V technické praxi je měření teploty samozřejmosti. Tato úloha popisuje dva typy (principy) nejběžnějších teplotních senzorů. Zástupcem pasivních teplotních snímačů je Pt100 a zástupcem aktivních teplotních snímačů je termočlánek.
Zapojte termočlánek k měřicímu přístroji (obr. 1) a změřte přechodové charakteristiky pro vybrané skokové změny teploty.
Zapojte odporový teploměr Pt100 s převodníkem PR 5335 A k měřicímu přístroji (obr. 1) a změřte přechodové charakteristiky pro vybrané skokové změny teploty.
Porovnejte dynamické vlastnosti obou teploměrů na základě porovnání jejich časových konstant.
Zhodnoťte dosažené výsledky.
Obr. 1 Propojení úlohy s PC
Odporové teploměry kovové se používají nejčastěji pro měření teplot v rozsahu -20 až 200 °C, kde je napětí termoelektrického článku příliš nízké a nehodí se k přesnému měření. Měření teploty elektrickými odporovými teploměry je založeno na změně elektrického odporu kovů v závislosti na teplotě, což lze popsat pro rozsah 0 až 630 °C u platinového teploměru vztahem:
kde R (0), R (ϑ) jsou hodnoty odporu při teplotě 0 °C a ϑ °C, ϑ je měřená teplota ve °C, A je konstanta součinitele odporu, pro platinu 3,9075 *10-3 °C-1, B je konstanta součinitele odporu (pro Pt -0,575*10-6 °C-2).
Vlastní měřicí odporový článek je obvykle plochého nebo válcovitého tvaru s bifilárním vinutím drátu o průměru kolem 0,04 mm. Jako izolace se používá slída, sklo a keramika a před vnějšími vlivy je chráněn ochrannou jímkou. Odporové hodnoty jsou definovány podle normy.
Pro převod měřené hodnoty
(odpor) na měřitelnou hodnotu (proud) je použitý modul
PR
5335 A. Je to dvouvodičový programovatelný teplotní
převodník od společnosti
PR electronics, který podporuje
komunikační protokoly HART 5. Slouží k převodu signálů z
průmyslových snímačů (teplotní čidla Pt100, Ni100,
termočlánky, odpory či mV) na standardní analogový proudový
výstup 4–20 mA.
Vstupní signály: RTD (Pt100–Pt1000, Ni100–Ni1000), termočlánky (TC), lineární odpor (0–7000 Ω), stejnosměrné napětí (-800 až +800 mV).
Výstupní signál: Analogový proud 4–20 mA a digitální komunikace HART.
Napájecí napětí: 8 až 35 V DC.
Přesnost měření: ±0,05 % z rozsahu.
Galvanické oddělení: 1,5 kV AC / 50 V.
Pracovní teplota okolí: -40 °C do +85 °C.
Termoelektrický článek tvoří dva vodiče z materiálů odlišných termoelektrických vlastností. Tyto jsou na jednom konci svařeny. Volným koncům se říká srovnávací konec termočlánku. Mezi vodiči srovnávacího konce vznikne termoelektrické napětí, jestliže na měrný konec působí teplota ϑm odlišná od teploty ϑS působící na srovnávací konec. Termoelektrické napětí je funkcí rozdílu teplot obou míst:
.
Prakticky se termočlánky zapojují tak, že měrný spoj se vloží do místa, jehož teplotu chceme měřit, druhé dva konce termočlánku (srovnávací spoj) se vzájemně nespojují a vloží se do místa stálé teploty, např. do termostatu nebo kompenzační krabice. Na tyto dva konce se napojí běžné prodlužovací vedení z homogenního materiálu, které vzniklé napětí přivádí k měřicímu přístroji.
Při aktivní kompenzaci vlivu teploty srovnávacího spoje se do obvodu termočlánku přivádí napětí z pomocného zdroje, jehož velikost závisí na teplotě srovnávacího spoje. Kompenzační obvod je v podstatě Wheatstonův můstek. Můstkové odpory R 1, R2, R4 jsou z manganinového drátu a jsou na teplotě téměř nezávislé. Odpor RCu mění svoji hodnotu se srovnávací teplotou, tím se rozváží můstek a v měřící diagonále dostaneme potřebné kompenzační napětí.
Kompenzační obvody se běžně vyrábějí pro určitý typ termoelektrického snímače s určením rozsahu kompenzace. Obvod kompenzuje i mimo tento rozsah, ovšem s větší chybou. Předpokladem pro dobrou činnost je, aby teplotně závislý odpor RCu měl stejnou teplotu jako srovnávací spoj termočlánku. Aktivní kompenzační obvody jsou většinou napájeny z průmyslové sítě (+6Vss).
Obr. 2 Princip aktivní kompenzace srovnávacího spoje termočlánku
Obr. 3 Tabulka parametrů pro jednotlivé termoelektrické články
Pro měření se využívá kalibrační pícka firmy Ametek ETC400A21. Při obsluze postupujte podle manuálu. Teplota se nastavuje pomocí tlačítek umístěných na předním panelu a její aktuální hodnota je indikována na zobrazovači.
!!! Při manipulaci s kalibračním zařízením a senzory věnujte zvýšenou pozornost ať minimalizujete riziko úrazu a ničení majetku (teplem). Setrvačnost tepelných jevů je velká a teploty jsou vysoké!!!
Máme část přechodové charakteristiky, stejné časové úseky a na sebe navazující a časovou osu. Nakreslíme pomocnou svislici a promítneme na ni přírůstky v obou úsecích. Získané body sklopíme o 90°. Takto vzniklé body spojíme, průsečík této spojnice se svislicí leží na asymptotě přechodového děje. Asymptota je zakreslena čerchovanou čarou. Této metody se používá ke konstrukci ustálené hodnoty při velkých časových konstantách.
Obr. 4 Grafická konstrukce ustálené hodnoty přechodové charakteristiky soustavy prvního řádu
Pro ovládání úlohy a záznam dat je k dispozici aplikace, která umožňuje záznam dat ve formátu *.dbf pro pozdější zpracování v programu Excel. Aplikace obsahuje dvě záložky pro měření na PT100 a měření na termočlánku. Pro prvotní test komunikace slouží tlačítko „START“, kdy aplikace začne zobrazovat měřená data. Tlačítko „SAVE“ slouží pro ukládání dat do souboru (dle nastaveného čísla souboru „File Number“) během vlastního měření.
Obr. 5 Grafické rozhraní pro záznam dat z teploměrů
Propojte jednotlivá zařízení podle obr. 1.
Nastavte postupně teploty na pícce (100ºC, 150ºC, 200ºC). Teplotu na displeji pícky berte jako referenční hodnotu.
Zapněte aplikaci v PC pro obsluhu měřicího přístroje (PT100 – měření proudu, Termočlánek – měření teploty).
Proveďte měření pro jednotlivé skoky teploty pro PT100 a termočlánek (přechodové charakteristiky). Dále pro PT100 je třeba provést převod naměřeného průběhu (proudového výstupu převodníku 4–20 mA) na hodnoty stupně celsia (dle, lineární statické charakteristika PT100).
Pomocí naměřených průběhů porovnejte dynamické vlastnosti obou typů teploměrů.
Určete časové konstanty
snímačů (doba, za kterou dosáhne údaj teploměru
63,2 %
teploty pícky, jestliže provedeme skokovou změnu z teploty okolí
laboratoře na teplotu pícky). Ustálenou hodnotu ověřte
grafickou metodou.
V závěru se vyjádřete k vlastnostem obou typů teploměrů, porovnejte jejich časové konstanty, odhadněte relativní statické chyby teploměrů porovnáním ustálené výstupní teploty čidel, ať už zjištěné experimentálně nebo graficky s teplotou pícky. Zhodnoťte podmínky měření a jejich vliv na přesnost zjištěných údajů.
Jaký je princip termočlánku?
Jaký je princip odporového teploměru?
Jaké znáte způsoby kompenzace teploty srovnávacího konce u termočlánků?
Co je to časová konstanta snímače?
Napište obecný vztah pro odpor kovu v závislosti na teplotě.
Napište obecný vztah pro termoelektrické napětí v závislosti na teplotě měřené a teplotě srovnávací.
