laboratorium automatyzacji porocesów wentylacji i klimatyzacji.

Temat(9) : Badanie charakterystyk statycznych i skokowych czujników temperatury.

Wykonali:

yabols

Rok akad. 1999/00

Prowadzący :

dr hab.inż. Bernard Zawada

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z charakterystykami statycznymi i skokowymi najczęściej stosowanych czujników temperatury oraz ocena dokładności i szybkości przetwarzania czujników.

2. Zakres ćwiczenia.

1. pomiary charakterystyk statycznych czujników oporowych typu Pt100, Pt1000, NTC oraz czujnika termoelektrycznego
   (termopary),

2. obliczenie współczynników funkcji aproksymującej charakterystyki statyczne czujników,

3. obliczenie wskaźników dokładności statycznej dla wybranego czujnika,

4. pomiary charakterystyk skokowych wybranego czujnika oporowego oraz termoelektrycznego przy różnych rodzajach mediów,

5. obliczenie wskaźników szybkości przetwarzania wybranych czujników.

3. Opis ćwiczenia.

Ćwiczenie realizowane było przy użyciu ultratermostatu i miernika rezystancji. W ćwiczeniu ustawialiśmy temperaturę wody wg wartości zadanych i odczytywaliśmy wartości oporów poszczególnych czujników, po ustaleniu się temperatury zadanej. Kontroli temperatury dokonywaliśmy przy użyciu termometru rtęciowego.

Pomiary przeprowadziliśmy się dla trzech typów czujników: PT 100, PT 1000 i NTC dla kolejnych wartości zadanych, zmieniających się co 10⁰C, czyli 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90⁰C.

4. Opracowanie wyników.

a) właściwości statyczne

Oceny właściwości statycznych czujników mogliśmy dokonać dzięki komputerowemu systemowi pomiarowemu S10 Hewlett-Packard.

Wartości oporów (napięcia) zmierzone podczas doświadczenia dla wszystkich czujników przedstawione są w Tabeli 1. Porównanie tych wyników z wartościami tablicowymi przedstawia Tabela 2.

Tabela 1 - Wartości oporów (napięcia) czujników.

Temperatura zadana	Opory poszczególnych czujników rezystancyjnych
	PT 100	PT 1000	NTC	VTC
*C	*	*	k*	mV
25	110,55	1098,0	18820	0,211
30	112,48	1117,7	15034	0,412
40	116,3	1156,4	9678	0,824
50	120,06	1194,2	6498	1,238
60	124,11	1233,5	4217	1,689
70	128,06	1272,7	2901	2,103
80	131,81	1310,7	2003	2,560
90	135,69	1349,3	1434	3,013

Tabela 2 - Porównanie z wartościami tablicowymi.

	PT 100	PT 1000	NTC	VTC	PT 100	PT 1000	NTC	VTC
	pomierzone				tablicowe
temp.[^0C]	*	*	k*	mV	*	*	k*	mV
25	110,55	1098	18820	0,211	109,73	1097	20000	0,992
30	112,48	1117,7	15034	0,412	111,7	1117	15884	1,196
40	116,3	1156,4	9678	0,824	115,5	1155	10148	1,611
50	120,06	1194,2	6498	1,238	119,4	1194	6673	2,035
60	124,11	1233,5	4217	1,689	123,2	1232	4474	2,467
70	128,06	1272,7	2901	2,103	127,1	1271	3100	2,908
80	131,81	1310,7	2003	2,560	130,9	1309	2170	3,357
90	135,69	1349,3	1434	3,013	134,7	1347	1540	3,813

Tabela 3 - przedstawia wartości temperatur odczytane z tabel dla poszczególnych czujników na podstawie zmierzonych oporności (napięć).

Temperatura [^0C]
PT100	PT 1000	NTC	VTC
27,13	25,08	26,5	6,5
32,05	30,05	31,4	11,0
42,00	40,13	41,5	20,5
51,76	50,00	51,6	31,0
62,25	60,05	60,3	41,4
72,48	70,52	71,2	51,4
82,39	80,58	81,3	62,1
92,62	90,66	91,0	72,8

Wartości błędów względnych i bezwzględnych przedstawione na wykresach oraz zamieszczone w tabelach zostały obliczone według poniższych wzorów:

Błąd względny:

Błąd bezwzględny:

* = t_odczytana - t_zadana [*C]

Błędy względne i bezwzględne czujnika Pt 100 odniesione do [⁰C] przedstawia Tabela 4, natomiast odniesione do [Ω] przedstawia Tabela 5.

Tabela 4 - Błędy odniesione do ⁰C.

Zakres pomiarowy	Bezwzględny błąd przetwarzania	Względny błąd przetwarzania
	Pt 100	Pt 100
%	°C	%
0,0	2,13	8,52
14,3	2,05	6,83
28,6	2,00	5,00
42,9	1,76	3,52
57,1	2,25	3,75
71,4	2,48	3,54
85,7	2,39	2,99
100,0	2,62	2,91

Tabela 5 - Błędy odniesione do Ω.

Zakres pomiarowy	Bezwzględny błąd przetwarzania	Względny błąd przetwarzania
	Pt 100	Pt 100
%	°C	%
0,0	-0,82	-0,75
14,3	-0,78	-0,70
28,6	-0,80	-0,69
42,9	-0,66	-0,55
57,1	-0,91	-0,74
71,4	-0,96	-0,76
85,7	-0,91	-0,70
100,0	-0,99	-0,73

5. Wartości zgodności charakterystyki czujnika Pt 100.

Wartości zostały odczytane z wykresu względnego błędu przetwarzania.

* niezależna: 1,18 %

* odniesiona do krańców przedziału: 2,47 %

6. Wzory aproksymacyjne dla charakterystyk poszczególnych czujników.

• Dla czujnika NTC aproksymację przeprowadziliśmy funkcją postaci :

Wielkości a oraz b wyznaczone zostały z poniższych przekształceń:

po uporządkowaniu:

Czyli:

Zatem wyznaczone współczynniki funkcji aproksymującej charakterystyki czujnika NTC:

a=62,6789

b=0,00002738

Wzór aproksymacji ma postać:

t=62,6789⋅e ^{-0,00002738⋅R}

• Dla pozostałych czujników aproksymację przeprowadziliśmy funkcją postaci:

t=a+(b⋅R)

Wyznaczone współczynniki funkcji aproksymującej charakterystyki czujnika Pt 100:

a=-260,12

b = 2,580

a więc wzór ma postać:

t=-260,12+ 2,58⋅R

Wyznaczone współczynniki funkcji aproksymującej charakterystyki czujnika Pt 1000:

a=-259,05

b=0,259

a więc wzór ma postać:

t=-259,05+0,259⋅R

Wyznaczone współczynniki funkcji aproksymującej charakterystyki czujnika VTC:

a=20,67

b=23,21

a więc wzór ma postać:

t=20,67+23,21⋅R

b) właściwości dynamiczne

Charakterystyki dynamiczne zostały wykreślone dla różnego rodzaju otoczenia czujnika - woda i powietrze. Przedstawiają je załączone wykresy.

7. Wnioski.

Na podstawie przeprowadzonego badania możemy stwierdzić, że najbardziej dokładnym czujnikiem jest czujnik Pt1000, którego charakterystyka doświadczalnie wykreślona pokrywa się z charakterystyką tablicową

Dla czujników typu Pt100 i NTC charakterystyki doświadczalne zbliżone są kształtem do charakterystyk tablicowych jednakże ich wartości pomiarowe są nieco przesunięte w stosunku do tablicowych. Charakterystyka czujnika NTC nie jest liniowa , jak to się ma w przypadku Pt100, ponieważ opór elektryczny nie jest wprost proporcjonalny do temperatury co w rezultacie daje nam charakterystykę wykładniczą.

Z doświadczenia wynika, że najmniej dokładnym czujnikiem temperatury jest termopara, ponieważ różnice pomiędzy wartościami zmierzonymi trzema pierwszymi czujnikami a termoparą wynosi około 20K

W przypadku charakterystyk skokowych czujników RTD i TC mogliśmy określić ich bezwładność, czyli uzyskać wskaźniki szybkości przetwarzania. Porównując wykresy dla obydwu czujników możemy wywnioskować, że czujnik TC reagował szybciej na zmiany temperatury i jego wskazania ustalały się szybciej. Różnica ta jest zauważalna na wykresie obrazującym wskazania czujników w temperaturze powietrza otaczającego - po wyjęciu z wody. Aby osiągnąć stan ustalony czujnik TC potrzebował ponad 14 minut, gdy w przypadku czujnika RTD czas ten wynosił około 20 minut. Czas ustalania nie zależy nie tylko od czujnika, ale od medium, którego temperaturę dany czujnik mierzy. Biorąc pod uwagę czujnik TC czas ustalania wartości temperatury powietrza (jak wyżej) wynosił około 14 minut, natomiast w przypadku wody tylko 60 sekund. W przypadku czujnika RTD czasy te wynoszą odpowiednio 20 minut oraz 67 sekund. Takie różnice zależą w głównej mierze od intensywności przejmowania ciepła danego czynnika. Porównując wykresy dla wody i powietrza można zauważyć, że w stanie ustalonym w otoczeniu powietrza wartości temperatury mierzone przez czujnik TC wahają się minimalnie co jest spowodowane ruchem powietrza w pomieszczeniu. Dowodzi to faktu, że czujnik TC reaguje szybciej, gdyż zmiany temperatury mierzone przez czujnik RTD są niezauważalne.

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - INSTYTUT WENTYLACJI I OGRZEWNICTWA

1

---