Politechnika Śląska Gliwice 13.10.2003
Wydz. Elektryczny
Gr. AME Sem. IX
Laboratorium miernictwa przemysłowego
Badanie właściwości statycznych termometrów
elektrycznych
Sekcja 1
Opis ćwiczenia:
Ćwiczenie polegało na wyznaczeniu charakterystyk statycznych oraz podstawowych parametrów wybranych czujników termometrycznych.
Opis układu:
Układ składał się z 6 elementów termometrycznych umieszczonych w zamkniętym zbiorniku z olejem. Schemat układu przedstawia rysunek:
Na rys.2.15 oznaczono:
T1 - termorezystor metalowy np. Cu , Ni lub Pt100 (R0 = 100 ),
T2 - termistor (R25 470 1 k),
T4- termopary (wyboru termopary dokonuje się poprzez przyłączenie do odpowiednich
zacisków Z),
T5 - czujnik półprzewodnikowy (dioda krzemowa - D),
T6- czujnik półprzewodnikowy (tranzystor krzemowy w układzie diodowym - T),
T7 - czujnik półprzewodnikowy (tranzystor w układzie wzmacniacza - TW),
TK - termorezystor kontrolny (Pt-100),
Elementy T3 i T8 nie były używane
Uzyskano następujące wyniki:
temperatura |
termorezystor metalowy |
dioda |
tranzystor |
Tranzystor w układzie wzmacniacza |
termopara1 |
termopara2 |
termistor |
ºC |
|
mV |
mV |
mV |
mV |
mV |
|
21,8 |
108,34 |
1,4 |
2,6 |
-0,1 |
-0,04 |
-0,01 |
4841 |
23,4 |
108,57 |
23,68 |
24,12 |
17,15 |
0,04 |
0,01 |
4380 |
24,6 |
108,96 |
32,1 |
36,8 |
23 |
0,08 |
0,02 |
4165 |
26,3 |
109,7 |
51,8 |
51,7 |
37,5 |
0,14 |
0,05 |
3902 |
27,9 |
110,75 |
71,2 |
71,2 |
53,4 |
0,22 |
0,06 |
3621 |
29,5 |
110,87 |
86,9 |
85,9 |
68,6 |
0,27 |
0,08 |
3389 |
31,3 |
111,06 |
103,6 |
103,6 |
82,9 |
0,34 |
0,1 |
3156 |
33,1 |
111,52 |
120,2 |
121,3 |
98,2 |
0,41 |
0,12 |
2912 |
34,8 |
112,44 |
135,8 |
139,1 |
112,1 |
0,47 |
0,14 |
2733 |
36,5 |
113,15 |
153,5 |
159,1 |
127,1 |
0,54 |
0,16 |
2550 |
37,9 |
114,31 |
167 |
175,6 |
141,2 |
0,61 |
0,17 |
2388 |
39,4 |
115 |
186,1 |
194,3 |
159,1 |
0,67 |
0,19 |
2235 |
40,9 |
115,44 |
200 |
209,6 |
172,8 |
0,73 |
0,21 |
2116 |
42,2 |
116,11 |
212 |
224,6 |
183,1 |
0,77 |
0,22 |
2002 |
43,6 |
117,41 |
228,1 |
239,6 |
195,9 |
0,84 |
0,24 |
1891 |
44,5 |
117,46 |
241,2 |
252,7 |
207,6 |
0,89 |
0,26 |
1803 |
45,7 |
118,26 |
256,4 |
269,1 |
221,7 |
0,94 |
0,27 |
1705 |
46,9 |
118,46 |
269,8 |
281,6 |
235,4 |
0,99 |
0,29 |
1628 |
48,3 |
118,9 |
283,6 |
297,7 |
249,3 |
1,05 |
0,31 |
1534 |
49,6 |
119,45 |
297,1 |
310,9 |
262,1 |
1,11 |
0,32 |
1466 |
51 |
120 |
312,3 |
326,7 |
276,2 |
1,17 |
0,34 |
1380 |
52,9 |
120,75 |
332,9 |
348,1 |
294,5 |
1,25 |
0,36 |
1282 |
54,9 |
121,7 |
354,4 |
371,3 |
315,9 |
1,34 |
0,39 |
1185 |
56,8 |
122,44 |
374,7 |
392,5 |
333,9 |
1,42 |
0,41 |
1103 |
58,8 |
122,9 |
393,5 |
413,5 |
352 |
1,5 |
0,44 |
1028 |
60,7 |
123,99 |
413,6 |
434,3 |
371,7 |
1,59 |
0,46 |
960 |
62,4 |
124,75 |
432,2 |
453 |
389 |
1,66 |
0,48 |
901 |
Charakterystyki badanych elementów przedstawiają się następująco:
Obliczono również współczynniki regresji liniowej dla każdego elementu.
Przy obliczaniu współczynników korzystano ze wzorów:
wielkość zastępcza
współczynnik a regresji liniowej
współczynnik b regresji liniowej
Do obliczania współczynników regresji termistora zastosowano również regresję liniową.
Z uwagi na to że używano wielkości zlogarytmowanych ,otrzymano zależności liniowe.
W wyniku obliczeń uzyskano następujące współczynniki:
współczynniki |
Termorezystor metalowy |
dioda |
tranzystor |
Tranzystor (wzmacniacz) |
Termopara 1 |
Termopara 2 |
a |
0.42 |
10.58 |
11,14 |
9.66 |
0.04 |
0.01 |
b |
98.51 |
-228.53 |
-242.74 |
-218.44 |
-0.97 |
-0.28 |
Do obliczenia stałej materiałowej termistora zastosowano przekształcony wzór na jego rezystancję:
W wyniku przeliczenia i uśrednieniadanych otrzymano wartość 4158.64 K.
W równaniu regresji liniowej otrzymano współczynniki 11484Ω i wykładnik -0.0413.
Analiza czułości:
Czułość wyznaczano dla termorezystora , diody ,i układów z tranzystorami.Korzystano ze wzorów:
S=
dla termorezystora, SD=
dla diody, oraz ST=
dla układów tranzystorowych. Dla termopar i termistora zastosowano wzory analogiczne jak dla diody i układów tranzystorowych. Napięcie obliczano korzystając ze wzoru na napięcie wyjściowe układu komutacyjnego :
gdzie:
spadek napięcia na wybranym czujniku
U0 napięcie odniesienia nastawione dla wybranego czujnika
ko wzmocnienie napięciowe
Uzyskano następujące wyniki:
czułość |
termorezystor metalowy Ώ/ºC |
Dioda mV/ºC |
Tranzystor mV/ºC |
Tranzystor (wzmacniacz) mV/ºC |
Termopara1 mV/ºC |
Termopara2 mV/ºC |
|
0,420007 |
10,57611 |
11,14371 |
9,664227 |
0,041815 |
0,01211 --> [Author:(null)] |
Jak widać największą czułością charakteryzuje się tranzystor, a najmniejszą termopara 2.
Natomiast czułość termistora jest zmienna w zależności od temperatury, i wynosi od ok.16,4(Ω/ºC). do ok 2,71 (Ω/ºC).
Analiza błędów:
Najmniejsze błędy popełnimy stosując czujniki o liniowej charakterystyce przetwarzania bowiem tam aproksymacja charakterystyki poprzez odpowiednie równanie pozwoli uniknąć popełnienia dużego błędu.Najmniejszym zakresem zmian błędu charakteryzował się termistor i termorezystor metalowy mimo tego ,że np.termistor ma najbardziej nieliniową charakterystykę, inne elementy w początkowym zakresie miały błędy sięgające 200% .Dopiero w dalszej części spadały one do akceptowalnych wartości rzędu 1%.
Błędy procentowe obliczono ze wzoru:
gdzie Xmierz -wartość z pomiarów
Xpop --wartość obliczona z równania regresji
Wnioski:
Ćwiczenie pozwoliło nam na pewien przegląd elementów używanych do pomiaru temperatury.Pozwoliło również zorientować się jakie są charakterystyki poszczególnych elementów oraz jakie są ich czułości.Używając do pomiarów temperatury czujnika o małej czułości możemy nie zauważyć małych zmian temperatury.Mając na uwadze wyniki obliczeń można zastosować termistor,który wprawdzie ma dużą czułość,ale ma za to nieliniową charakkterystykę ,co jest dość niewygodne. Najwygodniej byłoby użyć układów półprzewodnikowych , niestety mają one ograniczone pasmo pomiarowe temperatur do ok 150°C , a w wykonaniach budowanych specjalnie jako czujniki temperatury może osiągnąć 300°C (czujnik KTY 84 nie badany w ćwiczeniu),a wyższe temperatury aż do ok.3000°C mierzy się już termorezystorami metalowymi i termoparami ( termorezytorem Pt-100 do ok.850°C ,a termoelementem będącym stopem wolframu,molibdenu,renu i tantalu nawet do ok 3000°C).Wszystkie badane czujniki (oprócz termistora)mają bardzo liniową charakterystykę statyczną co pozwala zastosować je do dokładnych pomiarów.Najmniejszą nieliniowością swoich charakterystyk statycznych charakteryzują się termopary i termorezystor.Termistory mają nieliniową charakterystykę ,dlatego wymagają układów linearyzujących.Błąd powstający na początku zakresu pomiarowego w przypadku półprzewodników można określić jak błędy wynikające z aproksymacji linią prostą nieliniowości złącza P—N.Najmniejszy błąd posiadała dioda z uwagi na tylko jedno złącze, natomiast tranzystor z uwagi na prąd upływu złącza B—C i silniejsze domieszkowanie złącza B—E ma ten błąd większy.Tranzystor w układzie wzmacniacza ma ten sam błąd jednak jest on przesunięty tak aby mimo swojej “stałości” w czasie pomiarów nie miał wartości ok.-85% ale był bliższy zeru.
<!--EndFragment-->
Wyszukiwarka