doct - Wydział Elektrotechniki i Informatyki
download 
Reklamacja Transkrypt
t - Wydział Elektrotechniki i Informatyki
POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH Dr inż. Eligiusz PAWŁOWSKI Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki Prezentacja do wykładu dla EMNS Semestr zimowy studia niestacjonarne Wykład nr 5 Prawo autorskie Niniejsze materiały podlegają ochronie zgodnie z Ustawą o prawie autorskim i prawach pokrewnych (Dz.U. 1994 nr 24 poz. 83 z późniejszymi zmianami). Materiał te udostępniam do celów dydaktycznych jako materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu Pomiary Wielkości Nieelektrycznych prowadzonego dla studentów Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej. Mogą z nich również korzystać inne osoby zainteresowane tą tematyką. Do tego celu materiały te można bez ograniczeń przeglądać, drukować i kopiować wyłącznie w całości. Wykorzystywanie tych materiałów bez zgody autora w inny sposób i do innych celów niż te, do których zostały udostępnione, jest zabronione. W szczególności niedopuszczalne jest: usuwanie nazwiska autora, edytowanie treści, kopiowanie fragmentów i wykorzystywanie w całości lub w części do własnych publikacji. Eligiusz Pawłowski PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 2 Uwagi dydaktyczne Niniejsza prezentacja stanowi tylko i wyłącznie materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu Pomiary Wielkości Nieelektrycznych prowadzonego dla studentów Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej. Udostępnienie studentom tej prezentacji nie zwalnia ich z konieczności sporządzania własnych notatek z wykładów ani też nie zastępuje samodzielnego studiowania obowiązujących podręczników. Tym samym zawartość niniejszej prezentacji w szczególności nie może być traktowana jako zakres materiału obowiązujący na kolokwium zaliczeniowym. Na kolokwium obowiązujący jest zakres materiału faktycznie wyłożony podczas wykładu oraz zawarty w odpowiadających mu fragmentach podręczników podanych w wykazie literatury do wykładu. Eligiusz Pawłowski PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 3 Tematyka wykładu Międzynarodowa skala temperatur MST-90 Czujniki temperatury (generacyjne i parametryczne) Czujniki termoelektryczne i ich układy pracy Czujniki termorezystancyjne i ich układy pracy Półprzewodnikowe czujniki temperatury PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 4 Skale temperatury 1724- Skala Fahrenheita oparta o temperaturę mieszaniny lodu, wody i chlorku amonu (0oF), temperaturę mieszaniny lodu i wody (32oF) i temperaturę ciała ludzkiego (96oF) 1742- Skala Celsjusza oparta o punkt topniejącego lodu (100oC) i punkt wrzenia wody (0oC) 1850- Skala Celsjusza zmodyfikowana przez Strőmera: punkt topniejącego lodu (0oC) i punkt wrzenia wody (100oC), punkt potrójny wody ma temperaturę 0,01oC 1854- Skala Kelvina oparta o temperaturę zera bezwzględnego, w której zanika ruch cząsteczek i punkt potrójny wody (273,16 K) PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 5 Przeliczanie skal temperatury Przeliczanie skali Celsjusza na skalę Fahrenheita: 9 t F = 32 + tC °F 5 Przeliczanie skali Fahrenheita na skalę Celsjusza: 5 tC = ( t F − 32 ) °C 9 20°C = 68°F 10°C = 50°F 0°C = 32°F −10°C = 14°F −20°C = − 4°F Przeliczanie skali Celsjusza na skalę Kelvina: TK = tC + 273,15 K PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 6 Termometr Fahrenheita w Gdańsku PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 7 Międzynarodowa Skala Temperatur MST-90 PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 8 Czujniki do pomiaru temperatury 1.Czujniki termoelektryczne, termopary (Thermocouples) 2.Czujniki termorezystancyjne (RTD Resistance Temperature Detectors) 3.Czujniki półprzewodnikowe termistorowe 4.Czujniki półprzewodnikowe złączowe PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 9 Czujniki generacyjne i parametryczne - przypomnienie Czujnik generacyjny (aktywny) pobiera z obiektu energię procesu związanego z wielkością mierzoną X i generuje elektryczny sygnał wyjściowy Y bez potrzeby dodatkowego zasilania. PWN EMNS wykład 5 Czujnik parametryczny (pasywny) pod wpływem wielkości mierzonej X zmienia swój określony parametr elektryczny P, wyjściowy sygnał elektryczny Y jest generowany układzie pomiarowym czujnika dzięki energii pobranej ze źródła energii zasilającej. dr inż. Eligiusz Pawłowski 10 Termopary – efekt Seebeka Złącze pomiarowe Zasada pomiaru temperatury za pomocą termopary Problem pomiaru za pomocą termopary polega na tym, ze siła termoelektryczna eAB powstaje nie tylko na złączu pomiarowym, ale również na każdym innym złączu dwóch metali w całym układzie pomiarowym. PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 11 Termopary – podstawowe właściwości Najważniejsze parametry termopar: - czułość S w µV/oC - zakres temperatur pracy - błędy - skład chemiczny, znakowanie PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 12 AWG - American Wire Gauge (Brown & Sharpe wire gauge) - przewód z numerem AWG większym o 6 ma około dwa razy mniejszą średnicę, a więc 4 razy mniejszy przekrój (np. 6 AWG jest 2 razy grubszy niż 12 AWG); - przewód z numerem AWG większym o 3 ma około dwa razy mniejszy przekrój, czyli może przewodzić 2 razy mniejszy prąd (czyli np. przewód 15 AWG można zastąpić dwoma przewodami 18 AWG połączonymi równolegle); - przewód z numerem AWG większym o 10 ma około 10 razy mniejszy przekrój. PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 13 Charakterystyki przetwarzania termopar Największe napięcia Najtańsze, najpopularniejsze Najlepsza liniowość Najwyższe temperatury Wniosek: nie ma jednego, najlepszego rozwiązania! PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 14 Nieliniowości termopar Największa czułość Najlepsza liniowość Najwyższe temperatury, najmniejsze czułości PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 15 Termopara – problem temperatury wolnych końców Dołączenie woltomierza tworzy dodatkowe dwa złącza (dla Cu-Const) Wynik pomiaru jest zależny od różnicy temperatur złącz J1 i J2 !!! PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 16 Rozwiązanie problemu temperatury wolnych końców Umieszczenie wolnych końców w mieszaninie lodu z wodą (Ice Batch) Dla innej termopary (Fe-Const.) powstają kolejne dwa złącza PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 17 Zastosowanie bloku isotermicznego Umieszczenie dodatkowych złącz J3, J4 w bloku isotermicznym Eliminacja mieszaniny wody z lodem PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 18 Zastosowanie prawa trzeciego metalu Prawo trzeciego metalu albo stabilizujemy tref albo mierzymy tref Ostateczny układ pomiarowy termopary z blokiem isotermicznym PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 19 Kompensacja temperatury wolnych końców termopary Puszka kompensacyjna Zasada kompensacji mostkiem niezrównoważonym i układem elektronicznym PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 20 Problem temperatury wolnych końców - podsumowanie Rozwiązywanie problemu temperatury wolnych końców: -Umieszczenie w mieszaninie wody z lodem (0oC), -Umieszczenie w termostacie i stabilnej znanej temperaturze i odjęcie stałej wartości od wyniku pomiaru, -j.w. modyfikacja: zakopanie w ziemi poniżej granicy zamarzania, -Umieszczenie w temperaturze otoczenia, pomiar temperatury otoczenia i odjęcie od wyniku pomiaru, -Zastosowanie kompensacji temperatury wolnych końców (puszki kompensacyjnej lub podobnego rozwiązania) PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 21 Przewody kompensacyjne PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 22 Praktyczne parametry termopar – zakres pracy PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 23 Praktyczne parametry termopar – błędy Dla niskich temperatur błąd w stopniach oC Dla wysokich temperatur błąd w procentach % Przerwa po pierwszej godzinie wykładu !!! PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 24 Praktyczne parametry termopar – szybkość odpowiedzi Pr aw PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski ie 50 00 ra zy w ięk sz a 25 Parametry termopar - podsumowanie -zakres temperatur pracy od –100oC do +1800oC, specjalne wykonania do +2320oC -błędy pomiaru temperatury od 0,25% do 0,75% w zakresie temperatur ok. 300oC ... 1700oC oraz do 2,5oC w zakresie temperatur od –40oC do +300oC -czas odpowiedzi T0,9 w zakresie od 0,06s (uziemiona spoina, w wodzie 0,2m/s) do 290s (spoina izolowana, w powietrzu 2m/s) Sygnał wyjściowy maksymalnie do ok. 75mV (termopara typu E chromel-konstantan w temperaturze 1000oC) PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 26 Zakłócenia w układzie pomiarowym termopary Przykład -Powstawanie zakłóceń podczas pracy pieca łukowego PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 27 Czujniki termorezystancyjne - przykładowe konstrukcje Rozwiązania konstrukcyjne czujnika Pt100 PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 28 Czujniki Pt100 - przykładowe konstrukcje drutowe ceramiczne cienkowarstwowe drutowe szklane PWN EMNS wykład 5 W plastikowej obudowie dr inż. Eligiusz Pawłowski cienkowarstwowe 29 Czujnik Pt100 w wykonaniu przemysłowym Wkład czujnika Pt100 w wykonaniu przemysłowym Obudowa w wykonaniu przemysłowym PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 30 Metale stosowane w czujnikach termorezystancyjnych Platyna jest najlepsza, ale bardzo droga! Nikiel ma dużą czułość, ale jest silnie nieliniowy Miedź jest tania, ale ma słabe parametry PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 31 Charakterystyka czujnika platynowego Pt100 PN-EN 60751+A2 PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 32 Charakterystyka czujnika platynowego Pt100 Linia prosta o nachyleniu 38,5Ω Ω/100oC Wielomian drugiego stopnia (parabola) PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 33 Charakterystyka czujnika platynowego Pt100 PN-EN 60751+A2 ∆t = 0,15°C + 0,2% ⋅ t PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 34 Problem pomiarowy - rezystancja przewodów R=2,5Ω Ω R=2,5Ω Ω Pętla 100m (2x100mb) przewodu Cu 1mm ma rezystancję ok. 5Ω Ω PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 35 Problem pomiarowy - rezystancja przewodów R=2,5Ω Ω R=2,5Ω Ω 200m przewodu (Cu 1mm) ma rezystancję ok. 5Ω Ω Czułość czujnika Pt100: R100 − R0 138,5 Ω − 100 Ω Ω Ω S= = = 0,385 ≈ 0,4 100°C 100°C °C °C Błąd od rezystancji przewodów 2 x 100mb (∆R=4,56Ω): ∆R 4,56 Ω ∆t = = = 11,8°C Ω S 0,385 °C PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski !!! 36 Układy pracy czujnika termorezystancyjnego Tylko przy krótkich grubych przewodach Układ czteroprzewodowy PWN EMNS wykład 5 Układy dr inż. Eligiusz Pawłowski mostkowe 2 i 3 przewodowe 37 Układ pracy czujnika termorezystancyjnego 3-przewodowy Dwa źródła prądowe połączenie 3 przewodowe Kompensacja wpływu rezystancji linii RL w układzie 3-przewdowym PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 38 Parametry Pt100 - podsumowanie -zakres temperatur pracy od –200oC do +850oC -błędy pomiaru temperatury 0,15oC +0,2% dla klasy A czujników -czas odpowiedzi podobne jak dla termopary (takie same obudowy) Sygnał wyjściowy ok. 0,385 Ω/ oC w zakresie od 0oC do 100oC, charakterystyka nieliniowa aproksymowana wielomianem trzeciego (dla t < 0oC) lub drugiego (dla t > 0oC) rzędu PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 39 Czujnik termistorowy NTC - charakterystyka RT = R0 e B T −T0 Rezystancja początkowa termistorów podawana jest typowo dla 25oC Charakterystyka NTC – duża czułość, silna nieliniowość PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 40 Czujniki termistorowe NTC muRata Rezystancja początkowa dla 25oC http://www.murata.com/products/catalog/pdf/r44e.pdf PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 41 Parametry czujników termistorowych NTC muRata Rezystancja początkowa dla 25oC PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 42 Czujniki półprzewodnikowe jedno- i dwu- złączowe Układy pracy czujników jedno- i dwu- złączowych PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 43 Czujniki półprzewodnikowe złączowe analogowe Układy pracy czujników złączowych PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 44 Czujnik półprzewodnikowe złączowy LM75 cyfrowy Schemat blokowy scalonego czujnika złączowego LM75 PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 45 Podsumowanie PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 46 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ PWN EMNS wykład 5 dr inż. Eligiusz Pawłowski 47
