Ćw. 3 Wzorcowanie przetworników temperatury

Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych W9/K2
Miernictwo Energetyczne – laboratorium
Wzorcowaniemierników
temperatur
Błędypomiarutemperatury
Instrukcjadoćwiczenianr3
Opracował:drinż.WiesławWędrychowicz
Wrocław, październik 2015 r.
Wstęp
p teoretyczzny
P
Pomiar tem
mperatury termoparaami wymag
ga zastosowania przeetwornika napięcia
wytwarzzanego przzez ogniwo termoelekttryczne na wskazanie temperaturry. Ze wzg
ględu na
własnośści termopar a szczzególnie niieliniowej zależności siły elekt
ktromotoryczznej od
temperaatury (rys.11) oraz jejj zależnoścci od tem
mperatury zimnych koońców do zadania
przetwoornika należży uwzględ
dnienie tycch zależnośści i wskazzanie popraawnej temp
peratury.
Schemaat podłączennia termoparry do przetw
wornika przzedstawiono
o na rysunkuu 2
W celu spraawdzenia po
oprawności wskazań przetwornikaa stosuje sięę wzorcowaanie przy
wykorzyystaniu kaliibratora zasttępującego termoparę.
Wzorcoowanie przyyrządu w piierwszym kkroku ustalaa zależność pomiędzy oodwzorowy
ywanymi
przez w
wzorzec pom
miarowy wartościami
w
wielkości wraz z ich
h niepewnoościami pom
miaru, a
odpowiaadającymi im wskazzaniami wrraz z ich niepewnościami, a w drugim
m kroku
wykorzyystuje tę innformację do
o ustalenia zależności pozwalająccej uzyskaćć wynik pom
miaru na
podstaw
wie wskazaania. Celeem wzorcoowania jesst określen
nie kondyccji metrologicznej
wzorcow
wanego przzyrządu, okrreślającej jeego przydattność do wy
ykonywaniaa pomiarów
w, w tym
równieżż przekazyw
wania jednostki miary, lub poświaadczenie, że wzorcowanny przyrząd
d spełnia
określonne wymagaania metrologiczne przzy czym wynik
w
wzorccowania pooświadczany
y jest w
świadecctwie wzorccowania. Po
odczas wzorrcowania musi
m być zacchowana sppójność pom
miarowa,
czyli nieeprzerwanyy ciąg odniesień do wzoorca krajow
wego lub mięędzynarodoowego.
K
Kalibrator jest sym
mulatorem napięć termodynaamicznych z zako
odowaną
charakteerystyką daanego typu termopary
t
llub kilku ty
ypów. Nastaawiając wzoorcową tem
mperaturę
w kalibrratorze uzyyskuje się naa jego zacisskach napięęcie odpowiiadające nappięciu term
mopary w
tej tempperaturze. Kalibrator
K
wyposażony
w
y jest w ukłaad stałej tem
mperatury oodniesienia 0°C i w
układ auutomatycznnej kompenssacji temperratury zacisk
ków w zakrresie 0-60°C
C.
Ryss. 1 Charakteryystyki różnych
h typów termo
opar.
Typowyy sposób poodłączenia teermopary ddo przetworn
nika
Przzetwornik
tm
°C
S
Rys. 2 Układ podłącczenia termop
pary do przetw
wornika.
2
Polittechnika Wrocław
wska, Wydział Meechaniczno-Energgetyczny, Katedrra Termodynamik
ki, Teorii Maszynn i Urządzeń Ciep
plnych
Z
Zasada działania kalib
bratora pollega na wy
ytwarzaniu napięć term
moelektryczznych w
układziee złożonym
m z precyzyjjnego wielooobrotoweg
go potencjom
metru i wzm
macniacza. Wyjście
wzmacnniacza połączone jest z zaciskam
mi wyjściow
wymi kalibratora, do kktórych przy
yłączany
jest sprrawdzany termoelektry
t
yczny mierrnik tempeeratury. Naapięcie wyjjściowe kaalibratora
mierzonne jest za pomocą wewnętrzneg
w
go cyfrowego mierniika temperratury złożo
onego z
przetwoornika nappięcie-kod i wyświettlacza. Nieliniowa charakteryst
c
tyka przettwornika
napięciee-kod zależnna jest od ty
ypu termoellementu S, J lub K.
Przetw
wornik
Kalibratorr
°C
°C
Rys. 3 Układ podłącczenia kalibrattora do przetw
wornika.
W przypadkku pracy z automatyczzną kompen
nsacją temperatury doddatkowo do jednego
z zaciskków sprawddzanego miiernika jest dołączona końcówka sondy kaliibratora (sp
przężenie
termicznne. Tempeeratura zacisku spraw
wdzanego miernika
m
jeest przetwaarzana w napięcie
sumowaane z napięcciem wyjściowym kaliibratora. Wy
ynik sumow
wania jest prrzetwarzany
y na kod
i wyśw
wietlany naa wyświetlaaczu. Przettwornik t0--napięcie, układ
u
sumu
mujący, przeetwornik
napięciee-kod i wyśświetlacz tw
worzą wewnnętrzny cyfrrowy mierniik temperatu
tury z autom
matyczną
kompennsacją.
Kalibra
acja
Kalibraccję czujnikków temperratury wykkonuje się wówczas, gdy na poodstawie no
orm lub
wymogóów prawnycch konieczn
ne jest zapew
wnienie zgo
odności z prrzepisami m
międzynarod
dowymi.
Normy jakościowee i normy bezpieczeńństwa zgodn
ne z DIN EN ISO 99000 wymagają, by
wszystkkie środki miernicze
m
i kontrolnee koniecznee dla zapew
wnienia oddpowiedniej jakości
poddaw
wane były kalibracji
k
pod
p
kątem spełnieniaa norm kraajowych i m
międzynaro
odowych
opartychh na jednoostkach SI. Ponadto, kkalibracja może
m
być konieczna w sytuacjaach, gdy
wymagaane jest zappewnienie mniejszej
m
ttolerancji (w
większej do
okładności ppomiarowejj) niż ta
wymagaana na moocy normy DIN EN 660751, lub też w cellu kontroli długotermiinowego
działaniia czujnika temperatury
t
y.
Kalibraccja oznaczaa, że konieczne jest uustalenie po
oziomu odch
hyleń pomiiarowych na
n całym
czujnikuu temperatuury lub łańccuchu pomi arowym (czzujnik i przzetwornik). W czasie kalibracji
k
nie dokonuje się żaadnej zmian
ny badaneggo materiału
u. W urządzzeniach pom
miarowych w czasie
dokonyw
wania pom
miaru ustalana jest róóżnica pom
między tem
mperaturą w
wskazywan
ną przez
urządzeenie pomiarowe a warttością refereencyjną. Niie dokonujee się żadnycch zmian w samym
urządzeeniu pomiaroowym, np. przestawien
p
nie punktu uznawanego
u
o za punkt zzerowy.
Kalibraccja czujnikóów temperaatury odbyw
wa się na dw
wa sposoby: kalibracja w stałych punktach
p
pomiaroowych oraz kalibracja według
w
mettody porówn
nawczej.
Kalibraacja w stałyych punkta
ach pomiarrowych
Kalibraccja w stałycch punktach
h pomiarow
wych stosow
wana jest przzede wszysttkim w norm
malnych
termom
metrach oporrowych typ
pu Pt zgodnnych z ITS 90 (Międzzynarodowaa skala tem
mperatury
z 1990 rr.).
Stałe puunkty pom
miarowe to punkty fazzowe najczzystszych su
ubstancji (ppunkt krystalizacji,
topnieniia i punkt potrójny).
3
Polittechnika Wrocław
wska, Wydział Meechaniczno-Energgetyczny, Katedrra Termodynamik
ki, Teorii Maszynn i Urządzeń Ciep
plnych
Pomiar temperatury w stałych punktach pomiarowych odbywa się w cieczy lub w pionowym
piecu wielostrefowym. Temperatura w stałych punktach pomiarowych może być mierzona
z wykorzystaniem otwartego lub zamkniętego zbiornika szklanego, zawierającego
odpowiedni materiał (wodę lub metal) w najczystszej formie >99,9999%.
Kalibracja w stałych punktach pomiarowych odbywa się w temperaturach od 0,01°C (punkt
potrójny wody) a 921°C z dokładnością od 0,5mK do 5mK. Kalibracja w stałych punktach
pomiarowych wiąże się z dużymi nakładami czasowymi i sprzętowymi, dlatego też tego
rodzaju kalibrację przeprowadza się w państwowych punktach referencyjnych i kilku
laboratoriach kalibracyjnych DKD .
Kalibracja według metody porównawczej
Większość czujników temperatury stosowanych w przemyśle poddawana jest kalibracji
według metody porównawczej.
W porównaniu z kalibracją w stałych punktach pomiarowych, kalibracja według metody
porównawczej jest znacznie prostsza w realizacji.
W czasie kalibracji badane materiały umieszczane są w cieczy lub w piecu kontrolnym wraz
z jednym lub dwoma zwykłymi termometrami.
Ciecze wykorzystywane do kalibracji obejmują następujące substancje:
etanol (od -100°C do 0°C), woda (0°C do 99°C), olej silikonowy (50°C do 250°C),
mieszaniny soli (180°C do 630°C), cyna (250°C do 630°C).
Pomiary porównawcze w piecu kontrolnym można wykonywać do temperatury
1600°C. Badane materiały oraz termometry referencyjne umieszczane są w strefie o jednolitej
i stałej temperaturze. Badane materiały umieszczane są w instalacji kontrolnej w taki sposób,
aby wyeliminować jakąkolwiek możliwość błędu wynikającego z rozproszenia ciepła. Przed
dokonaniem kalibracji, badane materiały badane są pod kątem funkcjonalnym i izolacyjnym
zgodnie z normą DIN EN 60751. Referencyjnymi urządzeniami pomiarowymi są termometry
oporowe typu Pt lub termopary, które zostały skalibrowane w państwowym punkcie
kontrolnym lub w laboratorium DKD. Po stabilizacji cieczy lub pieca kontrolnego badane
materiały poddawane są pomiarowi z porównaniem z termometrami referencyjnymi. Wyniki
kalibracji potwierdzane są odpowiednim certyfikatem kalibracji.
Stanowisko pomiarowe
Stanowisko pomiarowe przedstawiono na rysunku 4.
3
2
1
Rys. 4. Stanowisko pomiarowe
W skład stanowiska pomiarowego wchodzą następujące elementy i urządzenia:
4
Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych
1. Kalibrator symulujący termopary typu S, J i K
2. Puszka przełącznikowa
3. Wzorcowane przetworniki temperatury
Przebieg ćwiczenia
1. Sprawdzić typ przetworników (dla jakiego typu termopary są przeznaczone). Sprawdzić
poprawność podłączeń szczególnie biegunowość oznaczoną kolorami czerwonym i czarnym.
2. Ustawić przełącznik na puszcze przełącznikowej (2) w pozycję A,
3. Ustawić na kalibratorze wciśnięte przyciski:
Cal – tryb kalibracji,
t0 – tryb automatycznej kompensacji temperatury zacisków,
S, J lub K – odpowiedni typ symulowanej termopary
4. Włączyć kalibrator (1) i nastawić temperaturę wzorcową 100°C.
5. Na przetworniku A (3) po ustaleniu się wskazania odczytać temperaturę.
6. Nastawiać kalibrator na kolejne temperatury zwiększając co 50°C aż do ostatniego pomiaru
z zakresu przetwornika.
7. Nastawić temperaturę wzorcową 100°C.
8. Wyłączyć kalibrator.
9. Ustawić przełącznik na puszcze przełącznikowej (2) w pozycję B,
10. Włączyć kalibrator (1)
11. Na przetworniku B (3) po ustaleniu się wskazania odczytać temperaturę.
12. Nastawiać kalibrator na kolejne temperatury zwiększając co 50°C aż do ostatniego
pomiaru z zakresu przetwornika.
13. Nastawić temperaturę wzorcową 100°C.
14. Wyłączyć kalibrator.
15. Podłączyć drugą parę przetworników temperatury do puszki przełącznikowej (zwrócić
uwagę na biegunowość oznaczoną kolorami)
16. Powtórzyć czynności z p. od 3 do 14.
Sprawozdanie:
Sporządzić wykres błędu pomiaru temperatury w funkcji temperatury dla każdego
przetwornika.
Wnioski
5
Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych
Ćwiczenie nr 3.
Miernictwo Energetyczne
Protokół pomiarowy z dnia ………
Temperatura otoczenia: ……°C,
termopara: typ …………..
twz
tA
tB
°C
°C
°C
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
Wykonawcy:
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
6. ............................................................
termopara: typ …………..
tA
tB
°C
°C
Uwagi: