Ćwiczenie 5
POMIARY TEMPERATURY I
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i zasady działania rezystancyjnych czujników
temperatury, układów połączeń czujnika z elektrycznymi układami przetwarzającymi oraz
metrologicznych właściwości przetworników i układów do pomiaru temperatury.
Zagadnienia
1. Klasyfikacja i zasady konstrukcji czujników termorezystancyjnych.
2. Statyczne i dynamiczne właściwości czujników temperatury.
3. Dwu-, trój- i czteroprzewodowe układy połączeń czujników termorezystancyjnych.
4. Czujnik rezystancyjny w układzie niezrównoważonego mostka prądu stałego.
5. Normalizacja sygnału w torze pomiarowym z czujnikiem termorezystancyjnym.
Program ćwiczenia
1. Wyznaczanie charakterystyk statycznych rezystancyjnych metalowych
i półprzewodnikowych czujników temperatury
1.1. WykorzystujÄ…c piec laboratoryjny z regulacjÄ… temperatury oraz rejestrator cyfrowy z
komputerem (rys. 1) wyznaczyć statyczne charakterystyki przetwarzania wybranych czujników
temperatury w zakresie zmian temperatury 20oC÷100oC. SporzÄ…dzić wykresy charakterystyk
czujników rezystancyjnych. Wyznaczyć czułość S czujników z liniowym modelem
charakterystyki. Program obsługi rejestratora podany jest w dodatkowej instrukcji.
Rys. 1. Układ z piecem laboratoryjnym do wyznaczania charakterystyk
statycznych czujników temperatury.
1
1.2. Na podstawie wyznaczonej charakterystyki termistora RT = Aexp(B/T) sporządzić wykres
zależności ln(RT) = f(1/T) i określić stałe materiałowe termistora A, B. Podać równanie
charakterystyki przetwarzania termistora RT = f(T). Obliczyć TWR termistora w temperaturze
Ń = 25°C.
2. Linearyzacja charakterystyki statycznej termistora NTC
2.1. Dla termistora o stałych materiałowych
A=1,8Å"10-2 &!,
B=3900 K,
oraz charakterystyce statycznej podanej punktowo w tablicy
[oC] 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Ń
RT 6,89 6,33 5,83 5,37 4,95 4,57 4,22 3,90 3,61 3,35 3,11
[k&!]
w celu linearyzacji charakterystyki dobrać wartości rezystora R1 (na podstawie wzoru 1)
doÅ‚Ä…czonego równolegle z termistorem RT (rys. 2). ZaÅ‚ożyć linearyzacjÄ™ w przedziale 30 ÷ 50°C
(Ta = 303 K, Tb=313 K, Tc = 323 K). Wyznaczyć doświadczalnie (zadając wartości RT=f(Ń) za
pomocą rezystora dekadowego) oraz narysować charakterystyki Uwy= f(T) (dla termistora RT
oraz równolegÅ‚ego poÅ‚Ä…czenia RT i R1) w przedziale 303 ÷ 323 K.
Wartość rezystancji R1 obliczona dla Tc - Tb = Tb - Ta z warunku stałości przyrostów
rezystancji układu zastępczego wynosi:
Rb(Ra + Rc )- 2Ra Rc
R1 = (1)
Ra + Rc - 2Rb
2.2. Wyznaczyć i porównać błędy liniowości dla obydwu badanych układów w zakresie
303÷323K.
2
Rys. 2. Zasada linearyzacji charakterystyki statycznej termistora: a) schemat linearyzacji w układzie
równoległym; b) charakterystyki ilustrujące zasadę linearyzacji.
3. Sprawdzanie właściwości dwu- i trójprzewodowych układów połączeń czujnika
z przetwornikiem temperatury APTR2
3.1. Sprawdzić wpływ zmian rezystancji linii na prądowy sygnał wyjściowy przetwornika w dwu-
i trójprzewodowym układzie połączeń czujnika Pt100 z przetwornikiem temperatury (rys. 3).
Przygotować przetwornik do pracy w układzie dwuprzewodowym. Wyznaczyć bezwzględne
błędy wskazań "Ń dla trzech temperatur czujnika Ńx (0oC, 100oC, 200oC) dla rezystancji linii
RL=2&!. Do symulacji rezystancji linii RL zastosować podwójne rezystory dekadowe. Do
symulacji charakterystyki RŃ(Ń) czujnika Pt100 zastosować rezystor wielodekadowy. Wartość
rezystancji dodatkowego obciążenia Ro ustawić równą zero.
3
Powtórzyć czynności dla układu trójprzewodowego. Ocenić właściwości obydwu układów.
Rys.3. Schemat układu do badania przetwornika APTR2: a) połączenie czujnika linią dwuprzewodową;
b) połączenie czujnika linią trójprzewodową
4. Badanie toru pomiarowego z transmisjÄ… prÄ…dowÄ…
4.1. Sprawdzić wpływ zmian rezystancji dwuprzewodowej linii transmisyjnej na błąd
przetwarzania
temperatury w sygnaÅ‚ prÄ…dowy z przedziaÅ‚u 4÷20 mA. W tym celu w ukÅ‚adzie z rys. 3 dla linii
trójprzewodowej łączącej czujnik z przetwornikiem temperatury (RL=2&!) ustawić RŃ=138,5 &!
(Ń=100oC) a następnie zmieniając rezystancję dodatkowego obciążenia Ro od 0 do Rogr
wyznaczyć Rogr odpowiadającą 1% wartości błędu wskazania miliamperomierza cyfrowego
odniesionej do zakresu zmian prądu wyjściowego.
5. Pomiary właściwości metrologicznych przetwornika temperatura/napięcie
5.1. Dla mostkowego przetwornika Ń/U z czujnikiem Pt100 i czteroprzewodowym układem
poÅ‚Ä…czeÅ„ (rys. 4) wyznaczyć charakterystykÄ™ Uwy=f(Ń) w zakresie zmian temperatury 0÷100°C.
Do symulacji zmian rezystancji czujnika Pt100 zastosować wzorcowy rezystor dekadowy.
Sprawdzić wpływ zmian rezystancji przewodów łączeniowych na wartość wskazywanego
napięcia. Ocenić błąd liniowości charakterystyki względem charakterystyki nominalnej
Uwy [mV] = 1 [mV/°C] " Ń [°C]. Scharakteryzować mostek użyty do budowy przetwornika.
RL
Uz = 15 V
R2 R3
R2 = 100 &!
RL
Uwy
R3 = 5.54 k &!
R4
R4 = 5.54 k &!
RL
Uz
RŃ Pt100
RL
4
Rys.4. Mostkowy przetwornik Ń/U czujnikiem Pt100.
6. Ocena dokładności toru do pomiaru temperatury
6.1. Zapoznać się z elementami toru pomiarowego (rys. 5) składającego się z rezystora
termometrycznego Pt100, przewodów łączeniowych (RLH"0), przetwornika RŃ/U
(APR 135),woltomierza cyfrowego. Zanotować dane znamionowe przetworników i woltomierza.
Dokonać pomiaru temperatury Ńx w piecu laboratoryjnym. Zaobserwować zmiany mierzonej
temperatury. Dla wykorzystywanego toru pomiarowego obliczyć graniczny błąd pomiaru
temperatury Ńx.
piec
laboratoryjny
0 ÷200 °C 0 ÷ 10 V
RL przetwornik
2
VC
Ńx RŃ/U
1
Un=10V
APR135
RL
Pt100
Rys. 5. Schemat blokowy toru pomiarowego z czujnikiem Pt100.
7. Badanie cyfrowego miernika temperatury
7.1. Objaśnić działanie cyfrowego miernika temperatury przedstawionego na rysunku 6.
Wskaz
nik LED
o
C
220
+
HI
UR2 36
US1
- UR
R3
LO
35
16,5 k&!
I=1mA
Woltomierz
31
HI
cyfrowy
R1 R2
619 &!
100 k&! ICL7107
Uwe
30
LO
RŃ Pt 100 UR1
21
Rys. 6. Schemat uproszczony termometru cyfrowego.
7.2. Obliczyć wartości napięć UR1 i UR2 jeżeli układ posiada zamodelowaną charakterystykę
przetwarzania:
5
R -100
Ń
N =1000
392 - 0,165(R -100)
Ń
gdzie: RŃ jest rezystancją czujnika Pt100 w temperaturze Ń w &!.
7.3. W układzie pomiarowym przedstawionym na. rys. 7 wykorzystując kalibrator termorezystancji
(KT) i krótką dwuprzewodową linię połączeniową wyznaczyć błędy wskazań badanego
termometru cyfrowego (TC) w zakresie -199.9 oC ÷+199,9 oC. Przedstawić wykreÅ›lnie zależność
Ńw-Ńz=f(Ńz).
HI
KT TC
L0 RŃ
Ńz Ńw
Rys. 7. Układ do badania termometru cyfrowego.
Pytania kontrolne
1. Porównać właściwości metrologiczne rezystancyjnych czujników temperatury.
2. Omówić definicje i wyznaczanie czułości i nieliniowości czujników.
3. Podać zasady linearyzacji charakterystyki statycznej termistora.
4. Omówić właściwości dwu- i trójprzewodowych układów połączeń czujnika rezystancyjnego
z układem pomiarowym.
5. Przedstawić zasadę normalizacji sygnału w torze pomiarowym z czujnikiem
termorezystancyjnym.
6. Omówić właściwości metrologiczne mostkowych przetworników temperatury z czujnikami
Pt100 i Ni100.
7. Scharakteryzować zalety i wady transmisji prądowej sygnałów.
8. Wymienić składowe błędu pomiaru temperatury w torze pomiarowym z termorezystorem.
Literatura
1. Dyszyński J. Laboratorium miernictwa wielkości nieelektrycznych. Skrypt PRz, Rzeszów 1974.
2. Jaworski J. Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych. Skrypt PW, Warszawa 1973.
3. Miłek M. Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi. OW Politechniki
Zielonogórskiej. Zielona Góra 1998.
4. Kuz
ma E. Termometria termistorowa. PWN 1974.
5. A
apiński M. Pomiary elektryczne i elektroniczne wielkości nieelektrycznych. WNT 1974.
6. Michalski L., Eckersdorf K. Pomiary temperatury. WNT 1986.
7. Romer E. Miernictwo przemysłowe. PWN 1970.
6