AGH Inżynieria Materiałowa w Elektrotechnice Laboratorium				Grupa 2: Gałęzia Paweł Gozdecki Bartosz Gwóźdź Rafał Jeż Michał Kielar Jakub Łukasik Adrian Pasoń Wojciech Prasil Grzegorz Radzik Jarosław Rudek Piotr Zaucha Maksymilian
^wydział EAIiIB	^rok akademi^cki 2013/2014		^rok studiów II
Temat: Badanie obciążalności prądowej przewodów w szerokim zakresie temperatur
^data wykonania 14.10.2013		^data zaliczenia			^ocena

I. Charakterystyka, cel i program ćwiczenia.

Charakterystyka

Ciepło wydzielające się w przewodniku podczas przepływy prądu elektrycznego jest częściowo w nim akumulowane, a częściowo oddawane do otoczenia. Efektem akumulacji ciepła jest wzrost temperatury przewodnika.

Obciążalność prądowa przewodników, jest to największa dopuszczalna gęstość prądu, która ma bezpośredni związek z maksymalną temperaturą pracy materiałów izolacyjnych, dopuszczalną bez ryzyka uszkodzeń.

Cel ćwiczenia:

- poznanie mechanizmów nagrzewania się przewodów w różnych warunkach otoczenia

- wyznaczenia charakterystyk nagrzewania przewodów przy przepływie prądu elektrycznego

- badanie wpływu warunków chłodzenia na obciążalność przewodów elektrycznych

Program ćwiczenia:

- wyznaczenie charakterystyk nagrzewania i chłodzenia v(t) przewodów izolowanych i nieizolowanych

- pomiary spadku napięcia na przewodach U(v) przy zadanym prądzie obciążenia.

- wyznaczenia zależności rezystancji przewodów od temperatury

II. Opis układu pomiarowego:

Schemat układu pomiarowego:

1. Badany przewód

2. Naczynie Dewara z badanym przewodem

3. Układ do pomiaru temperatury (termopara miedź- konstantan połączona z miliwoltomierzem)

4. Naczynie zawierające mieszaninę wody z lodem, z umieszczonymi końcówkami termopary

5. Układ zasilania

Termopara

Zasada działania termopar, które są przyrządami służącymi do pomiaru temperatury opiera się na zjawisku Seebecka. Główną zaletą tych urządzeń jest przetwarzanie bezpośrednio wielkości nieelektrycznej - temperatury, na wielkość elektryczną - napięcie. Pozwala to przesyłać sygnały na duże odległości, przetwarzanie i gromadzenie danych o temperaturze badanego obiektu, a także sterowanie różnymi procesami. Ponadto termopary są niezawodne, proste i tanie. Termopary odznaczają się dużą dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach. Wadą jest mechaniczna nietrwałość złącza pomiarowego i możliwość przepływu prądu poza obwodem termopary, gdy złącze nie jest izolowane. Izolacja złącza eliminuje ten efekt, ale wydłuża czas reakcji termopary na zmianę temperatury. Dlatego w pomiarach o dużej dynamice zmian stosuje się termopary bez osłony.

Z tego względu, są one znormalizowane i określane symbolami literowymi, jak: J, K, S, T, B, E, N, R ; na przykład

• typ J (kod koloru czarny) - to termopara żelazo/konstantan

• typ K (kolor żółty) - chromel/alumel

Wybór termopary zależy od zakresu mierzonej temperatury:

• termopara platyna/platyna + 10% radu, daje niskie napięcie, stosowana jest do 1700⁰C

• chromel/alumel - wykazuje bardzo dobrą liniowość napięcia od temperatury, stosowana jest do 1370 ⁰C

• żelazo/konstantan - stosowana jest do 760 ⁰C

• miedź/konstantan - stosowana jest do 400 ⁰C

Aby wyjaśnić działanie termopar, trzeba odwołać się do elektronowej budowy metali. Metal składa się z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną i swobodnych elektronów poruszających się pomiędzy jonami. Koncentracja elektronów swobodnych (to liczba elektronów w jednostce objętości) jest różna w różnych metalach i zależy od temperatury. Na styku dwóch metali przeskakują elektrony z metalu o większej koncentracji do metalu o mniejszej koncentracji w skutek czego jeden z metali ładuje się dodatnio, a drugi ujemnie. Powstające pole elektryczne przeciwdziała przepływowi ładunku. Ustala się stan równowagi dynamicznej. Różnica potencjałów powstająca na styku metali nazywana jest kontaktową różnicą potencjałów, a jej wartość zależy od rodzaju stykających się metali oraz temperatury złącza. 
Termopara składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów, spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia (np. mieszanina wody z lodem). W przypadkach, gdzie nie jest wymagana duża dokładność (dopuszczalny błąd rzędu kilku stopni), jako temperaturę odniesienia traktuje się np. temperaturę wnętrza szafy sterowniczej maszyny przemysłowej, określanej z pomocą czujnika innego niż termopara (jest to tzw. sztuczne zero). Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i „odniesienia”) powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur.

Kleszcze DIETZA
Jest rodzaj amperomierza prądu zmiennego z przekładnikiem prądowym, którego obwód magnetyczny może być otwierany dla wprowadzenia do kleszczy przewodu, w którym mierzy się prąd.

Jako przekładnik prądowy działa przewód z prądem mierzonym (jako uzwojenie pierwotne przekładnika), otwierany obwód magnetyczny (magnetowód), zbudowany z blach z materiału magnetycznie miękkiego oraz uzwojenie wtórne - cewka o dużej liczbie zwojów, umieszczona na nieotwieranej części magnetowodu.

Zasada działania:
Kleszcze Dietza korzystają z Prawo Ampère'a. Prąd mierzony, płynący w pojedynczym przewodzie powoduje, że przewód jest otoczony wyidukowanym polem magnetycznym, które następnie jest wychwytywane przez magnetowód, na którym jest umieszczona cewka - jest to uzwojenie wtórne przekładnika. Wartość tego pola zależy od wartości prądu. Zmienne pole magnetyczne indukuje prąd w cewce, następnie ten jest doprowadzony do amperomierza, który jest wyskalowany według prądu w uzwojeniu pierwotnym (czyli w przewodzie przechodzącym przez zaciśnięte kleszcze). Podczas pomiaru magnetowód musi być zamknięty. Kleszcze te umożliwiają jedynie pomiar prądu przemiennego. W ten sposób można zmierzyć prąd w przewodzie bez rozcinania go i bez naruszania izolacji.
Obecnie produkowane są multimetry cęgowe mające możliwość pomiaru nie tylko prądu przemiennego ale również prądu stałego, napięć stałych, przemiennych, rezystancji, pojemności, częstotliwości czy temperatury.

Symbole użyte w mierniku:

Ustrój magnetoelektryczny miernika w raz z prostownikiem


Próba napięciowa powyżej 500V (2kV)

50 Hz Częstotliwość


Mechanizm pomiarowy prądu przemiennego

Ciekły azot - symbol: LN2 - azot pierwiastkowy w stanie ciekłym. W otwartym naczyniu w warunkach normalnych czysty azot wrze w temperaturze −195,8 °C (77,35 K w zależności od czystości i aktualnego ciśnienia atmosferycznego w zakresie 77-78 K), a ulega zestaleniu przy −210,0 °C (63,14 K). Skroplenie azotu zostało dokonane po raz pierwszy 13 kwietnia 1883 roku przez profesorów UJ w Krakowie, Zygmunta Wróblewskiego i Karola Olszewskiego.

Współcześnie ciekły azot otrzymywany jest na wielką skalę przez skraplanie i parowanie frakcjonujące powietrza atmosferycznego. Używany jest w laboratoriach naukowych jako czynnik termostatyczny i chłodzący, a także źródło azotu gazowego do atmosfery ochronnej, syntezy amoniaku w procesie Habera. Przechowywany jest w naczyniach termostatycznych zwanych naczyniami Dewara.

III. Tabele z wynikami pomiarów:

Dla użytej termpary miedź-konstantal przelicznik temperaturowy wynosi - 0,04 [mV] na 1 [^oC]

Parametry badanej próbki:

Po dokonaniu pomiaru geometrycznych właściwości przewodu wyznaczamy jego rezystancję z zależności:

IV. Przebieg ćwiczenia, wnioski

Podczas ćwiczenia przepuszczaliśmy prąd 40A i 50A miedzianym przewodem o średnicy 2,7m.

Na zajęciach temperatura w której odbywał się pomiar była stała i wynosiła ok. 24°C. Aby mieć wpływ na zmianę warunków wpływających na wyniki, musieliśmy umieścić sprężynę w termosie. Badaliśmy wpływ czynników zewnętrznych na termoparę, oraz różne wartości nagrzewania się przewodu pod wpływem różnych wartości prądów płynących przez przewodnik.
Przy pierwszym pomiarze, włożyliśmy koniec termopary do termosu w którym była woda zmieszana z lodem. Zrobiliśmy to aby uzyskać temperaturę odniesienia bliską 0°C (przy kolejnych pomiarach powtarzaliśmy tę czynność).Następnie nastawiliśmy transformator tak, aby generował 40A przepływu prądu przez badaną próbkę. Notowaliśmy wyniki pomiarów napięcia i przeliczaliśmy na temperaturę- otrzymany wynik w mV należało przemnożyć przez współczynnik k=25, w wyniku czego otrzymywaliśmy temperaturę próbki. Podczas każdego pomiaru musieliśmy nieustannie regulować natężenie prądu; pomagały nam w tym kleszcze Dietza.

WNIOSEK Z POMIARU I:

Temperatura przewodu w pierwszym zanotowanym wyniku była taka sama z odpowiednią dokładnością jak temperatura otoczenia czyli 25°C. Po dwóch minutach temperatura wzrosła liniowo do 60°C

Po niewielkim czasie przy dużej wartości przepływu prądu temperatura potrafi wzrosnąć ponad dwukrotnie. Ma to duże znaczenie przy tworzeniu odpowiedniej izolacji do przewodu. Maksymalna temperatura, którą mógł osiągnąć nasz przewód to 60°C.

Po dojściu do temperatury granicznej zapisywaliśmy sposób chłodzenia się przewodów do momentu aż uzyska on 40°C. Przewody znacznie szybciej się nagrzewają niż chłodzą, jeżeli porównywać czas ogrzewania i schładzania. Schładzanie następuje również liniowo, ale wyraźnie z wydłużonym czasem oczekiwania na powrót do stanu pierwotnego (temperatury pokojowej/otoczenia).

Sposób drugiego pomiaru był powtórzony zmieniając jedynie wartość przepływającego prądu do 50A

WNIOSEK Z POMIARU II:

Podobnie jak w pierwszym pomiarze wzrost temperatury jest liniowy. Istotne jest to, że przy zwiększonej wartości przepływu prądu, przewód nagrzewa się znacznie wolniej- aby dojść do tej samej temperatury co przewód z 40A, przewód z 50A potrzebował 3 min. czyli o minutę dłużej.

Do pomiaru trzeciego użyliśmy do schładzania ciekłego azotu. Panuje tam temperatura rzędu -150°C. Dzięki temu mogliśmy pozwolić, aby przez ten sam przewód popłyną prąd rzędu 100A.

Wzrost temperatury jak wyżej jest funkcją liniową. Tym razem różnica temperatur jest znacząca bo między najmniejszą a największą wartością temperatury przewodu jest aż 120°C różnicy. Jest to bardzo ważne przy projektowaniu kabli- trzeba wziąć pod uwagę warunki w jakich będą one pracowały oraz prądy i napięcia, które mają być dzięki nim przetwarzane.

Prądy które badaliśmy są ogromne w porównaniu z tymi których używamy do celów komercyjnych (w codziennym użytkowaniu zwykłego człowieka). Możemy jednak je porównywać z tego powodu, że schładzaliśmy je ciekłym azotem. Jeżeli w przedmiotach codziennego użytku mamy styczność z prądami max 500mA ale bez dodatkowego schładzania, bardzo istotną kwestią jest konstruowanie odpowiednich izolacji tak, aby wytrzymywały one duże (stosunkowo) zmiany cieplne w przewodzie).

Patrząc na wykresy można wyznaczyć ile czasu średnio potrzebuje przewodnik do zwiększenia swojej temperatury o 1°C

Dla przewodnika w którym płynął prąd 40A mamy 17,5 [°C/min] lub odpowiednio 0,3 [°C/s]

Dla przewodnika w którym płynął prąd 50A mamy 13,3 [°C/min] lub odpowiednio 0,2 [°C/s]

Dla przewodnika w którym płynął prąd 100A mamy 14,4 [°C/min] lub odpowiednio 0,2 [°C/s]

4

---