Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Produkcji Instytut Technik Wytwarzania

SENSORYKA

http://www.cim.pw.edu.pl/sensoryka

Ćwiczenie 3

Czujniki temperatury

Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem

1. Pomiar temperatury.

1. Wstęp

W pomiarach temperatury wykorzystuje się zależność właściwości materiałów od temperatury. W pierwszych termometrach wykorzystywano zmiany objętości cieczy w funkcji zmian temperatury. Obecnie wykorzystuje się również zmiany rezystancji, ciś­nienia i innych wielkości.

Przy pomiarach pośrednich istnieje w zasadzie dowolność wyboru skali; w trak­cie rozwoju termometrii powstało więc szereg skal temperatur. Obecnie powszechnie stosowana jest międzynarodowa praktyczna skala temperatury, pokrywająca się ze skalą Cels­jusza. Międzynarodowa praktyczna skala temperatury wyznaczona jest przez kilka punktów stałych (tymi punktami są temperatura wrzenia lub krzepnięcia różnych ciał), między którymi dokonuje się interpolacji. Do interpolacji między punktami stałymi, dla przedziału: 180 - 630°C używa się termometru platynowe­go, dla przedziału: 630 - 1063°C - termoelementu platyna-platynarod (10% Rh), a powyżej temperatury 1063°C -pirometru monochromatycznego. Punkty stałe skali przyjęte na międzynarodowej konferencji miar i wag w 1968 r. ze­stawiono w tab. 8.1. Tak zdefiniowana skala temperatury pokrywa się ze skalą termodynamiczną. Poprzednie wersje międzynarodowej skali temperatury (z 1933 r. i 1948 r.) różniły się nieznacznie od skali termodynamicznej.

2. Rodzaje termometrów.

Temperatura jest w przemyśle najczęściej mierzoną wielkością fizyczną. Pomiary temperatury występują we wszystkich właściwie gałęziach przemysłu. Wymaga­ne zakresy i dokładności pomiaru temperatury, żądana postać sygnału wyjścio­wego oraz warunki pracy są przy tym bardzo różnorodne. Zależnie od wymagań stosowane są różne rodzaje termometrów, wykorzystujące różne zjawiska fizycz­ne. Można wyróżnić następujące rodzaje termometrów:

1. Rozszerzalnościowe, w których wykorzystuje się zjawisko rozszerzalności cie­czy lub ciał stałych.

2. Ciśnieniowe, wykorzystujące zależność ciśnienia cieczy lub gazu od tempera­tury, przy stałej ich objętości.

3. Rezystancyjne, w których wykorzystywana jest zależność rezystancji metali (np. platyny, miedzi, niklu) oraz półprzewodników od temperatury.

4. Termoelektryczne, w których wykorzystywane jest zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w obwodzie, w którym dwa złącza dwóch różnych metali znajdują się w różnej temperaturze.

5. Pirometryczne, w których wykorzystywana jest zależność spektralnego roz­kładu promieniowania emitowanego, od temperatury ciała emitującego.

Zakresy pomiarowe różnych rodzajów termometrów zestawiono w tabeli poniżej:

Przy pomiarze temperatury termometrem stykowym między czujnikiem termo­metru a obiektem badanym występuje wymiana ciepła, w wyniku której tempe­ratura czujnika i obiektu powinny się wyrównać. Temperatura czujnika i obiektu badanego wyrównają się w stanie ustalonym, jeżeli istnieje między nimi idealne sprzężenie cieplne.

W rzeczywistości wymiana ciepła między obiektem a czujnikiem odbywa się ze stratami, wskutek czego temperatura czujnika różni się od temperatury obiektu badanego. Ponieważ termometry są konstruowane tak, aby możliwie dokładnie przetwarzały temperaturę czujnika na sygnał wyjściowy, różnica temperatury między czujnikiem a obiektem prowadzi do powstania błędu dodatkowego, niezależnego od klasy termometru.

ΔV=V₀-V₁

przy czym: V₀ - temperatura obiektu (ośrodka), V₁ - temperatura czujnika.

3. Termometry rezystancyjne

W termometrach rezystancyjnych (oporowych) wykorzystuje się zależność rezystancji niektórych metali oraz niektórych półprzewodników od temperatury. Zależność taką wykazują prawie wszystkie znane materiały, jednak tylko nielicz­ne nadają się do wykorzystania w czujnikach temperatury (termometrach). Ma­teriał, z którego ma być wykonany rezystancyjny czujnik temperatury, powinien charakteryzować się stałością charakterystyki rezystancji w funkcji temperatury, dużym współczynnikiem temperaturowym, odpornością na wpływy czynników zewnętrznych. Technologia wytwarzania tego materiału powinna umożliwiać uzyskiwanie czujników o powtarzalnych parametrach.

W praktyce pomiarowej największe zastosowanie znalazły rezystory metaliczne (drutowe lub cienkowarstwowe - napylane), platynowe, niklowe i miedziane oraz półprzewodnikowe, wykonane z tlenków żelaza, manganu, litu i tytanu (tzw. termistory).

Największe znaczenie w miernictwie mają termo rezystory platynowe. Mają one bardzo stabilne i powtarzalne w kolejnych egzemplarzach parametry, jeżeli tylko wykonane są z dostatecznie czystej platyny. Współczynnik temperaturowy rezystancji platyny zależy od jej czystości i jest większy dla czystej platyny. Do wyrobu termorezystorów stosuje się platynę, której współczynnik α jest nie mniejszy niż 0,385. Nieliniowość charakterystyk termorezystorów platynowych w przedziale 0 - 100°C nie przekracza 0,38°C. Właściwości te spowodowały, że w zakresie do ok. 700°C termorezystory platy­nowe służą jako wzorce temperaturowe i umożliwiają wykonywanie najdokład­niejszych pomiarów.

rys. 1.1 Charakterystyki termorezystorów; 1-platynowego, 2-termistora

Termorezystory półprzewodnikowe - termistory charakteryzują się du­żym, prawie dziesięciokrotnie więk­szym niż termorezystory metaliczne współczynnikiem temperaturowym α. Dla porównania na rys. 1.1 przedstawio­no charakterystyki termistora i ter­morezystora platynowego. Jak wi­dać, współczynnik α jest dla termi­stora ujemny (rezystancja termistora maleje ze wzrostem temperatury) i za­leżny od temperatury (charakterysty­ka jest nieliniowa). Termistory są używane w przedziale temperatury ok. -50°C - ok. 150°C, ich podstawową zaletę stanowi duża czułość, główne wady to silnie nieliniowa charakterystyka i duży rozrzut parametrów. Rozrzut para­metrów utrudnia wymianę termistorów w układach pomiarowych, nawet jeżeli dysponujemy elementami z tej samej serii produkcyjnej. Charakterystyki termi­storów mogą być w niewielkim zakresie korygowane przez dołączenie równo­legle lub szeregowo-równolegle korekcyjnych rezystorów manganinowych.

Ter­mistory są wykonywane w postaci prętów, płytek lub drobnych zata­pianych w szkle perełek. Te ostatnie, zwane miniaturowymi, charakteryzują się bardzo małą bezwładnością cieplną.

rys. 1.2 Termistory a) masywne niehermetyzowane, b) perełkowe zatapiane w szkle

Pomiar temperatury z użyciem czuj­ników termorezystancyjnych spro­wadza się do pomiaru rezystancji, je­dną ze stosowanych w miernictwie elektrycznym metod. Najczęściej do takich pomiarów są stosowane mo­stki niezrównoważone oraz równo­ważone ręcznie lub automatycznie.

Stosunkowo duże zmiany rezystancji powodują, że w przypadku mostków nie­zrównoważonych nie można pominąć nieliniowości charakterystyki mostka. Duża czułość termorezystorów na zmiany temperatury powoduje konieczność (dla uniknięcia błędów wynikających z samonagrzewania) ograniczania płynące­go przez nie prądu. Jest to szczególnie ważne przy korzystaniu z termistorów. Błąd dodatkowy, który należy uwzględniać przy pomiarach temperatury z użyciem termorezystorów, jest powodo­wany temperaturowymi zmianami re­zystancji przewodów łączących. Po­nieważ długość połączeń mostka z czujnikiem oraz zmiany temperatury wzdłuż nich mogą być znaczne, błąd ten nie zawsze jest pomijalny.

Schemat układu z kompensacją wpływu zmian rezystancji przewodów łą­czących przedstawiono na rys. 1.3. Zmiany temperatury doprowadzeń powodują zmiany rezystancji w sąsie­dnich gałęziach mostka, a więc nie mają wpływu na jego równowagę.

rys. 1.3 Mostek temometryczny z kompensacją temperaturowych zmian przewodów łączących
(R_v-termorezystor)

4. Termometry termoelektryczne

Do pomiaru temperatury jest wy­korzystywane zjawisko termoelektryczne Seebecka, polegające na powstawaniu zależnej od temperatury siły elektromotorycznej na styku dwóch różnych metali.

W prostym obwodzie zawierającym dwa metale A i B (rys. 1.4) powstaną siły elektromotoryczne. Jeżeli temperatura V₀ jest znana, mo­żna określić temperaturę mierząc wy­padkową siłę termoelektryczną E; złącze dwóch metali może być wykorzystane jako czujnik tempera­tury. Taki czujnik zwany jest termoelementem. Włączenie w obwód termoele­mentu przyrządu do pomiaru siły termoelektrycznej E oznacza wprowadzenie w ten obwód przynajmniej jeszcze jednego przewodu C.

rys. 1.4 Prosty obwód termoelektryczny

Termoelementy otrzymuje się łącząc trwale (przez zespawanie, zlutowanie, zagniecenie) końce drutów z odpowiednich met­ali. W miejscu połączenia powstaje spoina, pozostałe końce drutów są to tzw. końce wolne. Konstrukcja termoelementu zależy od jego przeznaczenia.

rys. 1.5 Dwa sposoby włączania miliwoltomierza w obwód termoelementu

Na rys. 1.6 przedstawiono przykładowo konstrukcję termometru termoelektrycznego typu przemysłowego przeznaczonego do pomiarów temperatury w rurociągach, zbiornikach, piecach itp. Termometr ten ma masywne osłony ceramiczne i meta­lowe i charakteryzuje się dużą bezwładnością cieplną. Wykonywane są również termoelementy przeznaczenia specjalnego do pomiarów powierzchniowych,

rys. 1.6 Budowa czujnika termoelektrycznego oraz budowa termoelementu o małej bezwładności cieplnej

o bardzo małej bezwładności cieplnej i in. Na powyżej przedstawiono interesują­ce rozwiązanie termoelementu o małej bezwładności. Jeden z drutów umiesz­czony jest wewnątrz drugiego i izolowany cienką warstwą tlenku. Spoina znaj­duje się na końcu tak otrzymanego przewodu koncentrycznego o średnicy ze­wnętrznej ok. 0,4 mm.

Parametry najczęściej używanych termoelementów zestawiono w tabeli poniżej. Szcze­gólne miejsce zajmuje wśród nich termoelement platyna-platynorod. Ma on wprawdzie niewielką czułość, ale ze względu na stabilność charakterystyki służy jako wzorzec w zakresie 630 -1063°C. Charakterystyki kilku termoelementów przedstawiono na rys. 1.7.

Do pomiaru sił (napięć) termoelektrycznych są stosowane przyrządy przezna­czone do pomiaru małych napięć stałych, a więc miliwoltomierze magnetoelek­tryczne i cyfrowe oraz kompensatory ręczne i automatyczne.

rys. 1.7 Charakterystyki termoelementów: 1-platyna-platynorod; 2-nichrom-nikiel; 3-żelazo-konstantan; 4-miedź-konstantan

5. Wykonanie ćwiczenia:

Stanowisko pomiarowe składa się z:

• wzorcowego termometru cyfrowego

• multimetru cyfrowego

• komputera z kartą pomiarową wraz z odpowiednim oprogramowaniem

• dwóch badanych czujników (termistor i termopara)

Należy zbadać charakterystykę czujników:

- Termistora (pomiar oporności multimetrem cyfrowym);

- Termopary (pomiar napięcia - wirtualny woltomierz zaprogramowany w LabVIEW, wykorzystujący kartę pomiarową).

rys. 1.8 Program do pomiaru napięcia termopary

Opis działania programu:

• Po uruchomieniu programu wybrać nr kanału, do którego podłączony jest czujnik (domyślnie kanał 0);

• Następnie suwakiem wybrać częstość próbkowania, czyli wartość czasu - co ile milisekund ma być mierzone napięcie;

• Po kliknięci przycisku START mierzone jest napięcie termopary (znika przycisk „Zapis do pliku”). Pomiar jest wykonywany tak długo aż zostanie naciśnięty przycisk STOP. Można kontynuować pomiary wciskając ponownie przycisk START.

• Po zakończeniu rejestracji sygnału, dane należy zapisać do pliku nadając mu odpowiednią nazwę i rozszerzenie txt

• W prawych górnym rogu programu cały czas wyświetlana jest wartość chwilowa napięcia termopary, bez względu na to czy rejestracja jest uruchomiona, czy też nie.

• Wykres zmian napięcia termopary rysowany jest wyłącznie w tracie rejestracji danych.

1. Przykładowe pytania

1. Wymienić i opisać rodzaje termoelementów.

2. Budowa i zasada działania termopary.

3. Budowa i zasada działania termistora.

4. Co to jest bezwładność czujnika?

5. Dlaczego przy pomiarze temperatury termoparą przewody pomiarowe powinny być jak najkrótsze?

6. Gdzie w przemyśle stosuje się czujniki temperatury?

7. Z jaką dokładnością najczęściej mierzona jest temperatura?

8. Wymień inne typy termometrów niż termistor i termopara.

Sensoryka - cw.3: Czujniki temperatury

4

Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW

---