Temat nr 3: Pomiar temperatury termometrami termoelektrycznymi 1

Transkrypt

60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Temat nr 3: Pomiar temperatury termometrami termoelektrycznymi
1.Wiadomości podstawowe
Termometry termoelektryczne – należą do najbardziej rozpowszechnionych
przyrządów, służących do bezpośredniego pomiaru temperatury. Przetwornikami w
nich jest zestaw dwóch różnych przewodników połączonych galwanicznie na jednym
końcu (tzw. spoina pomiarowa o temperaturze t1) i rozwartych na drugim (tzw. wolne
końce o temperaturze t2). Łącznie zestaw ten nazywa się termoparą. Jeżeli pomiędzy
spoiną pomiarową, a wolnymi końcami istnieje różnica temperatur (t1≠t2), to wówczas
na wolnych końcach powstaje siła termoelektryczna ∆E, proporcjonalna do różnicy
temperatur (t1-t2) oraz zależna od rodzaju termopary. Pomiar temperatury przy
wykorzystaniu termopary jest tym samym pomiarem względnym, bowiem ∆E zawiera
informację tylko o ∆t, tzn. o tym o ile temperatura spoiny t1 różni się od temperatury
wolnych końców t1. Dla wyznaczenia bezwzględnej wartości temperatury wymagana
jest znajomość (a więc i niezależny pomiar) temperatury wolnych końców t2 (tzw.
temperatury odniesienia).
Najczęściej stosowane termoelemeny zostały przedstawione w poniższej tabeli.
rodzaj
przeznaczenie
typ S
platynorod-platyna
(PtRh10-Pt)
Wzorcowy, kontrolny do
wyższych temp.
temperatura dopuszczalna [‘C]
długotrwale
chwilowo
1200
1700
typ K
nikiel-chromnikielaluminium
(NiCr-NiAl)
Uniwersalny przemysłowy
1000
1300
typ J
żelazo-konstantan
(Fe-CuNi)
Do średnich temperatur
700
1200
typ T
miedź-konstantan
(Cu-CuNi)
Do niskich temperatur
400
500
-1-
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389
Na termoelektrody stosuje się druty o średnicy od kilkunastu µm do kilku mm
znormalizowanej wg PN-62/M-53855, wpływa to na bezwładność cieplną elektrod,
ale i na ich wytrzymałość w najtrudniejszych warunkach. Wymagania, jakie spełniają
termoelementy to: duża czułość, wysoka temperatura pracy, odporność na wpływy
otoczenia, stabilność i powtarzalność właściwości, niska rezystywność, mała
nieliniowość.
Konstrukcje najprostszych czujników
przemysłowych opierają się o elektrody
termoelementu
(1)
płaszczu
ceramicznych
z
izolacyjnych
umieszczone
(2).
w
rurek
Metalowa
lub
ceramiczna osłona (3) połączona z
korpusem (4) stanowi ochronę przed
mechanicznymi
uszkodzeniami
i
pozwala dzięki dodatkowej rurze (5) i
kołnierzowi (6) na trwałe zamocowanie
elementu w wybranym miejscu obudowy
pieca
bądź
grzejnego.
innego
Do
termoelementu
można
urządzenia
zacisków
poprzez
doprowadzić
dławik
(7)
(8)
przewody
kompensacyjne lub łączeniowe. Dzięki
zastosowanym zabiegom otrzymujemy
ochronę
przed
mechanicznymi
i
chemicznymi działaniami środowiska,
izolację elektryczna, mechaniczną i termiczna zacisków.
Układ pomiaru temperatury (termometr termoelektryczny) składa się z:

czujnika, zawierającego termoelement (termoparę)

układu pomiaru temperatury wolnych końców termoelementu wraz z
ewentualnym układem stabilizacji wartości tej temperatury

miernika
lub
rejestratora
wielkości
termoelektrycznej) lub cieplnej (temperatury)
-2-
elektrycznej
(napięcia,
siły
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389
Temperaturę wolnych końców termoelementu wyznacza się (lub uwzględnia)
poprzez:
pomiar temperatury otoczenia oddzielnym termometrem (np. rtęciowym) i

przyjęciu, iż temperatura wolnych końców jest równa temperaturze otoczenia
umieszczenie wolnych końców termoelementu w termostacie, w którym

temperatura jest stabilizowana i mierzona.

elektroniczną kompensację temperatury zacisków miernika

przystawkę korekcyjną
W układach pomiaru temperatury wykorzystujących termoelementy jako końcowe
mierniki (lub rejestratory) stosuje się:
mierniki wyskalowane w oC :

o z wewnętrzną kompensację temperatury zacisków
o bez wewnętrznej kompensacji temperatury zacisków

mierniki wyskalowane w V:
o kompensatory
o miliwoltomierze o dużej rezystancji wewnętrznej
o miliwoltomierze o małej rezystancji wewnętrznej
Kompensatory mierzą bezprądowo bezpośrednio siłę termoelektryczną E.
Miliwoltomierz o dużej rezystancji wewnętrznej (ponad 10 MΩ) mierzy napięcie
praktycznie równe sile termoelektrycznej U≈E. Miliwoltomierze o małej (rzędu 10-100
Ω) mierzą napięcie na zaciskach miernika U. Wartość siły termoelektrycznej można
wyznaczyć dokonując dwukrotnie pomiaru napięcia: przy bezpośrednio dołączonych
do miernika końcach termoelementu – U1, oraz po dołączeniu do takiego układu,
równolegle do zacisków, rezystancji równej rezystancji wewnętrznej miernika – U2.
Poszukiwaną siłę termoelektryczną można wyznaczyć z zależności:
E=
Znormalizowane
U1 ⋅ U 2
2U 2 − U1
charakterystyki
termometryczne
termoelementów
są
wyznaczane dla różnicy temperatury mierzonej t1=tm i temperatury wolnych końców
(temperatury odniesienia) równej 0oC. W układach pomiarowych warunek t1=tm jest
zawsze spełniony (spoina pomiarowa jest umieszczona w obiekcie, którego
-3-
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389
temperaturę mierzymy) natomiast warunek t2=0oC jest spełniony tylko w układach z
kompensacją temperatury wolnych końców do wartości t2=0oC. Dla wszystkich
innych układów temperatura wolnych końców to temperatura otoczenia (t2=tot) lub
inna stabilizowana nastawiona temperatura np. w termostacie (t2=tn)). Tym samym,
dla układów, w których t2=0oC, mierzona lub obliczona wartość siły termoelektrycznej
Em jest równa wartości E odpowiadającej różnicy temperatur ∆t=(t1-0)oC i może być
bezpośrednio (przy wykorzystaniu charakterystyki termometrycznej) zamieniana na
temperaturę.
Natomiast dla układów, w których t2≠0oC, mierzona lub obliczona wartość siły
termoelektrycznej Em odpowiada tylko różnicy temperatur (t1-t2) i powinna być
jeszcze uzupełniona o wartość siły termoelektrycznej Epop odpowiadającej różnicy
temperatur (t2-0). Wartość Epop można odczytać bezpośrednio z charakterystyki
termometrycznej termoelementu. Wówczas ∆t=(t1-t2)+(t2-0)=(t1-0)oC, a E= Em+ Epop.
Powyższe odnosi się do wszystkich układów, w których zastosowano miernik
dowolnego typu wyskalowany w miliwoltach.
Przy zastosowaniu mierników wyskalowanych bezpośrednio w stopniach
Celsjusza i nie posiadających samoczynnej korekcji temperatury wolnych końców
należy przed rozpoczęciem pomiarów dokonać kalibracji miernika. Polega ona bądź
na zapisie w pamięci miernika wartości obowiązującej w danym układzie temperatury
wolnych końców, bądź (w przypadku nastaw mechanicznych) na sprowadzeniu
wskazań miernika dla E=0mV do wartości t1=t2.
2. Przebieg ćwiczenia
Zadanie:
Zmierzyć
temperaturę
pieca
za
pomocą
termoelemetu
termoelektrycznego NiCr-Ni, współpracującego w różnych układach pomiarowych z
różnymi miernikami.
2.1. Połączyć układ regulacji temperatury pieca według przedstawionego
poniżej schematu. Nastawić napięcie zasilania U≈40V i temperaturę nastawy tn
podaną przez prowadzącego.
-4-
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389
1
2
Pt 100
Rys. 1 Schemat układu regulacji temperatury pieca
1 – piec 2 – wolne końce termelementu (A,B) 3 – regulator temperatury 4 – spoina
termoelementu
2.2. Montować kolejne układy wg. poniższego ogólnego schematu i mierzyć
temperaturę pieca. Wykorzystać każdy z 5 omówionych rodzajów mierników, w
połączeniu z każdym z możliwych do zastosowania układów pomiaru temperatury
wolnych końców termoelementu.
A
Układ pomiaru i ew. C
stabilizacji temperatury
B
D
wolnych końców
E
Miernik lub
rejestrator
F
Rys. 2 Schemat ogólny układu pomiarowego
2.3. Wyniki zestawić w tabeli. Przeprowadzić analizę różnic w uzyskanych
wartościach temperatury.
L.p.
miernik
układ pomiaru temperatury
wolnych końców
Em
mV
t2
C
o
Epop
mV
E
mV
t1=tm
o
C
3. Literatura
1. Hauser J., Domke K. : Laboratorium elektrotermii, Wyd. PP, skrypt nr 1108
2. Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury, WNT, Warszawa, 1986
3. Rząsa M., Kiczma B.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury, WKiŁ, Warszawa,
2005
-5-