I. Wzorcowanie czujników termoelektrycznych.
Zasada działania czujników nazywanych termoparami polega na wykorzystaniu 2 zjawisk fizycznych:
1.Zjawiska Peltiera - polegającym na występowaniu napięcia stykowego w miejscu zetknięcia się 2 różnych metali. Napięcie to jest wynikiem występowania różnej liczby swobodnych elektronów na powierzchni styków dwóch różnych metali, czemu towarzyszy powstanie różnicy potencjałów pomiędzy tymi metalami. Wartość tej różnicy zależna jest od rodzaju stykających się metali oraz od temp. panującej w miejscu styku.
2.Zjawisko Thomsona - polegającym na powstawaniu różnicy potencjałów elektrycznych w jednorodnym przewodzie metalowym, którego końce znajdują się w różnych temp..
Nałożenie się tych obu zjawisk daje dopiero właściwy efekt termoelektryczny. Używając termoelementu do pomiaru temp. dokonuje się pomiaru wielkości siły termoelektrycznej w nim występującej przy znanej temp. jednej ze spoin, tak zwanej spoiny odniesienia. Temp .tej spoiny nazywa się zwykle temp. odniesienia.
Aby zmierzyć siłę termoelektryczną, konieczne jest wprowadzenie do obwodu termoelementu trzeciego metalu, z którego wykonane są przewody łączące miernik, jak również przewody wew. samego miernika.
Prawo trzeciego metalu - wprowadzenie do obwodu termoelementu wykonanego z metali a i b trzeciego metalu c nie zmienia wartości siły termoelektrycznej, jeżeli oba końce metalu c mają taką samą temp..
3.Prawo kolejnych metali (wyznacza zdolność termoelektryczną)- mówi że siła termoelektryczna pary dowolnych metali równa jest sumie sił termoelektrycznych 2 termoelementów złożonych z każdego z tych metali oraz dowolnego trzeciego metalu odniesienia.
4.Zdolność termoelektryczna - jest to wartość potencjału elektrycznego powstającego w termo ogniwie przy różnicy temp. jego końców równej 1K.
W Polsce znormalizowane sa następujące termoelementy:
-platynarod - platyna: PtRh - Pt (90% Pt i 10% Rh)
-nikielchrom - nikiel: NiCr - Ni (85% Ni i 15% Cr)
-żelazo - konstantan: Fe - Konst.
- miedź - konstantan Cu - Konst (55% Cu i 45% Ni)
5.Charakterystyka termometrów termoelektrycznych jest to zależność siły termoelektrycznej od temp. spoiny pomiarowej przy ustalonej temp. spoiny odniesienia.
Wzorcowanie czujników termoelektrycznych - polega na określeniu charakterystyki danej termopary na podstawie równania:
Et = A(T - To) + B(T - To)2 + C(T - To)3 + ..., [mV]
gdzie:
Et - wielkość siły termoelektrycznej powstałej w termoelemencie przy różnicy temp. T - To , [mV]
T - temp. "gorącej spoiny" (spoiny pomiarowej) [C]
To - temp. "zimnej spoiny" (spoiny odniesienia) [C]
A, B, C - stałe współczynniki równania
Punktami termoelektrycznymi nazywamy temp. procesów fizycznych, które przy ciśnieniu normalnym p = 101325 Pa są wielkościami stałymi.
Do punktów termoelektrycznych stałych zaliczane są:
-punkty wrzenia: tlenu, wody, naftalenu.
-punkty krzepnięcia: cynku, srebra, złota;
-punkt potrójny wody;
-punkt topnienia lodu.
Do pomiaru siły termoelektrycznej stosuje się różnego rodzaju układy pomiarowe, a mianowicie:
-za pomocą miliwoltomierza
-za pomocą układów kompensacyjnych,
-za pomocą samoczynnych układów kompensacyjnych z ciągłą rejestracją mierzonej wielkości.
II. Wzorcowanie czujników oporowych.
W termometrach oporowych wykorzystuje się zmianę oporności właściwej przewodników i półprzewodników w zależności od temperatury. Wpływ temp. na wartość oporności metalu lub półprzewodnika, z którego wykonano opornik termometryczny, jest różny i zależy od użytego materiału.
Zmianę oporności danego materiału charakteryzuje jego średni współczynnik zmiany oporności właściwej alfa, określony dla zakresu temp. 0 - 100 C
gdzie:
Ro- oporność przewodu materiału w temp. 0 C
R100 - oporność tego samego materiału w temp. 100 C
Współczynnik α dla przewodników (metali) przyjmuje wartości dodatnie, to znaczy, że oporność ich wzrasta przy wzroście temp., natomiast dla półprzewodników (tlenków metali) jest mniejszy od zera, a zatem ich oporność maleje w miarę podwyższenia temp..
Materiały stosowane do budowy czujników termometrów oporowych powinny spełniać wiele warunków. Do podstawowych można zaliczyć:
-temp. współczynnik zmiany oporności alfa powinien być możliwie duży, duża również powinna być oporność materiału, która wpływa bezpośrednio na wielkość czujników termometrycznych.
-materiał powinien charakteryzować się stałością właściwości fizycznych w możliwie szerokim przedziale temp.. Nie powinien reagować chemicznie w środowisku, którego temp. jest mierzona.
-materiał czujnika powinien być łatwo odtwarzalny, co konieczne jest dla zapewnienia pełnej wymienialności czujników.
-oporność materiału powinna być liniową lub prawie liniową funkcją temp. i bez występowania zjawiska histerezy.
W grupie przewodników wymagania te w różnych przedziałach temp. najlepiej spełniają:
-platyna, nikiel, miedź, żelazo.
Wzorcowanie czujników oporowych polega na określeniu charakterystyki danego czujnika za pomocą równania:
Rt = Ro (1 + at + bt2 + ct3 + ...) [Ω]
gdzie:
Rt - oporność czujnika w określonej temp.
Ro - oporność czujnika w temp. 0 C
t - temp. pomiarowa
a,b,c - współczynniki stałe
Najczęściej wykorzystywanymi w pomiarach punktami stałymi są:
-punkty wrzenia: tlenu, wody, naftalenu.
-punkty krzepnięcia: cynku, srebra, złota;
-punkt potrójny wody;
-punkt topnienia lodu.
Oporniki termometryczne do pomiaru temp. w przedziale -80 - 300 C wykonuje się często z półprzewodników. Tego rodzaju czujniki nazywane są termistorami. Wykonywane są one z proszków tlenków metali : Mn, Fe, Cu, Ti czy Zn spiekanych w wysokich temp..
Wzorcowanie czujników termistorowych polega na określeniu charakterystyki czujnika określającej zależność jego oporności od temp.. Zależność wyraża równanie o postaci wykładniczej.
gdzie:
RT- oporność czujnika
αT - temp. współczynnik zmiany oporności termistora [%/K]
T - temp. stałych punktów termometrycznych, [K];
T0 - temp. odniesienia równa temp. np. topnienia lodu 273 K
Wady termometrów termistorowych:
-niemożliwość wymiany czujników oraz zmiana ich charakterystyki w czasie użytkowania.
-nieliniowe charakterystyki, zwłaszcza przy szerokim zakresie pomiarowym przyrządu.
Zalety termometrów termistorowych w stosunku do termometrów oporowych (z czujnikami wykonanymi z przewodników):
-mniejsze wymiary
-mniejsza bezwładność cieplna,
-większa zmienność oporu elektrycznego przy zmianie temp., prze co większa czułość przyrządów termistorowych,
-możliwość umieszczania miernika prawie w dowolnej odległości od miejsca pomiaru, bez konieczności stosowania specjalnych układów kompensacyjnych (ze względu na duże oporności czujników termistorowych rzędu 0,5 do 1000 oma).
Oporność czujników termometrów oporowych została ustalona w wyniku kompromisu pomiędzy wymiarami czujników, a czułością przyrządu. Najbardziej rozpowszechnione są czujniki o oporze Ro = 100, czasami spotyka się również czujniki platynowe o Ro = 46 oma i miedziane o Ro = 53 oma.
Do najczęściej stosowanych metod pomiaru oporności czujników oporowych zalicza się :
-układ wychyleniowy z miernikami magnetoelektrycznymi zwanymi logometrami lub miernikami ilorazowymi,
-układ z mostkiem niezrównoważonym;
-układ z mostkiem zrównoważonym.
Wyszukiwarka