Metrologia Przemysłowa - laboratorium

Ćwiczenie 6

SPRAWDZANIE TERMOELEMENTÓW

Instrukcja laboratoryjna

„Człowiek - najlepsza inwestycja”

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Warszawa 2009

2

Ć

wiczenie 6

„Sprawdzanie termoelementów”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

1 WSTĘP

Termometry laboratoryjne i przemysłowe, tak jak wszystkie inne przyrządy pomiarowe

wymagają okresowego sprawdzenia. W przypadku stwierdzenia błędnych wskazań, przekra-
czających dopuszczalne granice, niezbędnym jest wzorcowanie (kalibracja) a w skrajnych
przypadkach ich wycofanie z dalszego użytkowania. Okresy pomiędzy sprawdzaniami ter-
mometrów zależą od ich rodzaju, warunków pracy i dopuszczalnych błędów. Okresy te waha-
ją się w granicach od kilku dni do roku, a nawet dłużej. Sprawdzanie i wzorcowanie przemy-
słowych urządzeń do pomiaru temperatury obejmuje zadania:

•

sprawdzanie lub wzorcowanie czujnika termoelektrycznego,

•

sprawdzanie urządzeń wtórnych (przetworników, przyrządów wskazujących i reje-

strujących),

•

sprawdzanie całego urządzenia wraz z czujnikiem, przetwornikiem i miernikiem a

więc całego układu pomiarowego. Takie sprawdzenie w niektórych przypadkach zapewnia
najwyższą dokładność.
Dla prawidłowego pod względem metrologicznym i technicznym sprawdzania i wzorco-

wania istotne są:

•

wybór metodyki i sposobu sprawdzania,

•

dobranie wzorcowych przyrządów oraz urządzeń pomocniczych,

•

dobranie urządzeń do wytworzenia obszaru dostatecznie stałej temperatury porów-

nawczej.

2 PODSTAWY TEORETYCZNE

U podstaw działania termometrów termoelektrycznych leży zjawisko generowania na styku

dwóch metali A i B (patrz rys. 1) tzw. kontaktowej różnicy potencjałów, danej zależnością

B

A

B

A

AB

n

n

e

kT

e

A

A

E

ln

+

−

−

=

(1)

gdzie

A

A

,

A

B

– prace wyjścia elektronów z tych metali,

n

A

,

n

B

– liczby swobodnych elektro-

nów na jednostkę objętości tych metali,

e = 1.602

×

10

-19

C – ładunek elektronu,

k = 1.38

×

10

-

23

J/K – stała Boltzmanna.

Przy założeniu, że prace wyjścia nie zmieniają się istotnie w funkcji temperatury, w obwo-

dzie wg rys. 1 pojawi się siła elektromotoryczna (tzw. siła termoelektryczna), równa

(

)

1

0

ln

T

T

n

n

e

k

E

E

E

B

A

BA

AB

−

=

+

=

(2)

Siła termoelektryczna powstaje więc tylko wówczas, gdy spoiny znajdują się w różnych

temperaturach.

Ć

wiczenie 1

3

„Sprawdzanie termoelementów”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Rys. 1 Zasada działania
termometru termoelektrycznego

Aby obwód przedstawiony na rys. 1 wykorzystać do pomiaru temperatury, należy włączyć

miernik elektryczny, mierzący siłę termoelektryczną lub napięcie, co jest równoznaczne z
wprowadzeniem do obwodu dodatkowego, trzeciego metalu (najczęściej będzie to miedź).
Można wykazać, że wprowadzenie trzeciego metalu C w dowolnym miejscu obwodu (rys. 2)
nie wpływa na wartość siły termoelektrycznej E, pod warunkiem, że końce przewodu z metalu
C znajdują się w tej samej temperaturze.

W obwodzie w dalszym ciągu będzie występować siła termoelektryczna proporcjonalna do

różnicy temperatur (T

0

−

T

1

). Równość temperatur w miejscach włączenia trzeciego metalu

ma więc zasadnicze znaczenie dla pomiaru prawidłowej, zależnej tylko od różnicy (T

0

−

T

1

)

siły termoelektrycznej.

Rys. 2 Wprowadzenie trzeciego meta-
lu do obwodu termoelektrycznego

Połączone ze sobą dwa rożne materiały tworzą termoelement. Połączenie można wykonać

przez spawanie, zgrzewanie (np. w postaci podkładek do przykręcenia do pomiaru temperatu-
ry powierzchni), lutowanie (zgodnie z prawem trzeciego metalu lut nie wpłynie na właściwo-
ś

ci spoiny), skręcanie itp. (rys. 3).

Termoelementy, z uwagi na możliwość zastosowania materiałów o dużych wymiarach ce-

chują się bardzo dobrą odpornością mechaniczną, zwłaszcza w porównaniu z czujnikami ter-
morezystancyjnymi.

4

Ć

wiczenie 6

„Sprawdzanie termoelementów”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Rys. 3 Budowa sensorów termometrów termoelektrycznych (tzw. termoelementów) skręcane,

spawane, lutowane; termoelement w postaci podkładki do przykręcenia

Materiały należy dobrać tak, aby ich charakterystyki były możliwie odległe od siebie, uzy-

skuje się wówczas duże wartości siły termoelektrycznej (rys. 4). Należy jednak wziąć jeszcze
pod uwagę takie właściwości, jak liniowość, stałość i powtarzalność charakterystyk zarówno
w czasie jak też w szerokim zakresie temperatur, małą rezystywność, mały współczynnik
temperaturowy zmiany rezystancji oraz odporność na szkodliwe wpływy występujące w miej-
scu zainstalowania.

Rys. 4 Charakterystyki znormalizowanych

termoelementów

W wyniku wieloletnich badań kilka termoelementów dobrze spełniających powyższe wy-

magania zostało znormalizowanych (PN-EN 60584-1:1955). Ich oznaczenia, materiał termo-
elektrod oraz tolerancje charakterystyk (czyli maksymalne dopuszczalne odchylenia od nomi-
nalnej zależności temperatury i siły termoelektrycznej) podano poniżej.

Ć

wiczenie 1

5

„Sprawdzanie termoelementów”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Typ T (Cu-CuNi)

-200 do +350

°

C,

tolerancja

±

0.5 - 3

°

C

Typ E (NiCr-CuNi)

-200 do +900

°

C,

tolerancja

±

1.5 - 7

°

C

Typ J (Fe-CuNi)

- 40 do +750

°

C,

tolerancja

±

1.5 - 6

°

C

Typ K (NiCr-NiAl), N (NiCrSi-NiSi) -167 do +1200

°

C,

tolerancja

±

1.5 - 9

°

C

Typ R (PtRh13-Pt), S (PtRh10-Pt) 0 do +1600

°

C,

tolerancja

±

1 - 4

°

C

Typ B (PtRh30-PtRh6)

600 do +1700

°

C,

tolerancja

±

1.5 - 8.5

°

C

W normie podano równania w postaci wielomianów, pozwalające na wyznaczenie charak-

terystyki E = f(T) i odwrotnej, T = f(E) dla każdego ze znormalizowanych termoelementów.

3 METODYKA I SPOSÓB SPRAWDZANIA I WZORCOWANIA

Metodyka i sposób sprawdzania oraz wzorcowania wymagają istotnych decyzji:

1.

Czy termometr sprawdzać w miejscu pracy, bez wymontowania z obiektu przemysłowego,
czy też sprawdzać w laboratorium pomiarowym ? Najczęściej sprawdza się w laborato-
rium, ale są okoliczności, kiedy sprawdzanie w miejscu pracy przyrządu jest celowe, gdyż
eliminuje się błędy powstające przez zmianę warunków z przemysłowych na laboratoryjne
oraz ujmuje się całą instalację przemysłową. Do sprawdzeń na miejscu stosowane są spe-
cjalne przenośne kalibratory.

2.

Czy termometr sprawdzać w jednym lub kilku punktach, czy w całym zakresie pomiaro-
wym? Zazwyczaj powinno się sprawdzać w całym zakresie pomiarowym, ale gdy w pro-
cesie istotne jest utrzymanie ściśle określonej temperatury, to w zasadzie wystarcza spraw-
dzanie tylko w bliskim otoczeniu tej temperatury.

3.

Czy stosować przy sprawdzaniu zasadę porównania z termometrem wzorcowym, czy też
sprawdzać w punktach stałych ? Jako regułę można przyjąć porównanie z wzorcowymi
termometrami kontrolnymi, sprawdzonymi i zalegalizowanymi przez Główny Urząd Miar
a także Urzędy Okręgowe lub Obwodowe Miar. Sprawdzanie w punktach stałych wymaga
bowiem kosztownego, skomplikowanego wyposażenia i stosowane jest raczej do spraw-
dzania termometrów wzorcowych.
Liczne przepisy i instrukcje krajowe i zagraniczne regulują zasady sprawdzania i wzorco-

wania termometrów użytkowych oraz zalecenia i wskazówki co do wyposażenia laboratorium
pomiarowego.

4 URZĄDZENIA DO WYTWORZENIA TEMPERATURY PORÓWNAWCZEJ

Urządzenia te powinny wytwarzać dostatecznie stałą i przestrzennie wyrównaną temperatu-

rę, co jest jednym z istotnych warunków dokładnego sprawdzania i wzorcowania termome-
trów sposobem porównawczym.

W celu objęcia całego zakresu temperatur użytkowych stosowane urządzenia można po-

dzielić na dwie grupy:

1.

termostaty acetonowe, wodne, olejowe, solne i kriostaty dla temperatur poniżej 0

0

C oraz

termostaty fluidyzacyjne stosowane praktycznie od -100

0

C do 600

0

C,

6

Ć

wiczenie 6

„Sprawdzanie termoelementów”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

2.

termostaty piecowe (piece stosowane do 1300

0

C a nawet 1600

0

C). Piece takie muszą

spełniać określone wymagania jak np.

•

mieć dużą wartość stosunku długości rury do jej średnicy,

•

w celu zmniejszenia gradientu temperatury występującego na końcach rury zaleca
się, aby moc grzejna przypadająca na jednostkę długości rury była większa przy
końcach rury niż w jej części środkowej,

•

w środkowej części rury pieca powinien być usytuowany wykonany z odpowiednie-
go materiału blok metalowy z otworami do umieszczania w nich czujników termo-
metrycznych.

Stosowane piece są często wyposażone w układ samoczynnej regulacji temperatury. Naj-

nowsze konstrukcje do sterowania pieca i pomiaru STE termoelementów sprawdzanych i kon-
trolnych wyposażone są w układ komputerowy umożliwiający śledzić cały proces wzorcowa-
nia lub sprawdzania i przeprowadzić go samoczynnie z bardzo dużą dokładnością.

5 SPRAWDZANIE CZUJNIKÓW TERMOELEKTRYCZNYCH

Sprawdzanie czujników termoelektrycznych obejmuje:

•

oględziny,

•

sprawdzenie charakterystyki termometrycznej,

•

sprawdzenie rezystancji izolacji czujnika,

•

sprawdzenie wytrzymałości izolacji czujnika na przebicie.

Oględzin dokonuje się po wyjęciu czujnika z osłony (niklowej, ceramicznej) i zdjęciu

osłon izolacyjnych. Odrzuca się termoelementy mające widoczne wady (zgniecenia, plamy,
korozja itp.).

Sprawdzenie wytrzymałości izolacji czujnika na przebicie i rezystancji izolacji wykonuje

się wg obowiązujących norm i przepisów. Program ćwiczenia nie obejmuje tych zagadnień.

Sprawdzenie charakterystyki termometrycznej termoelementu polega na stwierdzeniu

zgodności jej charakterystyki z normą PN-81/M-53854 w granicach dopuszczalnych odchyłek
i można przeprowadzić następującymi metodami:

•

metodą porównawczą,

•

metodą porównawczą różnicową,

•

przez pomiar STE w punktach stałych,

•

przez pomiar STE w punktach stałych metodą obrotową.

Program ćwiczenia obejmuje wyznaczenie charakterystyki termoelementów metodą po-

równawczą. Metoda ta jest stosowana dla wszystkich termoelementów o znormalizowanych
charakterystykach. Urządzenia pomocnicze używane do sprawdzania oraz sposób postępowa-
nia zależy od rodzaju sprawdzanych termoelementów.

W ramach ćwiczenia sprawdzane będą termoelementy NiCr - NiAl (K).

6 PRZEBIEG ĆWICZENIA

Po wyjęciu termoelementu z osłony metalowej należy umieścić go wraz z termometrem

kontrolnym w rurowym piecu elektrycznym o temperaturze znamionowej co najmniej 1200
°C, tak aby spoiny pomiarowe znalazły się w bloku metalowym umieszczonym w środkowej
części pieca. Możliwa liczba jednocześnie sprawdzanych termometrów nie powinna przekro-
czyć sześciu sztuk. Jako termoelement kontrolny może być zastosowany termoelement typu S

Ć

wiczenie 1

7

„Sprawdzanie termoelementów”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

(PtRh10 - Pt) lub K (NiCr - NiAl). Jeżeli jako termoelement kontrolny jest zastosowany typ S,
to umieszcza się go również w jednym z otworów bloku metalowego, ale jednak musi być on
umieszczony w zasklepionej, gazoszczelnej osłonie ceramicznej lub kwarcowej. Przy pomia-
rach wolne końce termoelementów lub dołączonych do nich przewodów kompensacyjnych
umieszcza się w szklanych probówkach w punkcie topnienia lodu (0 °C) i dalej przewodami
łączącymi do przełącznika i miernika pomiaru STE.

Pomiary przeprowadza się przy ustalonej lub wolno rosnącej temperaturze (max prędkość

zmian temperatury wynosi 0,5

0

C/min), mierząc w równych odstępach czasu wartości STE w

następującej kolejności: termoelement kontrolny - termoelement sprawdzany nr1 - nr2 - nr3
..... nr3 - nr2 - nr1 - termoelement kontrolny. Za wynik pomiaru dla każdego termoelementu
przyjmuje się wartość średnią z obu odczytów. Obliczone w ten sposób średnie wartości STE
poszczególnych termoelementów odpowiadają średniej temperaturze wyznaczonej za pomocą
termoelementu kontrolnego. Do pomiarów STE stosuje się kompensator lub woltomierz cy-
frowy co najmniej klasy 0,01.

7 OBLICZENIE NIEPEWNOŚCI WZORCOWANIA (LUB SPRAWDZANIA)

TERMOELEMENTU METODĄ PORÓWNAWCZĄ.

Niepewność u(t) w mV wyznacza się z wzoru

2

4

2

3

2

2

2

1

)

(

u

u

u

u

t

u

+

+

+

=

(1)

gdzie: u

1

– niepewność pomiaru temperatury w piecu termoelementem kontrolnym,

wyrażona w mV według charakterystyki termometrycznej,

u

2

– niepewność pomiaru temperatury odniesienia, wyrażona w mV; otrzymuje

się ją zwykle po przeliczeniu ze °C na mV wg charakterystyki termoele-
mentu kontrolnego (lub sprawdzanego); np. dla termoelementu NiCr-NiAl
zachodzi przybliżona odpowiedniość 1

0

C

≅

0,04 mV,

u

3

– niepewność wskazań zastosowanego kompensatora lub woltomierza cy-

frowego w mV, oblicza się ją na podstawie klasy dokładności i zakresu
wskazań,

u

4

– niepewność odczytu wskazań kompensatora lub woltomierza cyfrowego

w mV.

Dodatkowego omówienia wymaga wyznaczenie niepewności u

1

występującej we wzorze

(1). Niepewność tą wyznacza się w następujący sposób:

•

oblicza się niepewność u(p) wyznaczenia temperatury w piecu termoelemen-
tem kontrolnym, wyrażona w mV wg charakterystyki tego termoelementu
(kontrolnego), stosując wzór:

2

8

2

7

2

6

2

5

)

(

u

u

u

u

p

u

+

+

+

=

(2)

gdzie: u

5

– niepewność wzorcowania termoelementu kontrolnego w mV, ze

8

Ć

wiczenie 6

„Sprawdzanie termoelementów”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

ś

wiadectwa tego termoelementu,

u

6

– niepewność wyznaczenia temperatury odniesienia, wyrażony w mV;

otrzymuje się ją zwykle po przeliczeniu termoelementu kontrolnego, przy
czym dla termoelementu PtRh-Pt mamy 1

0

C

≅

0,01 mV,

u

7

– niepewność wskazań w mV użytego kompensatora; wyznacza się go

podobnie jak niepewność u

3

ze wzoru (1),

u

8

– niepewność odczytania wskazań użytego kompensatora w mV,

•

niepewność u(p) przelicza się z mV na

0

C wg charakterystyki termoelemen-

tu kontrolnego, otrzymując wartość niepewności u

1

a następnie niepewność

u(p) w

0

C przelicza się znowu na mV, ale już wg charakterystyki termoele-

mentu badanego, otrzymując wreszcie poszukiwaną wartość niepewności u

1

w mV.

8 WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Należy zmontować układ pomiarowy wg rys. 5 z uwzględnieniem rodzaju użytego kom-

pensatora lub woltomierza cyfrowego.

2. Następnie należy sprawdzić charakterystykę termometryczną termoelementu (w ćwiczeniu

termoelement typu K).

3. Po wykonaniu pomiarów należy obliczyć niepewność sprawdzania.

mV

Przewody
kompensacyjne

Termostat spoin
odniesienia

Przewody
kompensacyjne

laczace

Przewody

Przewody
laczace

NiCr-NiAl (K)

NiCr-NiAl (K)

lub PtRh-Pt (S)

Miliwoltomierz

lub kompensator

Rys. 5 Schemat połączeń przy sprawdzaniu termoelementów metodą porównawczą

W sprawozdaniu należy podać:

•

schemat układu pomiarowego i krótki opis przebiegu ćwiczenia ,

•

wypełniony protokół sprawdzenia wg załączonego wzoru,

•

wykonane obliczenia i wykres charakterystyki sprawdzanego termoelementu,

•

wnioski.

Ć

wiczenie 1

9

„Sprawdzanie termoelementów”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Protokół sprawdzenia

Sprawdzający .......................................................

Data: .........................................

.......................................................

Temp. otocz. .............................

.......................................................

Ciśn. atm. ..................................

.......................................................

Termoelement sprawdzany, rodzaj .........................................................................................

firma ...........................................................

Nr. fabr. ....................................

zakres temp. ...............................................

klasa dokł. ................................

Termoelement kontrolny, rodzaj .............................................................................................

firma .........................................................

Nr. fabr. ....................................

zakres temp. ..............................................

klasa dokł. ................................

Woltomierz, rodzaj .................................................................................................................

firma .........................................................

Nr. fabr. ....................................

zakres wsk. ...............................................

klasa dokł. ................................

Termometr kontrolny, typ ......................................................................................................

firma .........................................................

Nr. fabr. ....................................

zakres wsk. ...............................................

klasa dokł. ................................

Temperatura odniesienia: t

0

= ..............

±

...........

10

Ć

wiczenie 6

„Sprawdzanie termoelementów”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Tabela wyników pomiarów

Grupa .......... zespół .......... data. .................. temp. otocz. ......... °C ; ciśn. atm. ........... kPa

Temperatura

STE termoelementów

Różnica STE termo-
elementu sprawdzane-
go i wartości z PN

Niepewność

sprawdzenia

u(t)

°C

Kontrolnego

Sprawdzanego

mV

mV

°C

i

k

E

,

k

E

i

s

E

,

s

E

żą

dana

uzyskana

………
………
………
………
……....

………

………
………
………
………
……....

………

żą

dana

uzyskana

………
………
………
………
……...

………

………
………
………
………
……...

………

żą

dana

uzyskana

………
………
………
………
……...

………

………
………
………
………
……...

………

żą

dana

uzyskana

………
………
………
………
……...

………

………
………
………
………
……...

………

żą

dana

uzyskana

………
………
………
………
……...

………

………
………
………
………
……...

………

Literatura:

[1] Pomiary cieplne cz. 1, praca zbiorowa, WNT, Warszawa,19

[2] Turkowski M.: Przemysłowe sensory i przetworniki pomiarowe, OWPW, 2002