Badanie właściwości dynamicznych czujników temperatury, Ćwiczenia z Metrologia

Pobierz Badanie właściwości dynamicznych czujników temperatury i więcej Ćwiczenia w PDF z Metrologia tylko na Docsity! ĆWICZENIE 5b BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH CZUJNIKÓW TEMPERATURY 1 ĆWICZENIE 5b BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH CZUJNIKÓW TEMPERATURY 6.1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z najczęściej stosowanymi w praktyce czujnikami temperatury, ich zasadami działania i właściwościami oraz me- todą wyznaczania właściwości dynamicznych przetworników temperatury. 6.2. Wprowadzenie Temperatura jest wielkością najczęściej mierzoną, szczególnie w przemyśle. Istnieje wiele różnych metod pomiaru temperatury i wiele przyrządów o różnych za- sadach działania. W zależności od zakresu mierzonej temperatury, wymaganej do- kładności, rodzaju obiektu badanego stosuje się odpowiednie metody i przyrządy. Poniżej opisane będą zasady działania najczęściej stosowanych czujników termo- metrycznych, ich właściwości oraz metody badania charakterystyk dynamicznych przetworników temperatury. 6.2.1. Zasada działania i właściwości czujników termoelektrycznych (termopar). W obwodzie elektrycznym składającym się z co najmniej dwóch różnych mate- riałów, różnica temperatur spoin powoduje powstanie siły termoelektrycznej a w kon- sekwencji przepływ prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie złożonym z dwóch metali. Warunkiem przepływu tego prądu jest umieszczenie miejsc styków w różnych temperaturach. Ciepło dostarczone do obwodu powoduje zwiększenie „ciśnienia” elektronów w podgrzewanym miejscu a zmniejszenie go w drugim. Różnica ciśnień wymusza migracje elektronów w kierunku mniejszego zagęszczenia ich. Wykorzystanie dwóch metali oznaczonych przez A i B (rys.1) do pomiaru temperatu- ry jest możliwe tylko wówczas, gdy w taki obwód włączony zostanie miernik mierzący powstającą siłę termoelektryczną lub proporcjonalne do niej napięcie. Przykładem powszechnie stosowa- nego miernika w tego typu układach jest miliwoltomierz. Zastosowanie miernika wiąże się z wprowadze- niem do obwodu trzeciego metalu C, z którego wykonane są przewody łączące miernik z obwodem oraz obwód wewnętrzny miernika. Siła termoelektryczna powstająca w ob- wodzie wyraża się zależnością )()()( 001 teteteE CABCAB ++= Przyjmując założenie, że temperatury pomiarowa t1 i odniesienia t0 są równe, to E=0, wówczas )()()(0 000 tetete CABCAB ++= lub )()()( 000 tetete ABCABC −=+ Rys.1. Wykorzystanie termopary do pomiaru temperatury ĆWICZENIE 5b BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH CZUJNIKÓW TEMPERATURY 2 Stąd związek między temperaturami t1 i to oraz wyjściowym sygnałem napięciowym E jest następujący: )()( 01 teteE ABAB −= Z powyższej analizy wynika, że wprowa- dzenie w obwód A i B trzeciego metalu C nie wpływa na wartość wypadkowej siły termoelektrycznej pod warunkiem, że oba końce przewodu z metalu C znajdują się w tej samej temperaturze t0. Stosowanie funkcji ),( 10 ttfE = o dwóch zmiennych jest w praktyce kłopotliwe, dlatego też przyjmuje się temperaturę odniesienia (zimnych końców) za stałą. Wartość siły termoelektrycznej E zależy od tego jak daleko od siebie w szeregu termoelek- trycznym znajdują się materiały, z których wykonano termoparę. Materiały stosowane w termoelementach powinny charaktery- zować się: wysoką temperaturą topnienia, wysoką dopuszczalną temperaturą pracy ciągłej, dużą odpornością na wpływy atmosferyczne, stałość własności w czasie, du- żą powtarzalnością własności przy produkcji, możliwie małą rezystywnością, możli- wie małym współczynnikiem cieplnym zmiany rezystancji, ciągłą i liniową zależnością siły termoelektrycznej od temperatu- ry. Wybór materiałów stosowanych do budowy czujników termoelektrycz- nych jest wynikiem kompromisu pomiędzy wyżej wymienionymi wy- maganiami. Powstała w ten sposób szeroka gama dostępnych termo- par. Niektóre typy termopar są znormalizowane (PN-59/M.-53854). Charakterystyki termometryczne najczęściej stosowanych termoele- mentów przedstawiono na rysunku. Analizując przedstawione charakte- rystyki można zauważyć, iż prze- dział temperaturowy pracy danego termoelementu zależy od rodzaju zastosowanych materiałów. Stoso- wanie różnych materiałów zmienia liniowość termoelementów w pewnych przedziałach temperatur oraz poziom sygnału wyjściowego E. W technologii wykonania ter- moelementów nie bez znaczenia jest sposób wykonania spoiny pomiarowej. Przykład wykonania połączeń termoelektrod przedsta- wia rysunek .Spoiny wykonywane są poprzez spawanie, lutowanie, zgrzewanie lub Typ termopary Oznaczenie Zakres [0C] Chromel - Konstantan E -200 ... 800 Chromel - Alumel K 0 ... 1300 Platyna – Platynorod (13%Rh) R 0 ... 1300 Platyna – Platynorod (10%Rh) S 0 ... 1300 Miedź - Konstantan T -200 ... 500 Żelazo - Konstantan J -40 ... 1000 Rys.2. Przykładowe wykonania spoin pomiarowych termopar Rys.3. Charakterystyki wybranych termopar ĆWICZENIE 5b BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH CZUJNIKÓW TEMPERATURY 5 We współczesnych przetwornikach temperatury czujniki rezystancyjne umieszczone są są zazwyczaj w jednym ramieniu niezrównoważonego mostka Whe- atstone’a. Napięcie wyjściowe mostka, proporcjonalne do zmiany rezystancji (a więc proporcjonalne do zmiany temperatury) przetwarzane jest w układzie przedstawio- nym poniżej. 6.2.3. Właściwości dynamiczne czujników temperatury. Jednym z ważniejszych problemów przy pomiarze temperatury jest duża bez- władność cieplna czujników. Typowe czujniki rezystancyjne i termopary mają długie czasy reakcji na zmiany temperatury. Zjawisko to można wyjaśnić, dla czujnika ide- alnego, w sposób następujący. Czujnik o temperaturze otoczenia t0 zanurzony został w ośrodku o temperaturze tx wyższej od temperatury otoczenia. W chwili zanurzania czujnika do ośrodka badane- go, tj. w chwili 0=τ czujnik ma temperaturę tcz, równą temperaturze otoczenia 0 dla 0 == τttcz Jeśli przez ϑ oznaczymy różnice temperatur w stosunku do temperatury otoczenia, to w chwili 0=τ , temperatura czujnika wynosi 00 =−= ttczczϑ , a temperatura ośrod- ka badanego 0tt xx −=ϑ . Zgodnie z prawem Newtona, po umieszczeniu czujnika w ośrodku badanym, w czasie τd dopływa do niego ilość ciepła τϑϑα dFdQ czx )( −= gdzie: α -współczynnik przejmowania ciepła między czujnikiem a ośrodkiem, F – powierzchnia wymiany ciepła między czujnikiem a ośrodkiem. Ilość ciepła zgromadzonego przez czujnik wynosi czmcddQ ϑ= gdzie m – masa czujnika c – ciepło właściwe materiału czujnika Jeśli wymiana ciepła odbywa się bez strat, to ilość ciepła dopływającego do czujnika jest równa ilości ciepła zgromadzonego w czujniku, a więc czczx mcddF ϑτϑϑα =− )( lub po uporządkowaniu xcz cz d d F mc ϑϑ τ ϑ α =+⋅ Oznaczając sF mc τ α = otrzymuje się Czujnik rezystancyjny Interfejs cyfrowy 4 ... 20 mA przetwornik analogowo- cyfrowy mikroprocesor Rys.6. Uproszczony schemat blokowy przetwornika temperatury z termorezystorem. Mostek Wheatstonea ĆWICZENIE 5b BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH CZUJNIKÓW TEMPERATURY 6 sczx cz xcz cz s dd d d τ τ ϑϑ ϑϑϑ τ ϑτ = − =+ lub Wielkość sτ nazywa się stałą czasową czujnika i ma wymiar czasu. Całkując obustronnie ostatnie równanie otrzymuje się zależność )1( sexcz τ τ ϑϑ −= przedstawioną graficznie na rysunku, zwaną charakterystyką dynamiczną czujnika. Można z niej wyznaczyć stałą czasową jako podstyczną do charakterystyki w dowol- nym jej punkcie. Stałą czasową można też wyznaczyć na podstawie pomiaru tzw. czasu wartości po- łowicznej 5.0τ , tj. czasu, po którym czujnik uzyskuje połowę wartości temperatury ośrodka badanego. Wówczas 693.02ln 5.05.0 τττ ==s Należy zwrócić uwagę, że powyższe analizy mają charakter przybliżony ponieważ rozpatrywany jest czujnik idealny bez osłony. Dla rzeczywistego czujnika należy uwzględnić zależność współczynnika α od temperatury środowiska badanego, ro- dzaju środowiska, wartości skoku temperatury, wpływu osłony, zjawisko rozchodze- nia się ciepła wewnątrz czujnika i wiele innych. Dlatego najlepszą metodą określenia właściwości dynamicznych czujników temperatury jest doświadczalne ich badanie w warunkach zbliżonych do tych, w których czujnik będzie stosowany. 6. 3. Program ćwiczenia W skład zestawu laboratoryjnego wchodzą: • Czujniki temperatury w różnych osłonach, o różnych stałych czasowych • Przetwornik pomiarowy temperatury z interfejsem umożliwiającym połączenie z komputerem. • Komputer. • Oprogramowanie wirtualnego panelu przetwornika temperatury • Naczynia z wodą )1( sexcz τ τ ϑϑ −= sτ Rys.7. Charakterystyka dynamiczna czujnika temperatury ĆWICZENIE 5b BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH CZUJNIKÓW TEMPERATURY 7 Należy zaprojektować eksperyment umożliwiający zbadanie charakterystyki dynamicznej wskazanych przez prowadzącego czujników. Jako skok jednostkowy temperatury należy traktować szybkie przemieszczenie czuj- nika z wody o temperaturze otoczenia do naczynia z podgrzaną wodą. Do automatycznego zapisu wyników eksperymentu przeznaczone jest opro- gramowanie, które uruchamia się przez wybór: Start/Programy/Imelab-4/Imelab-4. Wówczas na monitorze komputera pojawia się następujący panel wirtualnego prze- twornika temperatury. Przed przystąpieniem do badań, należy skonfigurować panel. W tym celu należy „kliknąć” na polu Konfiguracja, a następnie na polu Inerfejs. Otwiera się wówczas okno: W polu Komunikacja wybiera się iterfejs RS232, port szeregowy Com1 oraz protokół komunikacyjny OBR Bus z prędkością 9600 b/s.