LABORATORIUM „METROLOGII”
Ćwiczenie: Nr 2	Temat: Pomiary temperatury- Czujniki i aparatura.
Data: Wyk.: 06.XII.2006r. Od.: 20.XII.2006r. 2006r.	Wykonawcy:	Dobrzyński Krzysztof, Malec Tomasz, Zięba Grzegorz.
Sprawozdanie sporządził:	Dobrzyński Krzysztof		Ocena:

1.Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest poznanie metod pomiaru temperatury za pomocą termoelementów oraz czujników rezystancyjnych. A także sprawdzenie funkcji przetwarzania zintegrowanego czujnika AD22100.

2.Wiadomości uzupełniające:

Termistor - termometr rezystancyjny.

Termistor to opornik półprzewodnikowy, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury.

Termistory są półprzewodnikami stałymi. Wytwarzane są najczęściej metodą spiekania w wysokiej temperaturze mieszanin tlenków różnych pierwiastków takich jak: miedź, mangan, żelazo, aluminium, nikiel, kobalt, cynk i innych często z tlenkami lub solami pierwiastków lekkich. Termistory dzielimy na 3 zasadnicze grupy:

 NTC - (negative temperature coefficient) o ujemnym temperaturowym współczynniku zmian rezystancji.

- PTC - (positive temperature coefficient) o dodatnim temperaturowym współczynniku zmian rezystancji.

- CTR - (critical temperature, resistor) o skoku rezystancji.

Termistory wykorzystywane są szeroko w elektronice jako:

• czujniki temperatury (KTY), w układach kompensujących zmiany parametrów obwodów przy zmianie temperatury, w układach zapobiegających nadmiernemu wzrostowi prądu, do pomiarów temperatury,

• elementy kompensujące zmianę oporności innych elementów elektronicznych np. we wzmacniaczach i generatorach bardzo niskich częstotliwości.

• ograniczniki natężenia prądu (bezpieczniki elektroniczne) - termistory typu (CTR), np. w układach akumulatorów telefonów, zapobiegając uszkodzeniu akumulatorów w wyniku zwarcia lub zbyt szybkiego ładowania.

• Czujniki tlenu.

Termopara (termoogniwo, termoelement, ogniwo termoelektryczne) to czujnik tempera-tury wykorzystujący zjawisko Seebecka, będąca połączeniem dwóch termoelementów.

Składa się z dwóch różnych metali (drucików), spojonych na jednym końcu (strona pomia-rowa). Pod wpływem zmiany temperatury powstaje siła elektromotoryczna zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną na końcach niepołączonych (zimnych) proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy temperaturą spoiny pomiarowej, a temperaturą spoin odnie-sienia (zimnych, wolnych końców). Spoina pomiarowa może znajdować się w obudowie, któ-rą następnie instalujemy w miejscu pomiaru temperatury.

Schemat termopary Termoelement

Prawo trzeciego metalu - jeżeli wprowadzimy w obwód metal, którego końce będą miały tą samą temperaturę, co spoiny to nie będzie to miało wpływu na siłę termoelektryczną.

Budowa termoelementu:

• spoina pomiarowa umieszczona w osłonie (metalowej, ceramicznej, łączonej),

• termoelektrody (przewody termoelementu),

• wolne końce (spoina odniesienia) do których przytwierdzone są przewody kompensacyjne służące do utrzymania stałej temperatury spoiny odniesienia,

• urządzenie pomiarowe (miliwoltomierz wyskalowany w stopniach C lub K),

3.Użyte przyrządy:

- wzorcowy miernik temperatury: miernik N12T z podłączonym na stałe czujnikiem Pt100,

- miernik temperatury Lumel N12T z podłączoną na stałe termoparą typu J,

- rezystancyjny czujnik temperatury Pt100, przystosowany do współpracy z miernikiem tem-

peratury w układzie 2 lub 3 przewodowym,

- kaseta z przewodami symulującymi linię łączącą czujnik Pt100 z miernikiem temperatury

(o rezystancji 5, 10 i 15Ω),

- termopara typu J, przeznaczona do współpracy z badanym miernikiem temperatury,

- termopara typu J ze spoinami odniesienia z przewodami Cu-Cu,

- termometr termoelektryczny typu K,

- multimetr cyfrowy typu HP34401A,

- miernik uniwersalny Metek,

- zintegrowany czujnik temperatury AD22100,

- zasilacz regulowany 0 do 15V,

- przewody łączące,

- elementy dodatkowe (termos z lodem, naczynie z wodą o temperaturze pokojowej, naczynie

z wodą o temperaturze 60 do 100 ^oC),

4.Przebieg ćwiczenia.

1. Pomiar temperatury termoelementem typu J (Fe-CuNi) i miliwoltomierzem: badanie wpływu temperatury spoiny odniesienia.

Rys. Termoelement typu J ze spoinami od-niesienia w temperaturze t₀

Pomiaru w tym punkcie ćwiczenia dokonujemy przy użyciu termoelementu przedstawio-nego na rysunku powyżej. Jako miliwoltomierza używamy Multimetru HP34401A.

Termoelement podłączamy do multimetru HP34401A w trybie pomiaru napięcia, a spoinę po-miarową zanurzamy w zlewce z wodą o temperaturze zbliżonej do pokojowej t_x1.

Następnie obserwując wartość napięcia zmieniamy temperaturę spoin odniesienia poprzez:

- zanurzenie w zlewce z wodą (o temperaturze pokojowej) - t_oa

- trzymanie w palcach - t_ob

- zanurzenie w termosie z lodem - t_oc

Podczas obserwacji napięć mierzymy temperatury t_x1, t_oa, t_ob, t_oc termometrem wzorcowym i uzyskujemy w ten sposób wskazania t_w1, t_owa, t_owb, t_owc.

Na podstawie zmierzonych sił termoelektrycznych E_a, E_b, E_c z tablic odczytujemy tempe-ratury t_xa, t_xb, t_xc i porównujemy je z temperaturą t_w1, przyjmując ją za wartość poprawną mie-rzonej temperatury. Wyznaczamy błędy bezwzględne, wynikające z jakości narzędzi pomia-rowych oraz z różnej od 0 ^oC temperatury odniesienia.

Spoinę pomiarową zanurzamy w naczyniu z wrzątkiem (t_x2), natomiast spoinę odniesienia pozostawiamy w lodzie. Z tablic odczytujemy temperaturę i porównujemy ją ze wskazaniami termometru wzorcowego, wyznaczając błąd

Wyniki pomiarów notowaliśmy do tabeli pomiarowej Nr 1.

2. Pomiar temperatury czujnikiem rezystancyjnym Pt100.

W ćwiczeniu używamy termorezystora Pt100 firmy Czaki - Thermo Produkt klasy A połą-czonego bezpośrednio lub poprzez przewody symulujące linię łączącą czujnik Pt100 z mierni-kiem temperatury (o rezystancji 5, 10 i 15Ω). Kolejność żył jest zgodna z rysunkiem przedsta-wionym poniżej.

Rys. Połączenie termorezystora Pt 100 za pomocą wstęgi czterożyło-

wej.

R_P - rezystancja jednej żyły.

Rys. Zaciski na płycie czołowej multimetru HP34401A

a). Pomiar rezystancji czujnika omomierzem z wykorzystaniem 2 lub 4 przewodów.

Metoda czteroprzewodowa:

Podłączyliśmy termorezystor do multimetru HP34401A (zaciski na płycie czołowej przed-stawione na rysunku powyżej) czteroprzewodowo i wybraliśmy przyciskami Shift Ω 4W na pomiar rezystancji metodą czteroprzewodową.

Następnie mierzyliśmy temperaturę wody w naczyniu z wrzątkiem i w termosie z lodem . Po zmierzeniu rezystancji, odczytywaliśmy normę wartości temperatury odpowiadającej zmie rzonej rezystancji. Te same pomiary temperatury dokonywaliśmy jednocześnie termometrem wzorcowym. Mając zmierzone poszczególne temperatury wyznaczaliśmy błędy bezwzględne pomiarów.

Wyniki pomiarów notowaliśmy do tabeli pomiarowej Nr 2.

Metoda dwuprzewodowa:

Należało wykonać takie same pomiary jak przy metodzie czteroprzewodowej. Z tą różnicą że termorezystor był podłączony do multimetru za pomocą pary żył 1 i 4 lub 2 i 3. Na multi-metrze należało wybrać przyciskami Shift Ω 2W pomiar rezystancji metodą dwuprzewodową

Wyniki pomiarów notowaliśmy do tabeli pomiarowej Nr 3.

b). Pomiar temperatury przemysłowym miernikiem temperatury NT9 z czujnikiem dołączo-nym za pomocą 2 lub 3 przewodów.

Metoda trójprzewodowa:

Mierniki temperatury przeznaczone do współpracy z termorezystorami mają możliwość kompensacji wpływu rezystancji przewodów doprowadzających. Przy założeniu identycznoś-ci przewodów kompensacja jest możliwa, gdy zastosujemy połączenie trójprzewodowe.

Rys. Trójprzewodowe podłączenie termorezystora do miernika

NT12.

Mierzyliśmy temperaturę wody w naczyniu z wrzątkiem, w naczyniu z wodą o temperatur-rze pokojowej i w termosie z mieszaniną wody z lodem. Następnie wyznaczaliśmy błędy bez-względne pomiarów.

Wyniki pomiarów notowaliśmy do tabeli pomiarowej Nr 4.

5.Tabele i wykresy.

Tabela 1.

Pomiar temperatury termoelementem typu J i miliwoltomierzem.

Miejsce spoiny pomiarowej		Zlewka				Czajnik
	Tow[°C]	E[mV]	Tx1[°C]	Tw1[°C]	ΔT1[°C]	E[mV]	Tx2[°C]	Tw2[°C]	Δ t2[°C]
a	21,4	1,036	20,37	20,04	0,33	-	-	-	-
b	28,8	1,625	31,65	30,06	1,59	-	-	-	-
c	0,3	0,040	1,11	0,32	0,79	4,203	81,34	80,87	0,47

Tabela 2.

Pomiar rezystancji czujnika omomierzem z wykorzystaniem 4 przewodów.

Miejsce pomiaru	Miejsce przewodu łączącego	R [Ω]	tx [°C]	tw [°C]	Δt [°C]
Zlewka	Powietrze	108,96	22,41	21,96	0,45
Czajnik			124,78	65,04	65,68	-0,64
Lód			101,01	-0,12	0,11	-0,23

Tabela 3.

Pomiar rezystancji czujnika omomierzem z wykorzystaniem 2 przewodów.

Miejsce pomiaru	Miejsce przewodu łączącego	R [Ω]	tx [°C]	tw [°C]	Δt [°C]
Zlewka	Powietrze	109,87	26,84	21,81	5,01
Czajnik			126,23	68,21	65,48	2,73
Lód			101,75	4,20	0,10	4,10

Tabela 4.

Pomiar temperatury przemysłowym miernikiem temperatury NT9 z czujnikiem dołączonym za pomocą 3 przewodów.

Miejsce pomiaru	Miejsce przewodu łączącego	tx [°C]	tw [°C]	Δt [°C]
Zlewka	Powietrze	21,87	22,03	-0,16
Czajnik			48,74	49,06	-0,32
Lód			0,11	0,29	-0,18

Wykresy.

Wykres a także zależności za pomocą których były obliczane wartości temperatury w posz-czególnych punktach ćwiczenia przedstawione zostały poniżej.

Rys. Sposób wyznaczania wartości napięcia.

6.Analiza niepewności pomiarowych.

Błędy bezwzględne pomiarów ∆t obliczałem korzystając z poniższego wzoru:

gdzie:

t_x - w tabeli 1: wartość temperatury, wyznaczona na podstawie zmierzonej siły termoelektry-cznej i tablic, w tabeli 2 i 3: wartość temperatury, wyznaczonej na podstawie R oraz normy, w tabeli 4: wartość temperatury odczytana z wyświetlacza miernika NT9.

t_w - wartość temperatury zmierzona termometrem wzorcowym.

Na błędy pomiarowe wpływ miały:

- błędy wynikające z zakłóceń zewnętrznych (niestabilność zasilania multimetrów)

- błędy użytych mierników wynikające z dokładności i konstrukcji - miernik cyfrowy mierzy

spadek napięcia na rezystorze zasilanym z tzw. idealnego źródła prądowego; błędy pojawia-

ją się przy przekształcaniu napięcia na postać cyfrową metodą podwójnego całkowania i są

spowodowane nieliniowością przetwarzania,

- błędy wynikające z warunków pomiaru (wyskalowanie mierników w innych warunkach ciś-

nienia, temperatury i wilgotności),

- wpływ rezystancji przewodów i połączeń (długość przewodów).

7.Wnioski.

Bardziej dokładną metoda pomiaru rezystancji jest metoda czteroprzewodowa, wskazuje ona bowiem bezpośrednio stosunek napięcia do prądu. Metoda ta pomija rezystancje przewodów pomiarowych. Opór przewodów pomiarowych pozwala nam ominąć także meto-da trójprzewodowa. Natomiast w metodzie dwuprzewodowej należałoby od wyniku odjąć Re-zystancje przewodów pomiarowych.

W celu wykonania pomiarów temperatury, temperatura spoiny odniesienia musi mieć war-tość stałą i znaną (zmierzoną termometrem wzorcowym). Wartość temperatury spoiny odnie-sienia określa nam przesunięcie charakterystyki. Nie powoduje to jednak zachwiania kształtu otrzymanych pomiarów.

Za pomocą termopary można mierzyć bardzo wysokie temperatury (ponad 1000 ^oC), ter-morezystorem dużo mniejsze.

6

---