Politechnika Śląska w Gliwicach
Wydział Elektryczny
MUW sem. III, sek. I
Laboratorium miernictwa przemysłowego
Temat: Badanie właściwości statycznych termometrów elektrycznych
Sekcja I: Marcin Zimoń
Grzegorz Wawręty
Damian Knura
Krzysztof Fogel
Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk statycznych oraz podstawowych parametrów wybranych rodzajów czujników termometrycznych na podstawie pomiarów laboratoryjnych. Ponadto należy porównać otrzymane w ten sposób charakterystyki z odpowiednimi dla badanych czujników charakterystykami modelowymi oraz wyprowadzić wynikające stąd wnioski.
Rys. Układ pomiarowy do badania właściwości statycznych elektrycznych czujników temperatury. Na rys. oznaczono:
T1 - termorezystor metalowy np. Cu , Ni lub Pt100 (R0 = 100 Ω),
T2 - termistor (R25 ≈ 470 Ω÷ 1 kΩ),
T3 - termorezystor półprzewodnikowy (np. KTY10),
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),
T8 - czujnik półprzewodnikowy scalony (np. typu LM35 - S),
TK - termorezystor kontrolny (Pt-100),
Wh - mostek Wheatstone'a ,
MC1, MC2 - multimetr cyfrowy (omomierz),
VC1, VC2 - miliwoltomierz cyfrowy.
Program ćwiczenia.
Przeprowadzić identyfikację badanych czujników temperatury na stanowisku laboratoryjnym.
Włączyć przyrządy pomiarowe w celu ustabilizowania ich warunków termicznych.
Zmierzyć temperaturę otoczenia ϑ0 na stanowisku pomiarowym.
Ustawić za pomocą odpowiednich potencjometrów układu komutacyjnego początkowe wskazania miernika VC2 (domyślnie „0”) osobno dla każdego czujnika.
Dokonać odczytów wszystkich przyrządów pomiarowych dla temperatury początkowej.
Przeprowadzić pomiar charakterystyk statycznych Y = f(ϑ) przy ϑ0 = const. poszczególnych czujników oraz sporządzić wykresy tych charakterystyk
Na podstawie zmierzonych charakterystyk wyznaczyć charakterystyki: współczynnika temperaturowego rezystancji αR = f(ϑ), czułości ST = f(ϑ) przy ϑ0 = const. dla poszczególnych termometrów oraz sporządzić ich wykresy.
9. Sporządzić wykresy zależności błędu nieliniowości termometrów od temperatury: δnl = f(ϑ) przy ϑ0 = const.
10. Sporządzić wykresy zależności błędu nieliniowości termometrów od temperatury: δnl = f(ϑ) przy ϑ0 = const.
11. Przeprowadzić analizę porównawczą wyznaczonych charakterystyk termicznych i parametrów statycznych badanych czujników.
13. Przeprowadzić dyskusję wyników pomiarów zakończoną wnioskami.
Przebieg ćwiczenia.
Dokonano pomiaru charakterystyk statycznych. Wyniki zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1.
Wzorcowy |
Dioda D |
Tranzystor T |
Tranz. w ukł. wzm. |
Termopara I |
Termopara II |
termistor |
termorezystor |
°C |
mV |
mV |
V |
mV |
mV |
Ω |
Ω |
22.5 |
610.2 |
626.1 |
2.936 |
-0.02 |
-0.08 |
472.5 |
110.46 |
25.1 |
611 |
627 |
2.925 |
0 |
-0.01 |
441.2 |
111.13 |
26.9 |
603.6 |
620.2 |
2.909 |
0.02 |
0.07 |
402.7 |
111.91 |
28.5 |
600.4 |
616.5 |
2.893 |
0.04 |
0.15 |
371.2 |
112.65 |
30 |
597.2 |
613.1 |
2.878 |
0.06 |
0.22 |
343.8 |
113.44 |
31.7 |
597.1 |
608.4 |
2.867 |
0.08 |
0.27 |
324.3 |
113.96 |
33.3 |
591 |
604.8 |
2.851 |
0.1 |
0.34 |
303.3 |
114.64 |
34.8 |
587.6 |
601.2 |
2.838 |
0.12 |
0.4 |
278.9 |
115.35 |
36.5 |
583.6 |
597.3 |
2.821 |
0.14 |
0.48 |
261.7 |
116.12 |
38 |
580.5 |
594 |
2.808 |
0.16 |
0.53 |
245.3 |
116.79 |
39.5 |
577.4 |
590.7 |
2.793 |
0.17 |
0.6 |
230.1 |
117.47 |
41.4 |
573.9 |
586.9 |
2.778 |
0.2 |
0.68 |
213.2 |
118.22 |
43.5 |
569.5 |
582.2 |
2.759 |
0.23 |
0.78 |
194.2 |
119.2 |
45.6 |
565.3 |
577.7 |
2.739 |
0.25 |
0.87 |
178.8 |
120.1 |
47.6 |
586.8 |
573.1 |
2.718 |
0.28 |
0.97 |
164.3 |
121 |
50 |
555.5 |
567.4 |
2.694 |
0.31 |
1.08 |
147.6 |
122.14 |
52 |
551.3 |
563 |
2.675 |
0.34 |
1.16 |
137.1 |
123 |
53.7 |
547.3 |
559 |
2.656 |
0.36 |
1.24 |
127.9 |
123.8 |
55.5 |
543.6 |
555.1 |
2.640 |
0.38 |
1.32 |
119.3 |
124.56 |
57.1 |
540.1 |
551.4 |
2.623 |
0.41 |
1.4 |
111.8 |
125.3 |
61.4 |
531.7 |
542.3 |
2.586 |
0.46 |
1.59 |
95.5 |
127.04 |
65.4 |
522.7 |
533.3 |
2.544 |
0.52 |
1.77 |
82.3 |
128.87 |
69.7 |
513.6 |
523.9 |
2.5 |
0.58 |
1.97 |
70.5 |
131.13 |
W obliczeniach parametrów statycznych badanych czujników należy uwzględnić funkcję przetwarzania układu komutacyjnego K. Napięcie wyjściowe Uwy tego układu mierzone woltomierzem VC2 opisuje zależność:
gdzie UT (ϑ) - spadek napięcia na wybranym czujniku Ti ; (T5 ,...,T8),
U0 - napięcie odniesienia nastawione dla wybranego czujnika,
ku - wzmocnienie napięciowe.
Współczynnik wzmocnienia napięciowego dla poszczególnych czujników wynosi:
ku = - 4,88 dla czujnika T5 (D), ku = - 4,90 dla czujnika T6 (T),
ku = - 1,02 dla czujnika T7 (Tw), ku = +1,00 dla czujnika T8 (US).
Tabela 2.
D |
T |
Tw |
-0.164 |
-0.18 |
0.011 |
1.352 |
1.2 |
0.026 |
2.008 |
1.96 |
0.042 |
2.664 |
2.65 |
0.057 |
2.684 |
3.61 |
0.068 |
3.934 |
4.35 |
0.083 |
4.631 |
5.08 |
0.096 |
5.451 |
5.88 |
0.113 |
6.086 |
6.55 |
0.125 |
6.721 |
7.22 |
0.14 |
7.439 |
8 |
0.155 |
8.34 |
8.96 |
0.174 |
9.201 |
9.88 |
0.193 |
9.918 |
10.82 |
0.214 |
11.209 |
11.98 |
0.237 |
12.07 |
12.88 |
0.256 |
12.889 |
13.69 |
0.275 |
13.648 |
14.49 |
0.29 |
14.365 |
15.24 |
0.307 |
16.086 |
17.1 |
0.343 |
17.93 |
18.94 |
0.384 |
19.795 |
20.86 |
0.427 |
Na podstawie tab.1 i tab. 2 wyliczono czułość wg wzoru S = Xi - Xi-1
Do obliczenia współczynnika temperaturowego rezystancji termistora skorzystano ze wzoru:
gdzie B stała materiałowa termistora:
Poniżej zamieszczono wyniki obliczeń.
Tabela 3.
SD |
ST |
STw |
ST1 |
ST2 |
Stermi |
Sterm |
αR |
1.516 |
1.38 |
0.015 |
0.02 |
0.08 |
-38.5 |
0.78 |
0.024 |
0.656 |
0.76 |
0.016 |
0.02 |
0.08 |
-31.5 |
0.74 |
0.03 |
0.656 |
0.69 |
0.015 |
0.02 |
0.07 |
-27.4 |
0.79 |
0.032 |
0.02 |
0.96 |
0.011 |
0.02 |
0.05 |
-19.5 |
0.52 |
0.032 |
1.25 |
0.74 |
0.015 |
0.02 |
0.07 |
-21 |
0.68 |
0.029 |
0.697 |
0.73 |
0.013 |
0.02 |
0.06 |
-24.4 |
0.71 |
0.028 |
0.82 |
0.8 |
0.017 |
0.02 |
0.08 |
-17.2 |
0.77 |
0.028 |
0.635 |
0.67 |
0.012 |
0.02 |
0.05 |
-16.4 |
0.67 |
0.026 |
0.635 |
0.67 |
0.015 |
0.01 |
0.07 |
-15.2 |
0.68 |
0.025 |
0.718 |
0.78 |
0.015 |
0.03 |
0.08 |
-16.9 |
0.75 |
0.024 |
0.901 |
0.96 |
0.019 |
0.03 |
0.1 |
-19 |
0.98 |
0.023 |
0.861 |
0.92 |
0.019 |
0.02 |
0.09 |
-15.4 |
0.9 |
0.022 |
0.717 |
0.94 |
0.021 |
0.03 |
0.1 |
-14.5 |
0.9 |
0.021 |
1.291 |
1.16 |
0.023 |
0.03 |
0.11 |
-16.7 |
1.14 |
0.02 |
0.861 |
0.9 |
0.019 |
0.03 |
0.08 |
-10.5 |
0.86 |
0.019 |
0.819 |
0.81 |
0.019 |
0.02 |
0.08 |
-9.2 |
0.8 |
0.018 |
0.759 |
0.8 |
0.015 |
0.02 |
0.08 |
-8.6 |
0.76 |
0.018 |
0.717 |
0.75 |
0.017 |
0.03 |
0.08 |
-7.5 |
0.74 |
0.017 |
1.721 |
1.86 |
0.036 |
0.05 |
0.19 |
-16.3 |
1.74 |
0.016 |
1.844 |
1.84 |
0.041 |
0.06 |
0.18 |
-13.2 |
1.83 |
0.015 |
1.865 |
1.92 |
0.043 |
0.06 |
0.2 |
-11.8 |
2.26 |
0.014 |
Współczynniki regresji obliczono przy pomocy programu „Regresja”:
Tabela 4.
|
Termorezystor met. |
D |
T |
|||
A |
(44.35±0.16)⋅10-2 |
(43.73±0.34)⋅10-2 |
(46.2±0.3)⋅10-2 |
|||
B |
(999.46±0.21)⋅10-2 |
(-106.67±0.43)⋅10-1 |
(-111.5±0.5)⋅10-1 |
|||
|
Tw |
Termopara I |
Termopara II |
Termistor |
||
A |
(93±0.5)⋅10-4 |
(129.1±0.9)⋅10-4 |
(44.21±0.22)⋅10-3 |
(-41.22±0.36)⋅10-3 |
||
B |
(-226.21±0.62)⋅10-3 |
(-33.1±0.11)⋅10-2 |
(-133.1±0.3)⋅10-2 |
(118.8±0.55)⋅10-1 |
Na podstawie współczynników regresji oraz wyników pomiarów obliczono błędy nieliniowości, które zestawiono w poniższej tabeli.
Tabela 5.
δD |
δT |
δTw |
δt1 |
δt2 |
δtermo |
-0.474 |
-0.63 |
0.001 |
0.01 |
0.21 |
90 |
0.252 |
-0.08 |
0.006 |
0 |
0.21 |
89.99 |
0.208 |
-0.06 |
0.002 |
0 |
0.22 |
90.02 |
0.214 |
-0.06 |
0.007 |
0 |
0.22 |
90.14 |
-0.516 |
0.11 |
-0.002 |
0 |
0.2 |
89.91 |
0.034 |
0.12 |
0.003 |
0 |
0.2 |
89.88 |
0.081 |
0.15 |
-0.004 |
0 |
0.19 |
89.92 |
0.161 |
0.17 |
0.003 |
0 |
0.2 |
89.94 |
0.136 |
0.14 |
-0.005 |
0 |
0.18 |
89.94 |
0.111 |
0.12 |
0 |
-0.01 |
0.18 |
89.96 |
-0.001 |
0.02 |
-0.005 |
0 |
0.18 |
89.86 |
-0.02 |
0.01 |
-0.006 |
0 |
0.19 |
89.91 |
-0.069 |
-0.04 |
-0.007 |
-0.01 |
0.19 |
89.88 |
-0.232 |
-0.02 |
-0.006 |
0 |
0.2 |
89.89 |
0.009 |
0.03 |
-0.003 |
-0.01 |
0.2 |
89.97 |
0 |
0.01 |
-0.004 |
0 |
0.19 |
89.94 |
0.069 |
0.03 |
0.005 |
0 |
0.2 |
89.99 |
0.048 |
0 |
0 |
-0.01 |
0.2 |
89.95 |
0.065 |
0.01 |
0.007 |
0 |
0.21 |
89.98 |
-0.094 |
-0.12 |
0.003 |
0 |
0.21 |
89.81 |
0 |
-0.12 |
0.004 |
0.01 |
0.21 |
89.87 |
-0.015 |
-0.19 |
0.007 |
0.01 |
0.22 |
90.22 |
Wnioski:
Ćwiczenie pozwoliło zaznajomić się z charakterystykami poszczególnych elementów oraz wartościami ich czułości. Używając do pomiarów czujników o małej czułości można nie zauważyć małych zmian temperatury. Wszystkie badane czujniki temperatury (oprócz termistora) mają liniową charakterystykę statyczną, co pozwala zastosować je do dokładnych pomiarów. Najmniejsze błędy popełnimy stosując czujniki o liniowej charakterystyce przetwarzania. Jak widać z wykresów najmniejszy błąd ma termopara 1, a największy termorezystor metalowy.