Politechnika

Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu

MIERNICTWO WIELKOŚCI

ELEKTRYCZNYCH

I NIEELEKTRYCZNYCH

Kod przedmiotu:

ENS1A511254

Ćwiczenie pt.

Badanie przetworników do pomiaru temperatury

Numer ćwiczenia

MEN 08

Opracowali:

dr inż. Andrzej Gładyszewski

dr inż. Ryszard Piotrowski

dr inż. Adam Idźkowski

Białystok 2013

2

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej

instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami

zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli.

3

1. Wprowadzenie

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z właściwościami dwóch

rodzajów przetworników pomiarowych temperatury a mianowicie:

termorezystorów i termoelementów

Temperatura jest jedną z najczęściej mierzonych wielkości

nieelektrycznych. Zakres, w którym jest mierzona w przemyśle,

zwiera się w obszarze rozciągającym się od ok. –200oC do ponad

3000oC. Tak szeroki zakres mierzonej wielkości, jak i różnorodność

celów, warunków oraz wymaganych dokładności pomiarów sprzyjał

powstaniu ogromnej liczby różnorodnych przetworników temperatury.

Ogólnie dzieli się je na dwie grupy:

przetworniki stykowe, (zwane potocznie termometrami) do

których należą także termorezystory i termoelementy,

pozostające podczas dokonywania pomiarów w bezpośrednim

mechanicznym kontakcie z ciałem lub ośrodkiem, którego

temperaturę się mierzy,

przetworniki bezstykowe (zwane pirometrami) mierzące

temperaturę ciała lub ośrodka za pośrednictwem emitowanego

promieniowania termicznego.

Te ostatnie nie są omawiane i badane w niniejszym ćwiczeniu.

Termometry szklane

Mimo postępu w technice, termometry szklane odgrywają

znaczną rolę nie tylko w życiu codziennym, ale także w technice.

Zakresy pomiarowe termometrów napełnionych rtęcią wynoszą

od –35oC do +500

oC. Do pomiaru niższych temperatur, do ok. –200

oC

termometry napełnia się cieczami organicznymi (alkohole, pentan,

eter).

4

Czułość termometrów dobierać można w bardzo szerokich

granicach poprzez zastosowanie odpowiedniego stosunku objętości

bańki zawierającej rtęć do średnicy kapilary. Praktyczne granice

czułości wynoszą od 0,002oC na działkę do 10

oC na działkę.

Niedokładność wskazań termometrów określa się przy pomocy

błędu bezwzględnego dla całego zakresu pomiarowego, a nie przy

pomocy klasy dokładności, co uzasadnione jest charakterem źródeł

błędów. Na błąd wskazań wpływa niedokładność wykonania skali,

zmienność średnicy kapilary (chodzi tu o niejednakową średnicę rurki

na całej jej długości), wreszcie błędy wzorcowania. Niedokładności te

utrzymuje się przy precyzyjnych termometrach laboratoryjnych

zazwyczaj w granicach jednej działki elementarnej.

Termorezystory

Kropla historii

Za początki termometrii rezystancyjnej można uważać rok 1887,

kiedy to C. W. Siemens opublikował pracę pod tytułem „On the

practical measurement of temperature”

Termorezystor metalowy stanowi uzwojenie wykonane z

metalu (zwykle platyny, niklu, miedzi), nawinięte na kształtce z

materiału izola- cyjnego.

Zasada jego działania polega na zmianach rezystancji

przewodnika pod wpływem temperatury. Powstałe w ten sposób

zmiany rezystancji są mierzone i stanowią miarę temperatury.

Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder

atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów

swobodnych i jonów, co ze względu na hamowanie ruchów

elektronów powoduje wzrost rezystancji.

Głównym powodem zmian rezystancji przewodników jest zmiana ich

rezystywności (gdy pominie się zmiany wymiarów przewodu pod

5

wpływem temperatury) Dla większości metali zależność

rezystywności od temperatury opisuje z dostateczną dokładnością

następująca zależność,

321 CTBTAToT

gdzie: T – oznacza rezystywność w temperaturze T

o – rezystywność w temperaturze 0oC

T – temperatura

A, B, C – współczynniki

W pewnych zakresach temperatur i dla niektórych metali

współczynniki B, C przybierają pomijalnie małe wartości, wobec

czego można wtedy przyjąć, że rezystywność jest liniową funkcją

temperatury

Rezystancja termorezystora jest opisana zależnością analogiczną

do przy- toczonej wyżej:

321 CTBTATRR oT

gdzie: RT, Ro – rezystancje termorezystora odpowiednio

w temperaturach T i 0oC.

Zmiana rezystancji termorezystora pod wpływem temperatury

jest określona przez tzw. współczynnik temperaturowy rezystancji ,

określający względną zmianę rezystancji przypadającą na jeden

stopień zmiany temperatury:

CT

R

R

0

0

1

1

gdzie: R0 oznacza rezystancję przewodnika przed zmianą temperatury

Współczynnik ten określany jest w praktyce jako średni

współczynnik temperaturowy rezystancji dla zakresu zmian

temperatury w granicach od 0oC do 100

oC, skąd wynika następująca

postać jego definicji:

6

C1

1

100

1

C100 0

0100

0

0

0

0100

RR

R

R

RR

gdzie: R100, R0 – rezystancje przewodnika odpowiednio

w temperaturach 100oC i 0

oC

Metale stosowane do budowy przetworników rezystancyjnych

powinny spełniać następujące wymagania:

mieć duży współczynnik temperaturowy rezystancji

dużą rezystywność, co pozwala na konstruowanie

przetworników o małym wymiarach

stałe właściwości fizyczne

brak histerezy temperaturowej

łatwość odtwarzania metalu o identycznych

właściwościach, co umożliwia wymienność przetworników

odporność na korozję

wysoką temperaturę topnienia

dostateczną wytrzymałość mechaniczną

Metalem najlepiej spełniającym powyższe wymagania jest

czysta platyna (Pt). Ponadto do budowy termorezystorów stosuje

się nikiel (Ni) i miedź (Cu). Podstawowe parametry tych metali

podaje Tablica 1.

Tablica 1

Metal

Zakres zastosowania Rezystywność

0

100

R

R

typowy graniczny

oC

oC m -

Platyna

Nikiel

Miedź

-200 +850

-60 +150

-50 +150

-250 +1000

-60 +180

–

0,1

0,1

0,017

1,385

1,617

1,426

Stosowane w technice przetworniki rezystancyjne temperatury

składają się z rezystora termoelektrycznego oraz odpowiedniej osłony.

Osłona jest wykonana z materiału dobrze przewodzącego ciepło (np.

7

z metalu) i ma za zadanie chronić delikatny rezystor przed

uszkodzeniami mechanicznymi i działaniem czynników chemicznych.

Sam rezystor ma najczęściej postać rezystora pałeczkowatego, to

znaczy uzwojenia nawiniętego na pręcie lub rurce ze szkła, kwarcu

czy ceramiki. Po nawinięciu uzwojenia nasuwa się na nie zewnętrzna

rurkę z tego samego materiału co korpus, na którym nawinięto

uzwojenie. Stapiając tę rurkę w odpowiedniej temperaturze, powoduje

się zalanie zwojów rezystora, co izoluje go od wpływów chemicznych

i chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi. Izolację zewnętrzną

stanowi w niektórych przypadkach taśma z włókna szklanego lub

teflonu, albo lakier.

Średnice rezystorów pałeczkowych wynoszą od jednego do kilku

milimetrów, a ich długość od kilkunastu do kilkudziesięciu

milimetrów.

Nowoczesne rezystory termoelektryczne, tzw.

cienkowarstwowe, czyli wykonane techniką warstw cienkich, mają

znacznie mniejsze wymiary. Są to rezystory platynowe płaskie,

napylane na płytki ceramiczne o wymiarach np. 1031mm, a nawet

mniejszych. Rezystory te odznaczają się bardzo małą bezwładnością

cieplną.

Rezystancją znamionową termorezystora jest jego rezystancja

w temperaturze 0oC. Wynosi ona z reguły 100 , jakkolwiek spotyka

się i inne wartości znamionowe, np. 10 , 25 , 50 .

Charakterystyki przedstawiające zależność rezystancji

rezystorów platynowych, niklowych i miedzianych podane są

w postaci odpowiednich tablic.

8

Pomiary rezystancji termorezystorów metalowych

Ponieważ w przetwornikach termorezystorowych temperatura

mierzona przetwarzana jest rezystancję (zmianę rezystancji), zachodzi

konieczność dokładnego pomiaru rezystancji (zmian rezystancji).

Pomiary rezystancji termorezystorów odbywają się przy pomocy:

laboratoryjnych kompensatorów i mostków Wheatstone’a

omomierzy ilorazowych (tzw. logometrów)

mostków niezrównoważonych

automatycznych mostków zrównoważonych

Termoelementy

Nieco historii

W roku 1821 T. Seebek stwierdził, że w zamkniętym obwodzie

składającym się z dwóch różnych metali, o ile miejsca styku tych

metali znajdują się w różnych temperaturach, obserwuje się przepływ

prądu elektrycznego.

T2 T1

B

A

i

Ilustracja zjawiska zaobserwowanego przez Seebeka

Ilościowe opisanie tego zjawiska było wówczas niemożliwe,

gdyż prawo Ohma, stanowiące jego podstawę, zostało sformułowane

dopiero w roku 1926 przez G.S. Ohma.

W roku 1834 I.C.A. Peltier stwierdził, że gdy prąd przepływa

przez miejsce złączenia dwóch różnych metali, to zależnie od

kierunku przepływu prądu przez złącze, złącze to nagrzewa się lub

9

oziębia, nie uwzględniając oczywiście ciepła Joule’a wydzielającego

się w każdym przewodzie 2cRIQ .

W roku 1854 Lord Kelvin (W. Thomson) doszedł do wniosku,

że poza zjawiskami termoelektrycznymi występuje w spoinach,

również w pojedynczym przewodzie jednorodnym, na którego

długości występuje gradient temperatury, zależnie od rodzaju metalu i

kierunku przepływu prądu, następuje wydzielanie się lub pochłanianie

ciepła.

Zjawisko Peltiera można rozważać jako zjawisko występowania

pewnej siły termoelektrycznej na długości poszczególnych

przewodów obwodu elektrycznego.

Przyczyną zjawiska Peltiera jest różna koncentracja swobodnych

elektronów po obu stronach styku dwóch różnych metali w określonej

temperaturze. Różnica ta powoduje powstanie w miejscu styku

pewnej różnicy potencjałów o wartości zależnej od temperatury.

Przyczyną zjawiska Thomsona jest różny stopień zagęszczenia

elektronów swobodnych wzdłuż przewodnika, na którego długości

występuje pewien gradient temperatury.

Zasada działania przetwornika

Rozpatrzmy złącze dwóch różnych metali przedstawione na

rysunku 1.

N2 N1

E12 1 2

Rys. 1. Złącze dwóch różnych metali

10

Na złączu (spoinie) dwóch różnych metali powstaje niewielka

siła elektromotoryczna E12. Jest ona skierowana od metalu o większej

koncentracji swobodnych elektronów (N1) do metalu o mniejszej

koncentracji elektronów (N2). Wartość tej siły elektromotorycznej

określa następujący wzór.

2

12112 ln

N

N

e

kT

e

AAE

gdzie:

A1, A2 – prace wyjścia elektronów z tych metali

e = 1,602 10-19

C (ładunek elektronu)

k =1,38 10-23

J/K – stała Boltzmanna

T – temperatura bezwzględna spoiny

N1, N2 – koncentracja swobodnych elektronów w jednostce

objętości każdego z metali

T e r mo e l e me n t

Termoelement tworzą dwie elektrody A, B, nazywane

termoelektrodami (rys. 2), wykonane z różnych metali (stopów lub

czystych metali) zespolonych ze sobą jednym końcem. Miejsce

spojenia przybiera najczęściej kształt niewielkiej kuleczki, która

stanowi tak zwaną spoinę pomiarową SP. Spoinę pomiarową

umieszcza się w miejscu, gdzie mierzona jest temperatura. Jeżeli

temperatury T1, T2 różnią się między sobą, to między wolnymi

końcami termoelementu powstaje siła elektromotoryczna E, nazywana

siłą termoelektry- czną (w skrócie STE).

Przyjmuje ona na ogół niewielkie wartości wynoszące kilka,

kilkadziesiąt lub kilkaset miliwoltów.

11

OBIEKT

BADANY

SP

T1

T2 T2 E

B A

Rys. 2. Termoelement czyli złącze dwóch różnych metali A, B

(np. A jest stopem metali: NiCr; B stopem metali: NiAl)

Wartość siły termoelektrycznej E z dobrym przybliżeniem można

przyjmować za wprost proporcjonalną do różnicy temperatur ΔT, to

znaczy:

)( 21 TTkTkE (1)

Gdzie k nazywany jest współczynnikiem czułości termoelementu:

K

mV

T

Ek

Na przykład dla stosowanego w tym ćwiczeniu termoelementu

typu K (NiCr –NiAl), współczynnik k = 0,041 mV/K. Dla drugiego

ze stosowanych w ćwiczeniu termoelementu typu J (Fe-CuNi),

współczynnik k = 0,054 mV/K, przy czym 1K = 1oC.

Dokładną zależność siły termoelektrycznej od temperatury

odczytuje się z odpowiednich tablic, które udostępnia się ćwiczącym.

Zależność (1) pozwala na wyznaczenie temperatury T1 wewnątrz

obiektu badanego, gdy znana jest temperatura otoczenia T2:

CTk

ET o 21 (2)

12

Ostatnia zależność wykorzystywana jest (patrz Tablica 2) do

wyznaczania temperatury wewnątrz pieca elektrycznego, który

w ćwiczeniu występuje w roli obiektu badanego

Prawo trzeciego metalu

Pomiar siły elektromotorycznej E związany jest z pojawieniem

się w układzie trzeciego metalu (oprócz dwóch metali stanowiących

termoelement), jakim jest np. miedziane uzwojenie cewki

miliwoltomierza magnetoelektrycznego (rys. 3). Na stykach trzeciego

metalu z termoelektrodami powstają dodatkowe siły

termoelektryczne. Wykazuje się jednak, że nie wpływają one na

wartość mierzonej siły termoelektrycznej gdy tylko oba końce

trzeciego metalu znajdują się w takiej samej temperaturze.

1 2

3

E12

E32 E13

T1

T2 T2

Rys. 3. Złącze trzech metali 1, 2, z metalem trzecim – 3,

którym jest miedziana cewka miliwoltomierza

W omawianym ćwiczeniu wolne końce termoelektrod 1, 2

doprowadzone są bezpośrednio do zacisków miliwoltomierzy

(porównaj rys. 4), tak więc układ przedstawiony na rysunku 3

odpowiada pod względem elektrycznym rzeczywistemu układowi

pomiarowemu.

13

2. Przebieg pomiarów

Pomiary dokonywane są w układzie, którego schemat przedstawia

rysunek 4.

~U

G

Ni

B

PŁ

Pt

grzejnik

TE1 Rt

W

PIEC

V1 MW V2

TE2

AT

V

Rys. 4. Schemat układu pomiarowego

V1, V2 – woltomierze cyfrowe

V – woltomierz mierzący napięcie zasilające grzejnik pieca

MW – laboratoryjny mostek Wheatstone’a

G – galwanometr magnetoelektryczny

B – bateria zasilająca mostek

PŁ – przełącznik

TE1 – przetwornik termoelektryczny (NiCr-NiAl)

TE2 – przetwornik termoelektryczny (Fe-CuNi)

Pt – przetwornik rezystancyjny platynowy

Ni – przetwornik rezystancyjny niklowy

Rt – termometr rtęciowy mierzący temperaturę otoczenia

AT – autotransformator laboratoryjny

14

W piecu elektrycznym umieszczone są 4 przetworniki:

przetwornik termoelektryczny TE1 typu K (NiCr-NiAl)

przetwornik termoelektryczny TE2 typu J (Fe-CuNi)

termorezystor platynowy (Pt)

termorezystor niklowy (Ni)

Ćwiczący nastawiają przy pomocy autotransformatora napięcie

zasilające grzejnik pieca na podstawie dołączonych do ćwiczenia

charakterystyk pieca. Wskazana przy tej czynności jest konsultacja

ćwiczących z osobą prowadzącą ćwiczenie.

Chodzi m. in. o to, aby napięcie zasilające nie było zbyt duże,

a co za tym idzie temperatura wewnątrz pieca nie wzrastała zbyt

szybko, uniemożliwiając jednoczesne dokonanie wszystkich

niezbędnych odczytów i pomiarów w danym punkcie

zdejmowanych charakterystyk. Z drugiej zaś strony temperatura

pieca nie powinna narastać zbyt wolno z racji ograniczonego

czasu trwania ćwiczenia (należy dokonać ok. 20 pomiarów).

Pomiary rozpoczynają się w chwili włączenia napięcia

zasilającego piec. Od tej chwili należy w równych odstępach czasu

(ustalonych wcześniej) dokonywać odczytów wskazań woltomierzy

cyfrowych i pomiarów rezystancji termorezystorów przy pomocy

mostka Wheatstone’a. Ważne jest tu dobre zorganizowanie pracy i

podział czynności między poszczególnych członków grupy

studenckiej.

Wyniki poszczególnych odczytów i pomiarów należy zapisywać

w Tablicy 2.

15

Tablica 2 to = ……..oC

L.p. E1 otk

Et

1

11

E2 otk

Et

2

22

RPt RNi

mV oC mV

oC

1

2

….

20

Objaśnienia do Tablicy 2

to – temperatura otoczenia odczytana ze wskazań termometru rtęciowego

E1 – SEM zmierzona woltomierzem V1,

E2 – SEM zmierzona woltomierzem V2,

k1 – współczynnik czułości termoelementu TE1

k2 – współczynnik czułości termoelementu TE2

t1 – temperatura wewnątrz pieca zmierzona termoelementem TE1

t2 – temperatura wewnątrz pieca zmierzona termoelementem TE2

RPt – rezystancja termorezystora platynowego zmierzona mostkiem

Wheatstone’a

RNi – rezystancja termorezystora niklowego zmierzona mostkiem Wheatstone’a

W sprawozdaniu należy:

1. Wykreślić charakterystyki: E1 = f(t1) oraz E2 = f(t2). Na tym samym

wykresie narysować charakterystyki na podstawie danych zawartych w

odpowiednich tablicach i uznając je za wzorcowe, stwierdzić, który z

badanych termoelementów mierzy z mniejszym błędem.

2. Wykreślić charakterystyki: RPt = f(t), RNi = f(t) (jako wartości

temperatury t przyjąć wartości t1, obliczone dla termoelementu TE1) i na

ich podstawie wyznaczyć współczynniki temperaturowe rezystancji dla

każdego z termorezystorów. Porównać je ze współczynnikami podanymi

w literaturze.

3. Określić zakresy, w których charakterystyki można traktować jako

liniowe

4. Przedstawić wnioski, jakie nasunęło wykonywane ćwiczenie.

16

3. Pytania i zadania kontrolne

1. Omów zasadę działania termorezystorów metolowych.

2. Omów zasadę działania przetworników termoelektrycznych.

3. Wyjaśnij zjawisko Peltiera, Thomsona, Seebeka.

4. Wymień metody pomiaru rezystancji termorezystorów i omów

jedną z nich.

5. Wymień metody pomiaru siły termoelektrycznej i omów jedną z

nich.

6. Przyczyny błędów pomiaru temperatury termorezystorami

metolowymi.

7. Przyczyny błędów pomiaru temperatury termoelementami.

8. Wymień metody stabilizacji temperatury spoiny odniesienia i

omów jedną z nich.

4. Literatura

1. Miłek M.: Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi,

Podręcznik akademicki, Zielona Góra, 2006.

2. Rząsa M.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury, WKŁ 2005.

3. Michalski L., Eckersdorf K., Kucharski J.: Termometria. Przyrządy

i metody, Politechnika Łódzka, Łódź 1998.

4. Zakrzewski J., Kampik M.: Sensory i przetworniki pomiarowe,

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013.

5. Gajek A., Juda Z.: Czujniki, WKŁ, Warszawa 2009.

6. Nawrocki W.: Sensory i systemy pomiarowe, Wydawnictwo Politechniki

Poznańskiej 2006.

17

Wymagania BHP

Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest

zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz

przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na

stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed

rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi

wskazanymi przez prowadzącego.

W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad.

Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są

w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.

Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.

Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po

wyrażeniu zgody przez prowadzącego.

Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą

obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami

układu znajdującymi się pod napięciem.

Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana

elementów składowych stanowiska pod napięciem.

Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się

odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.

W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć

wszystkie urządzenia.

Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz

nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać

prowadzącemu zajęcia.

Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania

z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia.

W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy

niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą

wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej

w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.

18