LABORATORIUM Z PODSTAW METROLOGII I TECHNIK EKSPERYMENTU ZAKŁAD MIERNICTWA I OCHRONY ATMOSFERY POLITECHNIKA WROCŁAWSKA		ĆWICZENIE nr 4 TEMAT: SPRAWDZANIE I WZORCOWANIE APARATURY POMIAROWEJ.

I Zestaw przyrządów:

1. miernik do pomiaru temperatury (termometr termoelektryczny)

2. czujnik Pt100 (termometr oporowy)

3. piecyk

II Cel ćwiczenia:

-sprawdzenie miernika do pomiaru napięć termoelektrycznych,

-sprawdzenie i wyznaczenie poprawek mierników do pomiarów temperatur dla termoelementu typu K,

-sprawdzenie i wyznaczenie poprawek termometrów oporowych Pt100 klasy 2.

III Wiadomości wstępne:

Termometr - przyrząd do pomiaru temperatury metodą pośrednią, na podstawie zmiany pod wpływem temperatury właściwości termometrycznej ciała termometrycznego zastosowanego w termometrze.

Zakres mierzonych temperatur i zastosowań termometru w znacznym stopniu zależy od ciała termometrycznego i właściwości termometrycznej. Termometr może służyć do pomiaru dowolnej temperatury w określonym zakresie lub wskazywania tylko wybranych wartości temperatury (wskaźniki temperatury).

Termometr termoelektryczny - przyrząd reagujący na zmianę temperatury zmianą siły termoelektrycznej wbudowanego w niego termoelementu. W osłonie ochronnej, oprócz termoelementu znajdują się zaciski zewnętrzne do przyłączenia elektrycznych przyrządów pomiarowych. Mogą zawierać elementy montażowe lub głowice przyłączeniowe.

Termoelement (termoogniwo, termopara, ogniwo termoelektryczne) - czujnik temperatury wykorzystujący zjawisko Seebecka. Składa się z połączenia dwóch różnych metali.

Termoelementy odznaczają się dużą dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach.

Wadą jest mechaniczna nietrwałość złącza pomiarowego i możliwość przepływu prądu poza obwodem termopary, gdy złącze nie jest izolowane. Izolacja złącza eliminuje ten efekt, ale wydłuża czas reakcji termopary na zmianę temperatury. Dlatego w pomiarach o dużej dynamice zmian stosuje się termopary bez osłony.

Składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów, spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia. Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i "odniesienia") powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur.

Spoina pomiarowa może znajdować się w obudowie o dużym przewodnictwie cieplnym. Instaluje się ją w miejscu pomiaru temperatury. Złącze odniesienia może być umieszczane w ściśle określonej temperaturze odniesienia, np. topniejącym lodzie. Złącze to może nie być złączem bezpośrednim, a zamknięcie obwodu odbywa się poprzez zaciski miernika.

Do budowy wykorzystuje się metale szlachetne: platyna i platynorod, wolfram i molibden, oraz nieszlachetne. Np.: żelazo i miedź-nikiel, miedź i miedź-nikiel, nikiel-chrom i nikiel-aluminium.

Termometr oporowy - wykorzystujący zmianę oporu elektrycznego wraz

z temperaturą. Materiały stosowane w tego typu czujnikach: platyna, brąz, półprzewodniki, specjalne stopy.

Termometrem rezystancyjnym, czysto wykorzystywanym w pomiarach temperatur jest termometr Pt100, o rezystancji 100Ω w 0°C i 138 Ω w 100°C oraz współczynniku α równym α =3,925 10^-3 °C^-1

Wielkością charakterystyczną dla termometrów rezystancyjnych jest również ich czułość. Można ją określić jako zmianę oporu przypadającą na 1°C. Dla termometrów Pt 100 wynosi ona ok. 0,4 Ω/°C.

Wzorcowanie (inaczej: kalibracja) - ogół czynności ustalających relację między wartościami wielkości mierzonej wskazanymi przez przyrząd pomiarowy a odpowiednimi wartościami wielkości fizycznych, realizowanymi przez wzorzec jednostki miary wraz z podaniem niepewności tego pomiaru.

W najprostszym przypadku polega to na określeniu różnicy pomiędzy wskazaniem przyrządu wzorcowego a wskazaniem przyrządu wzorcowanego z uwzględnieniem niepewności pomiaru dokonanego przy pomocy przyrządu wzorcowego.

Celem wzorcowania jest określenie kondycji metrologicznej wzorcowanego przyrządu, określającej jego przydatność do wykonywania pomiarów, w tym również przekazywania jednostki miary, lub poświadczenie, że wzorcowany przyrząd spełnia określone wymagania metrologiczne, przy czym wynik wzorcowania poświadczany jest w świadectwie wzorcowania. Podczas wzorcowania musi być zachowana spójność pomiarowa, czyli nieprzerwany ciąg odniesień do wzorca krajowego lub międzynarodowego.

IV Wyniki pomiarów:

Termoelement typu K nikiel-chrom/nikiel- aluminium (NiCr-NiAl)

Klasa 1,5 ; zakres 1200ºC ; dokładność ±18ºC

Opór linii 10Ω

l.p.	T temperatura nastawiona ºC	A miernik dobry ºC	B miernik wadliwy ºC	P poprawka miernika ºC	u(P) ºC	U(P) ºC
1	100	80	100	0	10,39	20,78
2	200	200	180	20
3	300	300	280	20
4	400	400	380	20
5	500	500	460	40
6	600	600	550	50
7	700	700	640	60
8	800	800	710	90
9	900	900	800	100
10	1000	1000	880	120

Opór linii 0Ω

Klasa B: Δt_g = ±(0,30 +0,005·t)

l.p.	T temperatura nastawiona ºC	C miernik wadliwy ºC	P poprawka miernika ºC	Δtg błąd graniczny ºC
1	52,7	98	-45,3	0,79
2	103,7	121	-17,3	0,905
3	153	170	-17	1,15
4	203	217	-14	1,385
5	250	265	-15	1,625
6	300	315	-15	1,875

V Obliczenia przykładowe

1.

Błąd systematyczny:

Δ = t_M - t_N (gdzie:t_M-temperatura mierzona t_N-temperatura nastawiona)

Poprawka:

P = -Δ = t_N - t_M

np. P₂ = 200 - 180 = 20ºC

Niepewność poprawki (klasa*zakres):

u(P) = (1,5∙1200)/(100∙√3) ≈ 10,39ºC

niepewność rozszerzoną na poziomie ufności α=0,95 (współczynnik

rozszerzenia k=2); Niepewność rozszerzona:

U= k·u(P)= 2·10,39 = 20,78ºC

Krzywa kalibracji:

Punkty, przez którą przechodzi prosta: P(200,180), R(1000,900)

f(t_N)= a∙t_M + b

180 = a∙200 + b, oraz 900 = a∙1000 + b wtedy a=0,9 i b=0

funkcja ma postać:

f(t_N)= 0,9∙t_M

2.

Błąd graniczny miernik C:

Klasa B: Δt_g = ±(0,30 +0,005·t)

np. Δt_g1 = ±(0,30 +0,005·t₁) = 0,3 + 0,005·98 = 0,79ºC

Błąd systematyczny:

Δ = t_M - t_N

Poprawka:

P = -Δ = t_N - t_M

np. P₁ = 52,7 - 98 = -45,3ºC

VI Wykresy

Miernik B:

ponieważ większość punktów znajduje się powyżej zakresu błędu urządzenia, należy wykreślić krzywą poprawkową:

krzywa kalibracji miernika B:

Miernik C:

Pt100

Pt100

VII Wnioski:

W trakcie pierwszej części ćwiczenia sprawdziliśmy mierniki temperatur dla termoelementu typu K do pomiaru napięć termoelektrycznych, miernik A i miernik B. Okazało się, że miernik B wskazuje niepoprawną temperaturę. Im dalej w pomiarach, tym większa była różnica od rzeczywistej temperatury. Wedle charakterystyki błędu systematycznego od temperatury nastawionej okazało się, że większość pomiarów leży nad wyznaczoną granicą błędu. Należało wykreślić krzywą poprawkową. Sprawdziliśmy i wyznaczyliśmy poprawki miernika, a potem wyznaczyliśmy krzywą kalibracji, na podstawie, której będzie można wywzorcować sprzęt.

W drugiej części ćwiczenia sprawdziliśmy i wyznaczyliśmy poprawki termometru oporowego Pt100 klasy 2. Wykreśliliśmy krzywą poprawkową oraz krzywą kalibracji jak w przypadku powyżej.

Celem wzorcowania jest określenie kondycji metrologicznej wzorcowanego przyrządu, określającej jego przydatność do wykonywania pomiarów, w tym również przekazywania jednostki miary, lub poświadczenie, że wzorcowany przyrząd spełnia określone wymagania metrologiczne, przy czym wynik wzorcowania poświadczany jest w świadectwie wzorcowania. Podczas wzorcowania musi być zachowana spójność pomiarowa, czyli nieprzerwany ciąg odniesień do wzorca krajowego lub międzynarodowego.

5

---