MWNE 2018 ćw. 11 Właściwości statyczne czujników temperatury
BADANIE WŁAŚCIWOŚCI STATYCZNYCH TERMOMETRÓW
ELEKTRYCZNYCH
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk statycznych oraz podstawowych parametrów wybranych rodzajów czujników termometrycznych na podstawie pomiarów laboratoryjnych. Ponadto należy porównać otrzymane w ten sposób charakterystyki z odpowiednimi dla badanych czujników charakterystykami modelowymi oraz wyprowadzić wynikające stąd wnioski.
2. Przebieg ćwiczenia.
W ćwiczeniu laboratoryjnym wyznacza się parametry statyczne wybranych czujników termometrycznych, które bada się na stanowisku laboratoryjnym w układzie pomiarowym pokazanym na rys.1. Badane czujniki umieszczone są w kąpieli olejowej, której temperaturę reguluje się i stabilizuje za pomocą termostatu w sposób podany przez prowadzącego. Temperaturę zadaną odczytuje się z termometru cyfrowego TC (produkcji „Czaki”). Wyjścia badanych czujników przyłącza się bezpośrednio (termopary) lub przez przełączniki do odpowiednich przyrządów pomiarowych. Czujniki półprzewodnikowe złączowe (D, T, Tw, US) przyłączone są bez
wzmacniaczy przez przełącznik do multimetru. Dla elementów D i T odpowiednim zakresem jest 1 V
a dla Tw i US 10 V. Czujniki te zasilane są prądem 1mA ze źródeł prądowych (rys. 2).
Charakterystyki statyczne badanych czujników należy wyznaczać na podstawie uzyskanych pomiarów w możliwie szerokim zakresie zmian temperatur kąpieli olejowej. Należy zadbać aby pole temperaturowe kąpieli było możliwie jednorodne (temperatury wszystkich zanurzonych w niej czujników powinny być takie same). Jednorodność pola temperaturowego w kąpieli uzyskuje się za pomocą mieszadła elektrycznego M a dynamikę zmian obserwuje się na wykresie.
M Woda G Olej T3T2T1T4T5T6T7T8 TK MC 1 [Ω] Termostat T4 T 5 T6 T7 T8 TK D T Tw US VC 2 [ mV] VC 3 [ mV] TC [oC] NTC KTY Cu100 VC 1 [ mV] T1 T2 T3
MWNE 2018 ćw. 11 Właściwości statyczne czujników temperatury Na rys.1 oznaczono:
T1 – termistor NTC (R25 ≈ 470 Ω÷ 1 kΩ),
T2 – termorezystor półprzewodnikowy (np. KTY10),
T3 – termorezystor metalowy np. Cu , Ni lub Pt100 (R0 = 100 Ω),
T3’’ – termorezystor metalowy np. Cu , Ni lub Pt100 (R0 = 100 Ω),
T4– termopara 1 (typ do identyfikacji),
T5– termopara 2 (typ do identyfikacji),
T6 – czujnik półprzewodnikowy (dioda krzemowa – D),
T7– czujnik półprzewodnikowy (tranzystor krzemowy w układzie diodowym – T),
T8 – czujnik półprzewodnikowy (tranzystor w układzie wzmacniacza – TW),
T9 – czujnik półprzewodnikowy scalony (np. typu LM335),
TK – termorezystor termometru wzorcowego (Pt-100),
MC1, MC2 – multimetr cyfrowy (omomierz),
VC1, VC2, VC3 – miliwoltomierz cyfrowy (woltomierz, miliwoltomierz), M – pompa mieszająca, G – grzałka. D A1 A2 A3 A4 T TW S U0D U0T U0S U0Tw LM 35 Przetwornik U / f 1000Hz/K VC fwy Uwy K R1 R2 US + UZ UT "D " "T" "TW " "US "
Rys.2. Schemat funkcjonalny układu pracy badanych czujników termometrycznych. Ze względu na trudności studentów w interpretacji układów elektronicznych sygnały czujników wyprowadzono
bezpośrednio z pominięciem układów kondycjonujących (wzmacniaczy).
Pytania kontrolne.
1. Wymienić i porównać ze sobą podstawowe skale temperatur.
2. Wymienić rodzaje elektrycznych czujników temperatury i podać ich podstawowe charakterystyki statyczne.
3. Porównać czujniki temperatury pod względem zakresu pomiarowego i liniowości charakterystyki statycznej.
MWNE 2018 ćw. 11 Właściwości statyczne czujników temperatury
4. Dlaczego nieliniowość charakterystyki termicznej termorezystora półprzewodnikowego jest większa niż metalowego?
5. Co to są punkty termometryczne przy odtwarzania skali temperatur?
6. Dlaczego termorezystor metalowy Pt-100 jest podstawowym przyrządem do odtwarzania międzynarodowej skali temperatur?
7. Porównać elektryczne czujniki temperatury pod względem czułości.
8. Czy właściwości dynamiczne czujnika temperatury wpływają na jego czułość oraz powtarzalność jego charakterystyki statycznej?
9. Czy duża stabilność czasowa charakterystyki statycznej termometru jest równoznaczna z małą nieliniowością termometru?
10. Jakie właściwości półprzewodnikowych czujników złączowych decydują o ich popularności zwłaszcza w układach elektronicznych?
11. Jakie będzie wskazanie miliwoltomierza przyłączonego do termopary, której wszystkie elementy znajdują się w tej samej temperaturze? Uzasadnić odpowiedź.
3. Program ćwiczenia.
1. Przeprowadzić identyfikację badanych czujników temperatury na stanowisku laboratoryjnym. 2. Włączyć przyrządy pomiarowe w celu ustabilizowania ich wskazań i warunków termicznych
wokół czujników.
3. Włączyć komputer i program monitorowania czasowego temperatury. 4. Zmierzyć temperaturę otoczenia
ϑ
0 na stanowisku pomiarowym.5. Dokonać odczytów wszystkich przyrządów pomiarowych dla temperatury początkowej. 6. Przeprowadzić pomiar charakterystyk statycznych Y = f (
ϑ
) przyϑ
0 = const.poszczególnych czujników oraz sporządzić wykresy tych charakterystyk
Zmiany temperatury można zadawać przez dostarczenie porcji ciepła np. grzejąc przez 20sek. a następnie wyrównując rozkład temperatury w oleju przez mieszanie (bez grzania) do
ustabilizowania wskazań lub przez 60 sek. Pomiary należy dokonywać w stanie po wyrównaniu temperatur.
7. Na podstawie zmierzonych wartości wyznaczyć dla poszczególnych czujników: - aproksymacje charakterystyk przetwarzania,
- współczynnik temperaturowy rezystancji
α
R = f (ϑ
),- czułości ST = f (
ϑ
) przyϑ
0 = const.8. Opracowania z punktu 7 przedstawić w postaci wykresów.
9. Sporządzić wykresy zależności błędów aproksymacji charakterystyk termometrów od temperatury:
δ
aprox. = f (ϑ
) przyϑ
0 = const.10. Przeprowadzić analizę porównawczą wyznaczonych charakterystyk termicznych i parametrów statycznych badanych czujników.
12. Przeprowadzić dyskusję wyników pomiarów zakończoną wnioskami uwzględniając porównanie czułości oraz rozdzielczości poszczególnych „czujników”.
