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 - T_W),

T₈ - czujnik półprzewodnikowy scalony (np. typu LM35 - S),

T_K - termorezystor kontrolny (Pt-100),

Wh - mostek Wheatstone'a ,

MC1, MC2 - multimetr cyfrowy (omomierz),

VC1, VC2 - miliwoltomierz cyfrowy.

Program ćwiczenia.

1. Przeprowadzić identyfikację badanych czujników temperatury na stanowisku laboratoryjnym.

2. Włączyć przyrządy pomiarowe w celu ustabilizowania ich warunków termicznych.

3. Zmierzyć temperaturę otoczenia ϑ₀ na stanowisku pomiarowym.

4. Ustawić za pomocą odpowiednich potencjometrów układu komutacyjnego początkowe wskazania miernika VC2 (domyślnie „0”) osobno dla każdego czujnika.

5. Dokonać odczytów wszystkich przyrządów pomiarowych dla temperatury początkowej.

6. Przeprowadzić pomiar charakterystyk statycznych Y = f(ϑ) przy ϑ₀ = const. poszczególnych czujników oraz sporządzić wykresy tych charakterystyk

7. Na podstawie zmierzonych charakterystyk wyznaczyć charakterystyki: współczynnika temperaturowego rezystancji α_R = f(ϑ), czułości S_T = f(ϑ) przy ϑ₀ = const. dla poszczególnych termometrów oraz sporządzić ich wykresy.

9. Sporządzić wykresy zależności błędu nieliniowości termometrów od temperatury: δ_nl = f(ϑ) przy ϑ₀ = const.

10. Sporządzić wykresy zależności błędu nieliniowości termometrów od temperatury: δ_nl = 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. Tw	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 U_wy tego układu mierzone woltomierzem VC2 opisuje zależność:

gdzie U_T (ϑ) - spadek napięcia na wybranym czujniku T_i ; (T₅ ,...,T₈),

U₀ - napięcie odniesienia nastawione dla wybranego czujnika,

k_u - wzmocnienie napięciowe.

Współczynnik wzmocnienia napięciowego dla poszczególnych czujników wynosi:

k_u = - 4,88 dla czujnika T₅ (D), k_u = - 4,90 dla czujnika T₆ (T),

k_u = - 1,02 dla czujnika T₇ (Tw), k_u = +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 = X_i - X_i-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.

---