Metrologia Przemysłowa - laboratorium

Ćwiczenie 5

BŁĘDY INSTALACYJNE TERMOMETRÓW

TERMOELEKTRYCZNYCH

Instrukcja laboratoryjna

„Człowiek - najlepsza inwestycja”

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Warszawa 2009

2

Ć

wiczenie 5

„Bł

ę

dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

1 WSTĘP

Podstawowym problemem przy projektowaniu instalacji do pomiaru temperatury za pomo-

cą termometrów termoelektrycznych jest pozbycie się wpływu szkodliwych napięć generowa-
nych na złączach instalacji. Do tego celu stosowane są specjalne przewody kompensacyjne

Celem ćwiczenia jest poznanie źródeł błędów występujących przy pomiarze temperatury

termometrami termoelektrycznymi na drodze teoretycznej oraz doświadczalne wyznaczenie
wartości błędów wynikających z niewłaściwego dobrania przewodów kompensacyjnych dla
danego termoelementu.

2 ŹRÓDŁA BŁĘDÓW TERMOMETRÓW TERMOELEKTRYCZNYCH

Błąd pomiaru temperatury termometrem termoelektrycznym składa się z:

a)

podstawowego błędu miernika napięcia generowanego przez termoelement lub
przetwornika tego napięcia na sygnał standardowy

b)

błędów dodatkowych miernika/przetwornika wynikających z zainstalowania
go w innych warunkach niż przewidziane dla tego rodzaju przyrządu

c)

błędu samego termoelementu, który może przybierać dowolne wartości w gra-
nicach tolerancji określonych przez normę

d)

błędów wnoszonych przez obwód zewnętrzny układu pomiarowego.

W praktyce błędy wnoszone przez obwód zewnętrzny układu pomiarowego są często lek-

ceważone. Błędy te wynikają przede wszystkim ze sposobu podłączenia termoelementu do
przyrządów współpracujących i często są wielokrotnie większe niż błędy samego miernika lub
przetwornika.

Najczęściej spotykane błędy instalacyjne to:

a)

umieszczenie miernika/przetwornika w miejscu o zmiennej temperaturze

b)

błędy spowodowane zmianą temperatury spoin odniesienia, co najczęściej
ma miejsce z braku odpowiedniego termostatu spoin odniesienia lub braku
kompensacji temperatury spoin odniesienia

c)

niewłaściwe wyzerowanie miernika/przetwornika bez uwzględnienia rze-
czywistej temperatury odniesienia

d)

niedopasowanie rodzaju przewodów do typu termoelementu

e)

nie zachowanie zgodności biegunów przy połączeniu przewodami kompen-
sacyjnymi czujnika z miernikiem

f)

nie dopasowanie rezystancji obwodu zewnętrznego do miernika

g)

szkodliwe napięcia termoelektryczne lub elektrochemiczne generowane po-
przez wykonywanie połączeń przewodami i zaciskami wykonanymi z róż-
nych materiałów.

Poza wyżej wymienionymi źródłami błędów ważny jest też sposób zabudowania czujnika

na obiekcie, którego temperatura jest przedmiotem pomiaru. Czujnik zwykle umieszczony jest
w osłonie (tulei termometrycznej), przez którą następuje odprowadzanie ciepła do otoczenia

Ć

wiczenie 5

3

„Bł

ę

dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

lub odwrotnie. Wskutek tego temperatura spoiny pomiarowej różni się od temperatury w
miejscu pomiaru.

Dla zmniejszenie tych efektów należy stosować tuleje o możliwie dużej głębokości zanu-

rzenia, ok. 15 średnic zewnętrznych tulei. Jeżeli z uwagi na małą średnicę rurociągu warunek
ten jest trudno spełnić, można czujnik zamontować pochylony pod kątem ok. 45

°

lub zamon-

tować go na łuku (rys. 1).

Ponadto należy zaizolować cieplnie wystającą część tulei, jeśli pomiar jest w rurociągu ko-

rzystnie jest zaizolować cieplnie także fragment rurociągu w sąsiedztwie czujnika temperatu-
ry.

Przy pomiarze wysokich temperatur czujniki należy instalować pionowo.

Korzystne jest też zastosowanie osłon zabezpieczających czujnik przed promieniowaniem.

Duża liczba źródeł błędów (a wymienione powyżej to tylko te najczęściej występujące w

praktyce) powoduje, że dokładne pomiary temperatury za pomocą termometrów termoelek-
trycznych możliwe są tylko przy spełnieniu wymagań co do ich instalacji i użytkowania.

3 WPŁYW TEMPERATURY SPOIN ODNIESIENIA

Na każdym styku dwóch różnych przewodnikach powstaje napięcie termoelektryczne za-

leżne od temperatury. Miernik reaguje na sumę tych napięć.

Rys. 1 Sposoby zabudowy
czujnika termometru

4

Ć

wiczenie 5

„Bł

ę

dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

1

T

A

B

Cu

mV

Cu

T

0

Rys. 2. Schemat podstawowy termometru termoelektrycznego

W układzie wg rys. 2 napięcie to jest równe

( )

( )

0

1

T

e

T

e

E

AB

AB

−

=

(1)

Przyjęto założenie, że obydwa wolne końce termoelementu znajdują się w tej samej tempe-

raturze T

0

. Założenie to jest słuszne, gdy obydwa wolne końce termoelementu znajdują się w

takiej samej temperaturze. Założenie to jest spełnione, gdy obydwa końce znajdują się blisko
siebie, co zazwyczaj jest spełnione.

Jeżeli miernik musi być z jakichś względów oddalony od obiektu, którego temperatura jest

mierzona, połączenia wykonuje się przewodami kompensacyjnymi (rys. 3).

A

T

1

B

mV

Cu

Cu

0

T

T

g

a

b

Rys. 3. Układ połączeń termoelementu za pomocą przewodów kompensacyjnych

Wypadkowa wartość napięcia termoelektrycznego w takim układzie wynosi

( )

( ) ( )

( )

0

1

T

e

T

e

T

e

T

e

E

ba

g

aA

g

Bb

AB

+

+

+

=

(2)

Ć

wiczenie 5

5

„Bł

ę

dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Jeżeli materiały termoelektrod i przewodów kompensacyjnych są takie same, a więc A = a

oraz B = b to wówczas

( )

( )

0

0

T

e

T

e

AB

ab

=

( )

0

=

g

Bb

T

e

( )

0

=

g

aA

T

e

i równanie (2) przyjmie postać

( )

( )

0

1

0

T

e

T

e

E

AB

AB

−

=

(3)

Jeżeli warunek ten nie jest spełniony, to powstanie błąd

0

1

E

E

E

−

=

∆

(4)

Jeżeli przewody kompensacyjne nie zostaną dobrane prawidłowo, to należy uwzględnić

wszystkie składniki równania (2).

Dla uniknięcia błędów spowodowanych niewłaściwym doborem przewodów kompensa-

cyjnych są one oznaczane za pomocą barwnych pasemek wplecionych w ekran przewodu (rys.
4).

Oznaczenia te są znormalizowane w skali międzynarodowej.

W przypadku wątpliwości należy sprawdzić przynajmniej jeden punkt charakterystyki ter-

moelementu wraz z przewodami kompensacyjnymi.

Rys. 4 Oznaczenia barwne przewodów kompensacyjnych

4 BŁĄD POMIARU TEMPERATURY SPOWODOWANY NIEZGODNOŚCIĄ

BIEGUNÓW PRZY WŁAŚCIWYCH PRZEWODACH KOMPENSACYJNYCH

6

Ć

wiczenie 5

„Bł

ę

dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Bardzo ważne jest zachowanie zgodności biegunów przewodów kompensacyjnych z

końcówkami termoelementu w głowicy czujnika temperatury. W przypadku niewłaściwego
połączenia w miejscach łączenia powstaną dodatkowe napięcia termoelektryczne błąd
wskazania będzie znacznie większy, niż gdyby zamiast przewodów kompensacyjnych za-
stosować powszechnie stosowane przewody miedziane.

T

1

B

A

T

g

b

a

mV

T

0

Cu

Cu

Rys. 5. Niezgodność biegunów przewodów kompensacyjnych przy połączeniu z termoelementem

( )

( )

( )

( )

( )

g

bA

Cb

aC

g

Ba

AB

T

e

T

e

T

e

T

e

T

e

E

+

+

+

+

=

0

0

1

2

(5)

Uwzględniając prawo trzeciego metalu otrzymujemy

( )

( ) ( )

( )

0

1

2

T

e

T

e

T

e

T

e

E

Ab

g

bA

g

Ba

AB

+

+

+

=

(6)

Błąd w tym przypadku wynosi więc

0

2

2

E

E

E

−

=

∆

(7)

5 BŁĄD POMIARU TEMPERATURY SPOWODOWANY REZYSTANCJĄ

OBWODU ZEWNĘTRZNEGO MIERNIKA

Błąd dodatkowy spowodowany zmiana rezystancji zewnętrznej wyraża się wzorem

(

)

0

t

t

R

R

R

t

W

Z

W

Z

R

−

+

∆

=

∆

(8)

gdzie

∆

R

Z

– zmiana rezystancji obwodu zewnętrznego, R

W

– rezystancja wewnętrzna mierni-

ka, R

Z

– znamionowa rezystancja zewnętrzna dla danego miernika, t

W

– temperatura wskazy-

wana, t

0

– temperatura odniesienia.

Ć

wiczenie 5

7

„Bł

ę

dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Z wzoru (8) wynika, że błąd dodatkowy jest tym mniejszy im większa jest rezystancja we-

wnętrzna miernika. Dla współczesnych mierników elektronicznych o dużej rezystancji we-
wnętrznej błąd ten jest pomijalny. Dla tradycyjnych mierników analogowych, stosowanych w
przypadkach, gdy chcemy zbudować układ pomiaru temperatury bez napięcia zasilającego,
błąd ten trzeba wziąć pod uwagę i skompensować, np. poprzez indywidualne wywzorcowanie
kompletnego układu pomiarowego.

6 PRZEBIEG ĆWICZENIA

Podczas ćwiczenia badane będą błędy wywołane niedopasowaniem przewodów kompensa-

cyjnych do danego termoelementu dwoma metodami: teoretycznie i doświadczalnie.

6.1

Część teoretyczna

Część teoretyczna obejmuje obliczenie wartości błędu przy połączeniu do głowicy termo-

elementu NiCr – NiAl niewłaściwie dobranych przewodów kompensacyjnych przy zastoso-
waniu wzorów (2), (3) i (4) oraz tablicy 2. Rodzaj przyłączanych przewodów kompensacyj-
nych wskaże prowadzący ćwiczenie.

0

T

1

T

A

B

T

g

mV

a

4

3

a

2

a

a

1

4

b

2

b

3

b

b

1

P

Rys. 6. Schemat układu pomiarowego:

T

1

– temperatura spoiny pomiarowej termoelementu,

A – termoelektroda termoelementu NiCr,

B – termoelektroda termoelementu NiAl,

a

1

, b

1

– przewody kompensacyjne do termoelementu NiCr – NiAl,

a

2

, b

2

– przewody kompensacyjne do termoelementu PtRh10 – Pt,

a

3

, b

3

– przewody kompensacyjne do termoelementu Fe – konstantan,

a

4

, b

4

– przewody kompensacyjne do termoelementu Cu – konstantan,

P – przełącznik przewodów.

8

Ć

wiczenie 5

„Bł

ę

dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

6.2

Część doświadczalna

W części doświadczalnej wyznaczana jest wartość błędu obliczonego w części teoretycz-

nej.

7 WYKONANIE POMIARÓW

1. Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem podanym na rys. 6.

2. Umieścić termoelement w piecu i podgrzewać jego spoinę pomiarową do temperatury

150 – 200

°

C, wygrzewać go przez okres ok. 30 minut.

3. Umieścić głowicę termoelementu z przyłączonymi przewodami kompensacyjnymi w

termostacie

4. Zmierzyć kolejno napięcia termoelektryczne za pomocą woltomierza cyfrowego, przy-

łączając kolejno przewody kompensacyjne od a

1

, b

1

do a

4

, b

4

. Wyniki pomiarów zano-

tować w tabelce, wykonując kolejno po 3 pomiary przy temperaturze głowicy T

g

równej

temperaturze otoczenia i temperaturze T

0

= 0

°

C.

5. Włączyć termostat i ustalić temperaturę głowicy T

g

= 50

°

C i zmierzyć wartość napięcia

termoelektrycznego jak w p. 4 po ustaleniu się wskazania, tj. po ok. 20 min.

6. Ustawić temperaturę w termostacie na wartość 100

°

C i wykonać pomiary jak w p. 4 i 5.

7. Wyznaczyć różnice wartości napięcia termoelektrycznego zgodnie z wzorem (4), gdzie

E

0

to wartość napięcia termoelektrycznego dla układu z prawidłowo dobranymi przewo-

dami kompensacyjnymi, tj. a

1

i b

1

.

8 OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA

W sprawozdaniu podać:

1.

Opis stanowiska pomiarowego i przebieg wykonywania ćwiczenia

2.

Wyniki obliczeń teoretycznych błędów dla wybranego układu pomiarowego

3.

Wyniki badań doświadczalnych (w tabelce)

Tablica 1. Wyniki pomiarów

Rodzaj termoele-

mentu

Rodzaj przewodów

kompensacyjnych

temperatura

°

C

Wartość śred-

nia błędu

T

1

T

g

T

0

mV

°

C

Ć

wiczenie 5

9

„Bł

ę

dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Tablica 2. Wartości napięcia termoelektrycznego różnych metali względem platyny w

temperaturze 100

°

C, przy temperaturze odniesienia równej T

0

= 0

°

C.

Metal

Napięcie ter-

moelektryczne

Kopel

-4,0

Konstantan

-3,51

Alumel

-1,29

Platyna

0

Platynorod PtRh10

+0,645

Miedź

+0,76

ś

elazo

+1,98

Chromel

+2,81

Bibliografia

[1] Pomiary cieplne, cz. 1. Praca zbiorowa. WNT, Warszawa, 1993

[2] Turkowski M. Przemysłowe sensory i przetworniki pomiarowe. Oficyna Wydawnicza

Politechniki Warszawskiej, wyd. 2000 lub 2002 r.