy.
Układ połączyć zgodnie ze schematem:
Wyniki zestawić w tabeli i porównać z pomiarami z punktu 6.1.
6.3. Zrównoważony mostek z punktu 6.2. należy zmodyfikować tak, aby czujnik Pt 100
podłączony był przez przewody o rezystancji RL znajdujące się w temperaturze otoczenia.
9
Czy po przełączeniu układu mostek jest w stanie równowagi? Jeśli nie należy dokonać
wyzerowania. Zasymuluj zmiany temperatury otoczenia poprzez naciśnięcie przycisku ZT.
Określ temperaturę wskazywaną przez mostek porównując aktualną rezystancję z pomiarami
z punktu 6.1. i 6.2. Wykonaj pomiar dla 3 temperatur.
6.4. Należy zmodyfikować układ z punktu 6.3. poprzez zastosowanie czujnika 3przewodowego jak na schemacie w punkcie 4.2. Wykonaj pomiary jak w punkcie 6.3 dla
przewodów w różnej temperaturze (naciśnięcie lub zwolnienie przycisku ZT).
6.5. Ustawić temperaturę zadaną na 100°C. Połączyć układ jak w punkcie 6.2. Zrównoważyć
mostek. W miejsce mV podłączyć oscyloskop. Ostrożnie umieścić czujnik PT100 w zbiorniku
z wodą. Zarejestrować odpowiedź i wyznaczyć parametry jak w punkcie 5.
6.6. Na podstawie pomiarów z punktu 6.1 należy dobrać współczynniki modelu dla czujników
PT100, NTC i PTC zgodnie z opisem podanym w punktach 3.2. i 3.3.
7. Zagadnienia
Parametryczne i generacyjne czujniki temperatury. Właściwości, charakterystyki,
zastosowanie…
Zrównoważony mostek pomiarowy.
Układy pomiarowe 2-, 3- i 4-ro przewodowe.
Problem zimnych końców
8.Literatura
Romer E. Miernictwo przemysłowe, PWN
Syndenham P. Podręcznik metrologii cz.2 WKiŁ
Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne, WNT
Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury WNT
Michalski L., Eckersdorf K., Kucharski J.: Termometria: przyrządy i metody.
Rząsa M., Kiczma B.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury
10