4 Pomiar temperatury.pdf

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

K ATEDRA E LEKTROTECHNIKI T EORETYCZNEJ I M ETROLOGII

Instrukcja do zaj ħę laboratoryjnych z przedmiotu:

Systemy pomiarowe

Kod przedmiotu: KS 04456

Ę wiczenie nr 4

POMIAR TEMPERATURY

O p r a c o w a ł :

dr in Ň . Jarosław Makal

Białystok 2010

Wszystkie prawa zastrze Ň one.

Wszystkie nazwy handlowe i towarów wyst ħ puj Ģ ce w niniejszej

instrukcji s Ģ znakami towarowymi zastrze Ň onymi lub nazwami

zastrze Ň onymi odpowiednich firm odno Ļ nych wła Ļ cicieli.

Laboratorium Systemów pomiarowych

Ę wiczenie nr 4 : Pomiary temperatury

Cel ę wiczenia:

Studenci zapoznaj Ģ si ħ z zagadnieniem pomiaru statycznego temperatury

dokonanego przy u Ň yciu termorezystora, termoelementu i pirometru. Umiej Ģ

wskaza ę Ņ ródła niepewno Ļ ci przy pomiarze temperatury. Potrafi Ģ zastosowa ę

odpowiedni Ģ metod ħ pomiarow Ģ do wskazanych wymaga ı oraz skonfigurowa ę

elementy systemu pomiarowego na podstawie dost ħ pnych danych producentów.

WST Ħ P

Wg definicji J.C.Maxwella : temperatura ciała jest jego cieplnym stanem,

b ħ d Ģ cym miar Ģ zdolno Ļ ci przekazywania ciepła innym ciałom. Wy Ň sz Ģ warto Ļę

liczbow Ģ temperatury maj Ģ ciała, które intensywniej przekazuj Ģ ciepło innym

ciałom . [5, 7].

Temperatury nie nale Ň y myli ę z ciepłem. Ciepło jest ilo Ļ ci Ģ energii

(cieplnej), która istnieje w okre Ļ lonym obszarze fizycznym. Czym innym jest

pomiar temperatury i czym innym pomiar ciepła (ilo Ļ ci ciepła, strumienia

cieplnego). Z podanej definicji wynika, Ň e podstaw Ģ pomiaru temperatury jest

zjawisko przepływu ciepła. Obejmuje ono przewodzenie (przy bezpo Ļ rednim

zetkni ħ ciu si ħ ), promieniowanie i konwekcj ħ .

Temperatura jest jednym z najwa Ň niejszych parametrów wielu procesów

produkcyjnych. Najbardziej popularne termometry działaj Ģ na zasadzie

rozszerzania si ħ obj ħ to Ļ ci cieczy lub gazu pod wpływem temperatury (np. rt ħę ,

alkohol) albo odkształcenia ciała stałego (termometry bimetalowe). Głównymi

zaletami metod elektrycznych pomiaru temperatury (innych wielko Ļ ci równie Ň )

s Ģ : łatwo Ļę przetwarzania i przekazywania na du Ň e odległo Ļ ci sygnałów

pomiarowych. Rozwój techniki cyfrowej umo Ň liwił przekazywanie i akwizycj ħ

(archiwizowanie) danych pomiarowych bez zakłóce ı .

Wyró Ň nia si ħ zasadniczo pi ħę grup czujników elektrycznych do pomiaru

temperatury. Ich zakresy pomiarowe oraz udział w sprzeda Ň y podano w tabeli 1.

Tabela 1.

Rodzaj czujnika

Zakres pomiarowy w o C Udział w sprzeda Ň y

Termoelementy

-273 ÷ 3000

50%

Termorezystory

-273 ÷ 1000

28%

Termistory

-273 ÷ 250

10%

Zł Ģ cza p-n (elektroniczne)

-273 ÷ 150

Pirometry

-10 ÷ 3000

Laboratorium Systemów pomiarowych

Ę wiczenie nr 4 : Pomiary temperatury

Zamieszczone zestawienie nie zawiera wszystkich rodzajów czujników. Oferta

producentów tych urz Ģ dze ı jest bardzo bogata i ró Ň norodna. W konkretnych

zastosowaniach przy wyborze czujnika nale Ň y uwzgl ħ dni ę przede wszystkim:

− zakres temperatur pracy,

− czuło Ļę ,

− powtarzalno Ļę (wymienialno Ļę czujników),

− dokładno Ļę ,

− własno Ļ ci dynamiczne (stała czasowa),

−

zło Ň ono Ļę układu pomiarowego pracuj Ģ cego z czujnikiem.

POMIAR METOD ġ STYKOW ġ

W tej metodzie czujnik ma bezpo Ļ redni kontakt z badanym obiektem

i wymienia ciepło na drodze przewodzenia. Przyrz Ģ dy, stosowane w tej

metodzie nazywamy termometrami .

2.1 ń ródła bł ħ dów metody stykowej:

Przyło Ň enie czujnika powoduje zmian ħ rozkładu pola temperatury w otoczeniu

tego miejsca. Jest to Ņ ródło tzw. pierwszego składowego bł ħ du metody

stykowej. Bł Ģ d ten (ró Ň nica temperatury miejsca przed i po przyło Ň eniu

czujnika) jest tym mniejszy, im Ļ cianka jest grubsza a czujnik mniejszy

(cie ı szy). W praktyce eliminuje si ħ go stosuj Ģ c czujnik w kształcie cienkiej

płytki z materiału o dobrej przewodno Ļ ci cieplnej i o takiej samej emisyjno Ļ ci

jak badane ciało.

Ļ cianka

T 1

T 2

Rys.1. Przewodzenie ciepła w czujniku cienkowarstwowym o grubo Ļ ci d przylegaj Ģ cym

do Ļ cianki o temperaturze powierzchni T 1 .

Powy Ň sze rozwa Ň ania zakładaj Ģ te Ň , Ň e temperatury stykaj Ģ cych si ħ powierzchni

(badanej i czujnika) s Ģ identyczne i równe T 1 . Jednak wyst ħ puje tam zawsze

pewien spadek temperatury spowodowany oporem kontaktowym wynikaj Ģ cym

Laboratorium Systemów pomiarowych

Ę wiczenie nr 4 : Pomiary temperatury

z faktu niemo Ň liwo Ļ ci zapewnienia idealnego styku dwóch warstw. Jest to

Ņ ródło tzw. drugiego składowego bł ħ du metody . Opór ten mo Ň na zmniejszy ę np.

poprzez zwi ħ kszenie nacisku powierzchniowego, staranne przygotowanie

stykaj Ģ cych si ħ powierzchni lub np. pokrycie powierzchni past Ģ silikonow Ģ .

Temperatura T x rzeczywi Ļ cie mierzona przez czujnik zawiera si ħ

w przedziale [T 1 ,T 2 ] (T 1 >T 2 , gdy Ň otoczenie ma ni Ň sz Ģ temperatur ħ od Ļ cianki).

Jest to tzw. trzeci składowy bł Ģ d metody .

2.2 Czujniki termoelektryczne (generacyjne)

Czujniki termoelektryczne wykorzystuj Ģ zjawisko odkryte w 1821 roku

przez Thomasa Johanna Seebecka (1770-1831), polegaj Ģ ce na powstawaniu

ró Ň nicy potencjałów mi ħ dzy zł Ģ czami dwóch ró Ň nych metali, gdy miejsca styku

tych metali znajduj Ģ si ħ w ró Ň nych temperaturach. Przyczyn Ģ tego zjawiska jest

ró Ň na koncentracja swobodnych elektronów po obu stronach styku dwóch

ró Ň nych metali w okre Ļ lonej temperaturze.

T 1

T 2

Rys. 2. Ilustracja zjawiska Seebecka (obwód zamkni ħ ty)

Dalsze badania tego zjawiska doprowadziły do odkrycia tzw. zjawiska Peltiera

(1834r) i zjawiska Thomsona (1856r). Jean Charles Peltier (1785-1845)

stwierdził, Ň e gdy pr Ģ d przepływa przez miejsce zł Ģ czenia dwóch ró Ň nych

metali, to zale Ň nie od kierunku przepływu pr Ģ du przez zł Ģ cze, zł Ģ cze to

nagrzewa si ħ lub ozi ħ bia (nie uwzgl ħ dniaj Ģ c oczywi Ļ cie ciepła Joule’a

Q = ). Na bazie tego zjawiska

buduje si ħ obecnie specjalne baterie stosowane w urz Ģ dzeniach medycznych

i elektronicznych, np. w chłodziarkach do transportu organów do transplantacji.

Wiliam Thomson, lord Kelvin (1824-1907) odkrył, Ň e w jednorodnym

przewodniku, w którym istnieje gradient temperatury, podczas przepływu pr Ģ du

elektrycznego wydziela si ħ (lub pochłania) ciepło proporcjonalnie do ró Ň nicy

temperatur, nat ħŇ enia pr Ģ du, czasu przepływu i rodzaju przewodnika.

cRI

Laboratorium Systemów pomiarowych

Ę wiczenie nr 4 : Pomiary temperatury

wydzielaj Ģ cego si ħ w ka Ň dym przewodzie

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: