WAT – WYDZIAŁ ELEKTRONIKI INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH Przedmiot: CZUJNIKI I PRZETWORNIKI Ćwiczenie nr 4

1

WAT – WYDZIAŁ ELEKTRONIKI INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH

Przedmiot: CZUJNIKI I PRZETWORNIKI Ćwiczenie nr 4

WSTĘP TEORETYCZNY Temat: Przetworniki temperatury /BADANIA CZUJNIKÓW TEMPERATURY/

Celem ćwiczenia jest poznanie elektrycznej metody pomiaru temperatury oraz wyznaczenie charakterystyk statycznych i dynamicznych czujników temperatury.

8.1. Czujniki temperatury

Pomiar temperatury może być dokonywany metodami pośrednimi wykorzystującymi szereg zmian własności fizycznych ciał, jakim ulegają one pod wpływem zmian temperatury.

Najczęściej wykorzystuje się zmiany objętości, prężności, rezystancji elektrycznej, napięcia termoelektrycznego i częstotliwości drgań rezonatora kwarcowego. Do pomiaru temperatury stosuje się trzy podstawowe metody: metody nieelektryczne, metody elektryczne, metody radiacyjne.

Wśród metod elektrycznych można wyróżnić metody bazujące na czujnikach parametrycznych i generacyjnych. W metodach opartych na czujnikach parametrycznych dokonywany jest pomiar parametrów elektrycznych danego elementu zależnych od temperatury środowiska, w którym jest umieszczony. Typowym przykładem może być rezystor platynowy, którego rezystancja jest liniową (w ograniczonym zakresie) funkcją temperatury. W tego typu metodach wymagane jest zewnętrzne źródło zasilania. W metodach opartych na czujnikach generacyjnych, dany element sam jest źródłem energii elektrycznej, zaś jego wydajność jest proporcjonalna do temperatury otoczenia. Przykładem takiego elementu może być termoogniwo.

Pomiar temperatury można również realizować metodą radiacyjną polegającą na pomiarze promieniowania termicznego emitowanego przez powierzchnię ciała. Najczęściej pomiar dokonywany jest w zakresie promieniowania widzialnego i podczerwonego.

8.2. Skale temperatur

Konieczność wprowadzenia stałych punktów odniesienia w pomiarach temperatury i

przypisanie do nich pewnych wartości liczbowych legła u podstaw określenia termodynamicznej skali temperatur. Główny jednak problem polegał na wyborze substancji termometrycznej i funkcji łączącej temperaturę z wybranymi jej własnościami w możliwie najszerszym zakresie zmian temperatury. Przykładowo praktyczne zastosowanie termometru rtęciowego ograniczone jest od dołu temperaturą krzepnięcia rtęci, a od góry wytrzymałością cieplną szkła kapilary. Najbardziej znane i powszechnie używane są do dnia dzisiejszego skale: Celsjusza, Fahrenheita i Kelvina. Skala Celsjusza bazuje na dwóch podstawowych punktach, punkcie zamarzania i punkcie wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu powietrza (1013hPa). Skala Fahrenheita oparta była początkowo na 2 punktach stałych: temperaturze topnienia mieszaniny śniegu z salmiakiem (0°F) i temperaturze ciała ludzkiego (100°F), potem zdefiniowana przez przyporządkowanie punktowi 32°F tej skali wartości 0°C,

2 a punktowi 212°F - wartości 100°C. Nowa, wprowadzana powszechnie, szczególnie w zastosowaniach technicznych, uniwersalna skala temperatur (skala termodynamiczna) opracowana przez Lorda Kelvina bazuje na sprawności odwracalnego cyklu Carnota.

Podstawową jednostką skali termodynamicznej jest kelwin o symbolu K. Jako podstawę skali termodynamicznej przyjęto punkt potrójny wody, któremu przyporządkowano wartość temperatury termodynamicznej równą 273,16K.

W 1968 roku przyjęto Międzynarodową Praktyczną Skalę Temperatury, która opiera się na wartościach temperatury przypisanych pewnej liczbie stanów równowagi i określonych przyrządach wywzorcowanych w tych temperaturach. W zakresie temperatur od 13,81K do 630,74C temperaturę wyznacza się za pomocą wzorcowego termometru rezystancyjnego wykonanego z czystej platyny, w zakresie temperatur od 630,74C do 1064,43C temperaturę określa się za pomocą wzorcowego termoogniwa PtRh10-Pt. Temperatury wyższe określane są poprzez zależność wiążącą temperaturę krzepnięcia złota i gęstość monochromatyczną luminancji energetycznej promieniowania ciała czarnego w danej temperaturze, przy długości fali .

8.3. Czujniki rezystancyjne

W metodach pomiaru temperatury opartych na czujnikach rezystancyjnych wykorzystuje się odwracalne zmiany rezystancji wielu materiałów wraz ze zmianami temperatury.

Rozróżniamy dwie podstawowe klasy materiałów stosowanych na czujniki rezystancyjne:

przewodniki (metale) i półprzewodniki. W przypadku przewodników rezystancja ich wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, zaś w przypadku półprzewodników w przeważającej większości rezystancja ich maleje wraz ze wzrostem temperatury.

8.3.1. Termorezystory metalowe

Rezystancja rezystora metalowego zmienia się w szerokim zakresie temperatur zgodnie z zależnością:





2 2 1

01 aT a T a T

R

R       , (8.1)

gdzie : R - rezystancja w temperaturze T, R0 - rezystancja w temperaturze 0 K, an - stałe określane doświadczalnie.

Dla zakresu temperatur zlokalizowanych w obszarze 0C (273K) można wzór (8.1) przedstawić w postaci funkcji liniowej

 T

R 1

R_{T 0} , (8.2)

gdzie:  - temperaturowy współczynnik rezystancji w C^-1,

T - temperatura w C.

Współczynnik temperaturowy  zmienia się w granicach od 0.0035C^-1 do 0.007C^-1 i jest określony wzorem

100 R R R

1 _{100 0}

0

 



 ,

gdzie R100 i R0 rezystancje czujnika odpowiednio w 100 i 0 C.

Metale, z których wykonywane są termorezystory powinny charakteryzować się następującymi własnościami:

3 - duży współczynnik cieplny (temperaturowy) zmian rezystancji,

- duża rezystywność umożliwiająca wykonanie czujników o małych wymiarach, - wysoka temperatura topnienia,

- stałość własności fizycznych i chemicznych w wykorzystywanym zakresie temperatur, - odporność na korozję,

- powtarzalność podstawowych parametrów czujników wykonanych z tego samego metalu, - brak histerezy i ciągłość funkcji zależności rezystancji od temperatury,

- łatwość obróbki mechanicznej tj. odpowiednia ciągliwość i wytrzymałość.

Wśród termorezystorów metalowych termorezystor platynowy znajduje najszersze zastosowanie w pomiarach temperatury. Jest to wynikiem jego zalet takich jak duża stałość własności fizycznych, odporność na korozję oraz kowalność. Platyna stosowana na termorezystory powinna cechować się dużą czystością. Stosunek rezystancji termorezystora platynowego w 100C do rezystancji w 0C daje możliwość oceny stopnia czystości platyny.

Dla termorezystorów platynowych, przemysłowych ten stosunek powinien wynosić 1,385.

Typowym zakresem pracy termorezystorów platynowych jest –200C +850C.

Drugim powszechnie stosowanym materiałem na termorezystory jest nikiel. Nikiel charakteryzuje się dużym współczynnikiem temperaturowym oraz stosunkowo dużą odpornością na działanie związków chemicznych i utlenianie. Typowy termorezystor niklowy może być wykorzystywany do temperatury +300C, jednakże w zastosowaniach praktycznych wykorzystuje się termorezystory niklowe w temperaturach –60C +180C.

Powyżej +350C następuje zmiana przebiegu jego charakterystyki termometrycznej uniemożliwiająca wykorzystanie termorezystorów niklowych w układach pomiarowych.

Rezystywność niklu zawiera się w granicach - (0,09  0,11)10^-6m.

3

Ni

T[oC]

R₀ Cu R_T

Pt

200 400 600 800 2

1

Rys.8.1. Zależność stosunku rezystancji RT/R0 od temperatury T dla trzech podstawowych materiałów termorezystorów.

Miedź jako materiał na termorezystory nie znalazła powszechnego zastosowania w układach pomiarowych, mimo wysokiej temperatury topnienia i dość szerokiego zakresu przetwarzania (0+150)C. Termorezystory miedziowe podstawowe zastosowanie znajdują w układach pracujących w okolicy temperatury otoczenia, głównie w chłodnictwie. Dość istotną zaletą termorezystorów miedzianych jest możliwość wykonania ich we własnym zakresie.

Zależności stosunku rezystancji RT w temperaturze T C do rezystancji R0 w temperaturze 0C dla trzech podstawowych metali przedstawione są na rys.8.1.

Termorezystory w wykonaniu fabrycznym wytwarzane są najczęściej w postaci pałeczek.

Drut oporowy nawinięty jest na karkasie ceramicznym i pokryty zalewą ceramiczną lub szklaną, ostatnio coraz częściej spotyka się inne rodzaje konstrukcji takie jak płytkowe, warstwowe napylane o różnych kształtach i rozmiarach. Na rysunku 8.2 przedstawiona jest przykładowa konstrukcja pałeczkowego termorezystora platynowego.

4

Rdzeń szklany bądź ceramiczny Bifilarnie nawinięty drut platynowy

Osłona szklana lub ceramiczna

Rys.8.2. Przykładowa konstrukcja pałeczkowego termorezystora platynowego.

Wymogi stawiane przez środowiska agresywne narzucają konieczność stosowania termorezystorów w obudowach stalowych w wykonaniu wysokociśnieniowym lub przeciwwybuchowym. Obudowy te mogą mieć znaczne rozmiary w porównaniu z rozmiarami samego czujnika.

Termorezystory wykonywane są zazwyczaj w wersji: Pt 100, Ni 100, Cu 100, co oznacza, że w temperaturze 0C ich rezystancja wynosi 100. Charakterystyki przetwarzania tych czujników są znormalizowane i zawarte w normie PN-83/M-53852.

Zależność rezystancji od temperatury dla trzech podstawowych termorezystorów (Pt 100, Ni 100, Cu 100) i zakresu temperatur 0C 100C przedstawiony jest w tablicy 8.1. Płynący przez rezystor prąd pomiarowy powoduje efekt samopodgrzewania termorezystora mogący spowodować powstawanie dodatkowych błędów pomiaru. Zazwyczaj producent podaje moc dopuszczalną lub maksymalny prąd pomiarowy dla danego termorezystora, przy założeniu, że błąd od nagrzewania będzie pomijalnie mały.

Dla większości konstrukcji termorezystorów prąd pomiarowy nie powinien przekraczać kilku mA (max. 10mA). Wartość dopuszczalną prądu pomiarowego dla konstrukcji ogólnego przeznaczenia wyznacza się z zależności

T max max

p R

I   A, (8.3)

gdzie: max - dopuszczalna wartość błędu od samopodgrzania, RT - rezystancja termorezystora w temperaturze T,

A - stała odprowadzania ciepła w mW/K zależna od rodzaju termorezystora i otoczenia, w którym jest zainstalowany.

Tab. 8.1

Temperatura Rezystancja []

[C] Pt 100 Ni 100 Cu 100

0 100,00 100,00 100,00

5 101,95 102,77 102,13

10 103,90 105,56 104,26

15 105,85 108,39 106,39

20 107,79 111,25 108,52

25 109,73 114,14 110,65

30 111,67 117,07 112,78

35 113,61 120,02 114,91

40 115,54 123,01 117,04

45 117,47 126,03 119,17

50 119,40 129,09 121,30

55 121,32 132,18 123,43

60 123,24 135,30 125,56

5

65 125,16 138,47 127,69

70 127,07 141,67 129,82

75 128,98 144,91 131,95

80 130,89 148,19 134,08

85 132,80 151,50 136,21

90 134,70 154,86 138,34

95 136,60 158,27 140,47

100 138,50 161,71 142,60

Stała A przedstawia moc wydzielaną w rezystorze powodującą wzrost temperatury rezystora o 1K, przy ustalonych warunkach pomiarowych.

8.3.2. Termorezystory półprzewodnikowe (termistory)

Termorezystory półprzewodnikowe wykonywane są z półprzewodników, których rezystywność jest funkcją temperatury. Najczęściej termistory wykonywane są z proszków tlenków: manganu (Mn), żelaza (Fe), niklu (Ni), miedzi (Cu), tytanu (Ti), cynku (Zn) i kobaltu (Co), spiekanych w temperaturach ok. 1000C. Produkcja termistorów wymaga dotrzymania bardzo rygorystycznych warunków technologicznych, a zwłaszcza zapewnienia odpowiedniej atmosfery, w której termistory są formowane. Zasadniczą zaletą termorezystorów półprzewodnikowych jest ich duży temperaturowy współczynnik rezystancji, rzędu (34)%/K oraz duża rezystywność.

Rozróżniamy dwa rodzaje termistorów: termistory typu PTC (positive thermally coefficient), czyli o dodatnim temperaturowym współczynniku zmian rezystancji oraz termistory NTC (negative thermally coefficient) o ujemnym temperaturowym współczynniku zmian rezystancji.

10¹

0 50 100 150 200 250 300 10²

10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

R[ ]

T[ C]^o

Rys.8.3. Charakterystyka przetwarzania termistora typu PTC.

Termistory PTC zwane często pozystorami wykazują w ograniczonym zakresie typowo przekaźnikową charakterystykę przetwarzania (rys.8.3) co powoduje, że zakres ich stosowania ogranicza się jedynie do układów sygnalizujących zmianę temperatury.

Powszechne zastosowanie znalazły termistory typu NTC zwane w skrócie termistorami.

Zależność rezystancji termistora od temperatury można wyrazić wzorem







 

 ⁰

0

T 1 T B 1

T

T R e

R , (8.4)

gdzie : R_T0 - rezystancja w temperaturze odniesienia T0, R_T - rezystancja w temperaturze T,

B - stała zależna od materiału termistora w K.

6

-20 0 20 40 60 80 100 120 10²

10³ 10⁴

R[ ]

T[ C]^o

Rys.8.4. Charakterystyka przetwarzania termistora typu NTC.

Cieplny współczynnik zmian rezystancji termistora T, który można wyrazić w postaci

T 2

T

 B



 wskazuje, że wartość bezwzględna współczynnika maleje ze wzrostem temperatury mierzonej. Współczynnik T wyrażony jest w %/K, a jego średnia wartość zawiera się w granicach

(2   6)%/K i jest o rząd wielkości większa od wartości współczynnika  dla termorezystorów metalowych. Zasadniczymi wadami termistorów, obok nieliniowej charakterystyki przetwarzania, jest duży rozrzut wartości R_T0 i B dla identycznej serii elementów oraz ich niestabilność czasowa. Rozrzut wartości parametrów eliminowany jest na drodze selekcji w ramach poszczególnych serii. Umożliwia to uzyskanie wymienności w układach pomiarowych kosztem stosunkowo niewielkiego błędu pomiaru ( 1K).

Niestabilność czasowa termistorów spowodowana jest zmianami struktury wewnętrznej termistora oraz zmianami rezystancji przejścia między materiałem termistora a elektrodami w wyniku naprężeń termicznych. Zmiany rezystancji termistorów nie przekraczają w skali roku 3%. Najbardziej stabilnymi konstrukcjami termistorów są termistory perełkowe pokryte szkłem. Roczne zmiany rezystancji dla tego typu konstrukcji nie przekraczają 0,25%. Dzięki dużej rezystywności i dużej wartości współczynnika temperaturowego termistory mogą być wykonywane w wersjach miniaturowych umożliwiających punktowy pomiar temperatury.

Typowy zakres temperatur pracy termistorów zawiera się w granicach (100  +150)C.

Najczęściej spotykanymi konstrukcjami czujników termistorowych są perełkowe i płytkowe. Termistory perełkowe mają średnicę do 1mm, zaś w przypadku pokrywania warstwą ochronną szkła średnica zazwyczaj nie przekracza 2mm. W konstrukcjach specjalnych warstwa ochronna wykonywana jest niekiedy z teflonu. W przypadku konstrukcji płytkowych, termistory mają kształt zbliżony do walca o średnicy podstawy w granicach 1 do 10mm przy wysokości do 2mm.

Istotny problem z punktu widzenia możliwości aplikacyjnych termistorów przedstawia przebieg charakterystyki napięciowo - prądowej. Charakterystyka ta podaje zależność spadku napięcia na termistorze od prądu płynącego przez termistor przy stałej temperaturze otoczenia i w określonym środowisku. Typowa rodzina charakterystyk napięciowo - prądowych przedstawiona jest na rys.8.5.

7

U

T >T >T_{03 02 01}

T₀₃ T₀₂ T₀₁

Rys.8.5. Charakterystyki napięciowo-prądowe dla termistorów typu NTC. I

Wzrost prądu pomiarowego powyżej wartości granicznej powoduje efekt samopodgrzania i w rezultacie wzrost temperatury termistora powyżej temperatury otoczenia. Powoduje to zmniejszenie rezystancji termistora a wraz z tym spadek napięcia na jego rezystancji pomimo wzrostu prądu pomiarowego. W celu uniknięcia niejednoznaczności odczytów tj. różnych rezystancji termistora w tej samej, mierzonej temperaturze jego otoczenia, ale dla różnych prądów, do celów pomiarowych wykorzystuje się jedynie wznoszącą część charakterystyki.

Określenie maksymalnej wartości prądu pomiarowego dokonywane jest w oparciu o wzór (8.3) analogiczny jak dla termorezystorów metalowych. Stała odprowadzania ciepła dla termistorów w zależności od rodzaju termistora i jego obudowy waha się w granicach (0,02  30)mW/K.

8.4. Termoogniwa

Na początku XIX wieku zaobserwowano zjawisko pojawiania się prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie składającym się z połączonych prętów metalowych wykonanych z dwu różnych metali, których miejsca połączenia umieszczono w różnych temperaturach (rys.8.6.a).

E_p1

Materiał B Materiał B

Materiał A

T+ T T

V

E_p2 E_TA

E_TBy E_TBx

E_p1 ^{Materiał A}

Materiał B

T T+ T

E_TA

E_p2

E_TB

a) b)

Rys.8.6. Schemat ideowy termoogniwa: a) obwód zamknięty, b) obwód otwarty.

Analizując mechanizm obserwowanego zjawiska można wyróżnić dwa podstawowe efekty nazwane od nazwisk odkrywców. Zjawisko Peltiera opisuje mechanizm powstania różnicy potencjałów o wartości zależnej od temperatury na styku dwóch różnych metali jako wynik różnicy liczby swobodnych elektronów po obu stronach styku metali. Zjawisko Thomsona, którego przyczyną jest różny stopień zagęszczenia elektronów swobodnych wzdłuż przewodnika, na którego długości występuje pewien gradient temperatury.

Siłę termoelektryczną Peltiera można określić zależnością

e A A N lnN e

E kT ^{A B}

B p A

 

 , (8.5)

gdzie: k - stała Boltzmana (1.381^-23 J/K),

T - temperatura punktu złączenia metali w stopniach Kelvinach, e - ładunek elektronu (1.6210^-19 C),

8 NA i NB - koncentracja swobodnych elektronów w metalach A i B,

AA i BB - prace wyjścia elektronu z metali A i B.

Siła termoelektryczna Thomsona (ET) powstająca w przewodzie, którego końce znajdują się w dwóch różnych temperaturach T1 i T2 nie zależy od długości przewodów i opisana jest zależnością

 





2

1

T

T

1 2

T dT T T

E ,

gdzie  - współczynnik Thomsona (V/K).

Wypadkowa siła termoelektryczna dla rozpatrywanego obwodu równa jest zatem

 _{1 2} _{1 2}

A B B TB A

2 p TA 1

p T T c T T

N lnN e E k E E E

E    

 



  









 , (8.6)

gdzie c – stała.

Spadek napięcia na rezystancji obwodu powodowany przepływem prądu będącego wynikiem działania wypadkowej siły termoelektrycznej E jest zgodnie z II prawem Kirchhoffa równy sile E. W efekcie suma napięć w obwodzie równa jest zero. Rozcinając obwód w dowolnym miejscu (rys.8.6.b) doprowadzamy do zaniku prądu i do powstania na przerwie różnicy potencjałów równej sile termoelektrycznej E.

Zależność (8.6) sugeruje liniową zależność wypadkowej siły termoelektrycznej E od różnicy temperatur (T1-T2). W warunkach praktycznych uzyskane zależności różnią się od liniowej. Na rysunku 8.7 przedstawione są charakterystyki przykładowych termoogniw. Z ich przebiegu wynika, że skład materiałowy termoogniwa determinuje czułość oraz liniowość charakterystyki przetwarzania termoelementu.

Stosując obwód składający się z dwóch metali do pomiaru temperatury zakłada się stałość temperatury jednego z końców przyjmując jego temperaturę jako temperaturę odniesienia.

0 400

-200 800 1200 1600

70 60 50 40 30 20 10 0

E[mV]

T[ C]^o

Chrom el-Kopel

J(Fe-CuNi)

K(NiCr-NiAl)

R(PtRh13-Pt) B(PtRh30-PtRh6) T(Cu-CuNi)

Rys.8.7. Zależności siły termoelektrycznej od temperatury dla wybranych termoogniw.

Dzięki takiemu założeniu wypadkowa siła termoelektryczna jest funkcją mierzonej temperatury. Aby wykorzystać w praktyce właściwości pomiarowe obwodu dwóch metali konieczne jest włączenie przyrządu mierzącego występującą siłę termoelektryczną lub proporcjonalny do niej spadek napięcia. Włączenie dowolnego przyrządu równoznaczne jest z wprowadzeniem do obwodu trzeciego metalu C, z którego wykonane są przewody łączące przyrząd z obwodem oraz obwód wewnętrzny przyrządu. Można wykazać, że wprowadzenie do obwodu metali 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 takiej samej temperaturze. Zależność ta nosi w literaturze nazwę prawa trzeciego metalu.

Realizacja praktyczna pomiaru temperatury za pomocą termoogniwa wymaga rozwiązania trzech zasadniczych problemów:

- doboru właściwych metali oraz odpowiedniej konstrukcji mechanicznej,

9 - sposobu ustalenia temperatury odniesienia,

- metody pomiaru siły termoelektrycznej.

Metale wybierane do budowy termoogniwa powinny być zlokalizowane możliwie daleko od siebie w szeregu elektrochemicznym metali, zapewnia to uzyskanie dużego poziomu sygnału użytecznego. Dodatkowo wybrane metale powinny charakteryzować się: dużą odpornością na zmienne warunki atmosferyczne, małą rezystywnością, małym współczynnikiem cieplnym zmian rezystancji, liniową zależnością siły termoelektrycznej od temperatury, wysoką temperaturą topnienia i stabilnością swoich właściwości fizykochemicznych w czasie. Nie bez znaczenia jest możliwość łatwego uzyskiwania powtarzalnych parametrów poszczególnych termoogniw w procesie produkcyjnym.

W tablicy 8.2 przedstawiony jest wyciąg z normy PN-81/M-53854, dla ograniczonego zakresu temperatur, w postaci stabelaryzowanych charakterystyk kilku wybranych termoogniw. Przedstawione w tablicy zakresy temperatur pokrywają się z zakresami, w których czujniki będą badane w ramach ćwiczenia.

Tab.8.2 Temp

eratur a [C]

PtRh1 0-Pt

PtRh3 0- PtRh6

Cu- CuNi

NiCr- NiAl

Fe- Kons

t

Chrom -Kopel

Siła termoelektryczna E [mV]

0 0 0 0 0 0 0

10 0.055 -0.002 0.391 0.397 0.52 0.65 20 0.113 -0.003 0.789 0.798 1.05 1.31 30 0.173 -0.002 1.196 1.203 1.58 1.98 40 0.235 0 1.611 1.611 2.11 2.66 50 0.299 0.002 2.035 2.022 2.65 3.35 60 0.365 0.006 2.467 2.436 3.19 4.05 70 0.432 0.011 2.908 2.850 3.73 4.76 80 0.502 0.017 3.357 3.266 4.27 5.48 90 0.573 0.025 3.813 3.681 4.82 6.18 100 0.645 0.033 4.277 4.095 5.37 6.88

Najdokładniejszym termogniwem jest czujnik PtRh-Pt ze względu na bardzo dobrą stałość parametrów. Stosowany jest do pomiaru temperatury w zakresie (01300)C. Jego najistotniejszą wadą jest mała czułość (511)V/K. Termoogniwo NiCr-Ni charakteryzuje się bardzo dobrą liniowością i dużą czułością rzędu 40V/K. Stosowany jest do pomiaru temperatur od 0 do 1000C. W zakresie pomiarów temperatur średnich (200+700)C najczęściej wykorzystywane jest termoogniwo Fe-CuNi (żelazo - konstantan) charakteryzujące się stosunkowo dużą czułością rzędu 50V/K. Termoogniwem bardzo popularnym głównie ze względu na możliwość wykonania w warunkach laboratoryjnych jest Cu-CuNi o zakresie temperatur przetwarzanych (200  +700)C.

Spoina termoogniwa wykonywana jest najczęściej przez spawanie, skręcanie lub zgrzewanie dwóch drutów. Zgodnie z prawem trzeciego metalu końce drutów mogą być lutowane. Termoogniwa są stosowane zazwyczaj do pomiarów wysokich temperatur niekiedy w środowisku agresywnym, w którym materiały spoin mogą ulegać wpływom chemicznym. Z

10 tego też względu w wykonaniach przemysłowych czujnik umieszczany jest w osłonie metalowej lub ceramicznej.

Jednym z zasadniczych problemów przy pomiarach temperatury z wykorzystaniem termoogniw jest zapewnienie stałości temperatury spoiny odniesienia co niekiedy wymaga odsunięcia jej możliwie daleko od spoiny pomiarowej. Ze względu na koszt nie jest celowe stosowanie bardzo długich przewodów doprowadzających wykonanych z tego samego materiału co metal termoogniwa. Dlatego spoinę odniesienia łączy się z spoiną pomiarową za pomocą tzw. przewodów kompensacyjnych. Przewody te wykonane są z metali nie wprowadzających do obwodu pomiarowego dodatkowych sił termoelektrycznych.

Przykładowo dla termoogniwa PtRh-Pt przewód kompensacyjny dodatni wykonany jest z miedzi, a ujemny ze stopu miedzi z niklem.

8.5. Własności dynamiczne czujników temperatury

Podstawowym problemem, z którym spotykamy się przy pomiarach temperatury jest niekiedy bardzo duża bezwładność cieplna czujników. Bezwładność ta jest determinowana głównie przez rodzaj obudowy w której instalowany jest czujnik. Znajomość podstawowych własności dynamicznych czujnika konieczna jest ze względu na:

- ustalenie niezbędnego czasu pomiaru w przypadku pomiarów dorywczych,

- wyznaczenie błędów dynamicznych mające na celu dobór właściwego czujnika temperatury,

- wyznaczenie rzeczywistych przebiegów temperatury mierzonej,

- opracowanie właściwego układu pomiarowego współpracującego z czujnikiem, - opracowanie członów korekcyjnych w układach regulacji temperatury.

Parametrem, który charakteryzuje w sposób całościowy własności dynamiczne czujnika jest jego stała czasowa . Fizyczna interpretacja stałej czasowej może być przedstawiona jako czas po upływie którego, rezystancja termorezystora bądź siła termoelektryczna termoogniwa przy skokowej zmianie temperatury osiągnęłaby wartość ustaloną, gdyby prędkość zmiany była stała i równa prędkości zmiany w chwili początkowej. Przystępując do opisu podstawowych właściwości dynamicznych czujnika załóżmy, że mamy do czynienia z czujnikiem bez obudowy. Takiemu czujnikowi możemy przyporządkować newtonowski model ciała termometrycznego, dla którego wymiana ciepła z otoczeniem odbywa się drogą wnikania przez powierzchnię zewnętrzną. Szybkość zmian ciepła (dQ/dt) czujnika opisuje równanie Newtona o postaci

T_x T_o

dt S

dQ   , (8.7)

gdzie:  - jednostkowy współczynnik wymiany ciepła, S - pole powierzchni czujnika,

T_x- temperatura otoczenia, T_o- temperatura czujnika.

Przyrost ciepła czujnika opisany jest zależnością

mdT c

dQ _w , (8.8)

gdzie: m - masa czujnika,

cw - ciepło właściwe materiału czujnika.

Podstawiając zależność (8.8) do równania (8.7) otrzymamy równanie różniczkowe liniowe pierwszego rzędu (8.9) opisujące zmiany temperatury czujnika

11

x o o

w T T

dt dT S

m

c  

 . (8.9)

Stała czasowa czujnika wynosi =cwm/S, a transmitancja operatorowa

 s T(s)/T s 1/(1 s ) K  _{o x}    .

Wykorzystany model dynamiczny może być stosowany jedynie dla ciał termometrycznych, których liczba Biota spełnia warunek

Bi=αd/, (8.10)

gdzie: d - wymiar charakterystyczny ciała termometrycznego,

 - przewodność cieplna materiału).

Model elektryczny (rys.8.8) czujnika temperatury bez obudowy jest typowy układ szeregowy RC, gdzie rezystancja R odpowiada oporowi cieplnemu (1/S), zaś pojemność C pojemności cieplnej (cwm).

R

C

Rys.8.8. Schemat elektryczny czujnika temperatury bez obudowy: R1/S, CmC.

W warunkach praktycznego pomiaru czujnik jest zawsze osłonięty różnego rodzaju osłonami zależnymi od przeznaczenia danego czujnika. Stosowanie osłony zmienia w sposób zdecydowany właściwości dynamiczne czujnika. Najprostszym modelem elektrycznym czujnika w obudowie jest kaskadowe połączenie członów RC. Opisując własności dynamiczne czujnika można założyć, że pojemności cieplne skupione są w osłonach czujników, a rezystancje cieplne w przejściach pomiędzy ośrodkiem o temperaturze Tx a osłoną oraz w warstwach powietrza pomiędzy osłonami i materiałem czujnika. Transmitancja czujnika wielowarstwowego (np. w osłonie przeciwwybuchowej), którego modelem elektrycznym jest kaskadowe połączenie dwóch członów RC (R1C1,R2C2), przedstawiona jest zależnością

  s R CR C sR C R C R C  1 s 1

K

2 1 2 2 1 1 2 2 1

2 1    

 (8.11)

Stałe czasowe dla takiego układu nie są równe odpowiednim iloczynom pojemności cieplnej i rezystancji cieplnej osłon i materiału czujnika. Doświadczalnie wyznaczone wartości znacznie różnią się od danych wyznaczonych teoretycznie. Wynika to głównie z wzajemnego oddziaływania na siebie poszczególnych elementów czujnika.

Na rysunku 8.9 przedstawiono charakterystykę czasową odpowiedzi dla dwóch rodzajów czujników (a - czujnik bez obudowy, b - czujnik w obudowie) na jednostkowy skok temperatury.

Przyjęty uproszczony model zjawisk nie odzwierciedla złożonego charakteru zachodzących procesów, dlatego najlepszą metodą określania właściwości dynamicznych czujników temperatury jest doświadczalne badanie ich w warunkach zbliżonych do rzeczywistych warunków pracy.

12 0.632R

R

0 

Styczna w początku ukł. współrzędnych

t R_k

R_p

R = R - R

Rys.8.9. Graficzny sposób wyznaczania stałej czasowej czujników przy skokowej zmianie mierzonej temperatury.

Osobnym problemem jest poprawa własności dynamicznych czujników temperatury poprzez wprowadzenie układów korekcji dynamicznej. Układy te umożliwiają zmniejszenie czasu ustalania się wyniku pomiaru, a tym samym czasu trwania pomiaru. Zagadnienie to nabiera szczególnego znaczenia w szybkozmiennych procesach technologicznych gdzie konieczna jest znajomość rzeczywistego przebiegu zmian temperatury obiektu. Najczęściej korekcję przeprowadza się wprowadzając w obwód pomiarowy człon różniczkujący typu PD.

8.6. Pomiary

Układ pomiarowy, którego schemat blokowy przedstawiono na rys.8.10, przeznaczony jest do badania czujników temperatury. Układ ten zapewnia możliwość przeprowadzenia badań właściwości statycznych i dynamicznych wszystkich typów czujników temperatury.

Układ pomiarowy składa się z regulatora temperatury wraz z termostatem, interfejsu pomiarowego, czujników temperatury oraz komputera z oprogramowaniem sterującym pomiarami. Dodatkowym elementem układu pomiarowego jest naczynie z kąpielą odniesienia.

Regulator temperatury umożliwia zmianę temperatury cieczy w naczyniu, w którym zanurzone są czujniki, a termostat utrzymuje jej zadane wartości. Zakres zmian temperatury wynosi (20100)C z minimalną rozdzielczością 0.1C.

Rys.8.10. Schemat blokowy systemu pomiarowego.

13 Ponieważ sygnały z czujników i przetworników pomiarowych nie spełniają wymagań stawianych przez uniwersalną kartę pomiarową (tzn. standard i zakres zmienności sygnału), wymagane jest ich dostosowanie w systemach kondycjonowania sygnału. Polega to najczęściej na: wzmocnieniu sygnału; zmianie standardu (prądowy → napięciowy), napięciowy symetryczny na niesymetryczny, linearyzacji sygnału, filtracji itd. W przypadku użycia do pomiaru temperatury na stanowisku laboratoryjnym czujników parametrycznych i generacyjnych taki układ jest niezbędny.

Czujniki zastosowane na stanowisku pomiarowym:

- Czujniki rezystancyjne (Pt100, Ni100), - Czujniki generacyjne typu J, K,

- Termistor NTC.

Czujniki generacyjne dają bardzo małe napięcia rzędu kilku mV w zakresie temperatur od 0⁰C do 99,9⁰C. Należy, więc odpowiednio wzmocnić sygnał podawany z czujników na kartę.

Czujniki rezystancyjne wymagają zasilania prądowego, aby zmiany rezystancji pod wpływem temperatury przedstawić za pomocą sygnału napięciowego.

Wykonany układ kondycjonowania składa się z:

- 3 źródeł prądowych (rys. 8.10a),

- 2 wzmacniaczy napięciowych o wzmocnieniu 20dB (rys. 8.10b).

a) b)

Rys.8.11. Schematy ideowe układu kondycjonowania sygnału pomiarowego z czujników temperatury zamiana rezystancji na sygnał napięciowy a) oraz wzmacniacz napięciowy dla termopar.

8.6.1. Pomiar charakterystyk statycznych przy użyciu programu Labview.

W celu przeprowadzenia pomiarów należy uruchomić aplikację „Pomiar temperatury”

znajdującą się na pulpicie. Po otworzeniu aplikacji pojawi się menu wyboru. Wybieramy opcję „Pomiar charakterystyk statycznych”. Pomiar charakterystyk statycznych czujników temperatury przy użyciu programu Labview zostanie przeprowadzony jednocześnie dla wszystkich czujników rys. 8.12.

14

Rys. 8.12. Panel czołowy programu do pomiaru charakterystyk statycznych

Rys. 8.13. Pole ustawień początkowych

Przed rozpoczęciem pomiarów należy określić zakres zmian temperatury oraz ustalić rozdzielczość pomiarów. Dane te wprowadzanie są w polu ustawień początkowych aplikacji Labview jak na rys. 8.13 należy zatwierdzić przyciskiem „OK”.

Kontynuując pomiary zgodnie z wyświetlonym komunikatem ustawiamy kolejną wartość temperatury w łaźni zwiększoną o zadany krok. Czerwona lampka sygnalizuje oczekiwanie na ustalenie się żądanej temperatury a w polu podglądu temperatury możemy oglądać jej aktualną wartość . Po osiągnięciu zadanej wartości temperatury program powiadomi odpowiednim komunikatem, a po zatwierdzeniu go, możemy dokonać pomiaru wciskając przycisk „Pomiar” rys. 814.

Rys. 8.14. Pole podglądu temperatury i pomiaru

15 Program dalej powiadomi o kolejnej wartości temperatury, którą należy ustalić w łaźni aby kontynuować pomiary. Badanie kończymy uzyskując dane dla temperatury końcowej zadanej przez prowadzącego.

Uzyskane dane pomiarowe wraz ze zdjęciami charakterystyk dla odpowiednich czujników zapisujemy przy pomocy przycisków „Zapisz dane” i „Zdjęcia wykresów” (pojawienie się przycisków odpowiedzialnych za zapis zdjęć wykresów). Po zakończeniu pomiaru charakterystyk statycznych pojawi się komunikat czy chcemy dokonać pomiarów charakterystyk dynamicznych. Po zatwierdzeniu włączony zostaje program do pomiaru charakterystyk dynamicznych.

8.6.2. Pomiar charakterystyk dynamicznych

Rys. 8.15. Panel czołowy programu „Pomiar charakterystyk dynamicznych”.

Aby zbadać charakterystyki dynamiczne należy w możliwie zasymulować skokową zmianę temperatury. Parametry określające właściwości dynamiczne określa się przy skoku temperatury do około 80⁰C od temperatury otoczenia około 20⁰C (PN-83/M-53850).

Wystarczy, więc (co jest zgodne z obowiązującymi normami) przełożyć odpowiedni czujnik z zimnej do gorącej wody. Charakterystyki dynamiczne wybranych czujników temperatury zdjęte zostaną przy pomocy komputera ze specjalnym oprogramowaniem.

Panel czołowy programu przedstawiony jest na rys.8.15. Program realizuje pomiary dla każdego czujnika osobno. Na panelu czołowym programu znajdują się:

- Przyciski – umożliwiające sterowanie procesem pomiarowym, - Wskaźnik – obrazujący charakterystyki dynamiczne czujników,

- Okno z wyliczonymi stałymi czasowymi czujników τ i czasami t0,5 t0,9.

Rozpoczęcie współpracy z programem rozpoczynamy od wyboru urządzenia pomiarowego. Po wybraniu urządzenia program przypomina nam o konieczności wyboru czujnika przez wyświetlenie okna komunikatu (rys.8.16).

16

Rys. 8.16. Okno komunikatu programu „Charakterystyki dynamiczne”

Wyboru czujnika dokonujemy na panelu czołowym w oknie „wybór czujnika” (rys.8.15).

Możemy wybrać jeden z 5 dostępnych czujników. Wybierając czujnik program automatycznie konfiguruje kartę pomiarową, wybiera kanał pomiarowy, z którego będą zbierane dane pomiarowe i ustala jego wzmocnienie.

Po wyborze czujnika możemy przystąpić do pomiaru odpowiedzi czujnika na skok temperatury. Dokonujemy tego przyciskając przycisk „Pomiar” na panelu czołowym programu. Wraz z naciśnięciem przycisku zapali się zielona kontrolka informująca nas, że program jest gotowy do realizacji pomiaru. Po naciśnięciu przycisku przekładamy wybrany czujnik z wody „zimnej” do „gorącej”. Algorytm „startu pomiaru” automatycznie wykrywa zmianę napięcia na badanym czujniku i jeśli zmiana ta jest większa od założonej wartości progu N rozpoczyna pomiar. Odpowiedź czujnika na wymuszoną zmianę temperatury w funkcji czasu jest na bieżąco wykreślana na wskaźniku w czasie pomiaru zgodnie z regułą

N x

x_i  _i1 

. (

)

Takie rozwiązanie eliminuje problem synchronizacji momentu startu pomiaru i naciśnięcia przycisku „Pomiar”.

Także problem końca pomiaru jest rozwiązany w sposób automatyczny. Algorytm końca pomiaru wykrywa moment w którym zmiany mierzonych wartości z okresu na okres są mniejsze niż założony próg K

K x

x_i _i1

. (

)

Jeśli powyższa nierówność jest spełniona następuje koniec pomiaru. Wraz z końcem pomiaru gaśnie zielona kontrolka, która informowała o trwającym pomiarze.

Po zakończeniu pomiaru jest wylicza stała czasowa τ oraz czasy t0,5 i t0,9. Stała czasowa jest wyliczana jako czas po jakim wartość odpowiedzi czujnika na wymuszoną zmianę temperatury osiągnie 0,632 wartości maksymalnej.

Przed pomiarem charakterystyki kolejnego czujnika należy zapisać dane pomiarowe w pliku tekstowym wciskając przycisk „Zapisz dane pomiarowe”. Istnieje możliwość zapisu zdjęcia charakterystyki dynamicznej czujnika. Aby dokonać powtórnie pomiaru charakterystyki dla wybranego czujnika należy wyczyścić poprzedni pomiar klikając na przycisk „CLEAR”. Aby dokonać kolejnego pomiaru należy wcisnąć przycisk „Następny pomiar”, wybrać czujnik a następnie nacisnąć przycisk „Pomiar”. Czynności przy badaniu kolejnych czujników są identyczne jak opisane wyżej.

Po zakończeniu procesu pomiarowego i zapisaniu danych pomiarowych możemy zakończyć działanie programu wciskając przycisk ”Wyjście z programu”.

8.6.3. Zadania do wykonania:

Wyznaczyć charakterystykę statyczną R = f(T) dla dwóch czujników rezystancyjnych, U = f(T) dla dwóch rodzajów termoogniw oraz R = f(T) dla termistora oraz czułość i czułośc względną w zakresie pracy.

Literatura

[1] A. Michalski, K. Eckersdorf: Pomiar temperatury. WNT,

17 Warszawa 1986.

[2] A. Chwaleba, J. Czajewski: Przetworniki pomiarowe wielkości fizycznych. Warszawa OWPW 1993.