Pomiary temperatury.pdf
(
282 KB
)
Pobierz
Microsoft Word - lab_chemia_pomiary.doc
Laboratoriumchemii
Pomiarytemperatury
5/05/2008
1.Wstęp
Temperaturajestwielkościąfizyczną,którejdokładnypomiarjestniezmiernieistotnyw
wielu dziedzinach nauki i techniki. Klasyczny pomiar termometrem cieczowym jest dość
dokładnym pomiarem, jednak przy dzisiejszym stanie techniki, praktycznie moŜe zostać
wyeliminowany ze współczesnych laboratoriów. Dziś bowiem metod dokładnego pomiaru
temperatury jest wystarczająco duŜo, a co więcej pozwalają na wykorzystanie sygnału
uzyskiwanego z czujnika temperatury jako informacji dla układów regulacyjnych bądź
rejestracyjnych,cowprzypadkutermometrówcieczowychjestniemoŜliwe.
KaŜde urządzenie słuŜące pomiarom temperatury, działa na zasadzie przekształcania
wartości temperatury na inną proporcjonalną do niej wielkość fizyczną. W przypadku
termometrów rtęciowych jest to efekt zmiany gęstości cieczy (np.: rtęci) w efekcie jej
podgrzewanialubochładzaniaprzezumieszczeniewpewnejtemperaturze.
W ćwiczeniu zostaną zaprezentowane współcześnie uŜywane czujniki temperatury.
Wykorzystuje się w nich proporcję zmiany wielkości fizycznych, które łatwo moŜna
rejestrowaćprzywykorzystaniuukładówelektronicznych.Będątotermoparywytwarzające
sygnał napięciowy, układ scalony LM35 – wytwarzający sygnał napięciowy ale o innym
sposobiegeneracjisygnału,Pt100–rezystoryzmieniającewartośćoporuelektrycznegowraz
ztemperaturą,orazwspółczesne,bardzopopularnieuŜywanyukładDs1820,przekształcające
pomiar temperatury na wartość cyfrową i przesyłające go w tej postaci do układu
elektronicznego.
2.Sygnałnapięciowy–termopara.
Działanie czujników temperatury jako źródeł napięciowych, zostanie zbadane na
przykładzietrzechczujnikówtemperatury:termopary,diodypółprzewodnikowej,orazukładu
scalonegoLM35.Wytwarzaniesygnałunapięciowegowczujnikachzwiązanejestzpewnymi
zjawiskamifizycznymi,którezostanąkolejnoomówione.
TermoparyzwaneteŜtermoelementami,generująnapięciedziękiumieszczeniukońców
elementuwróŜnychtemperaturach.Wytwarzaneprzeznienapięcienienadajesiędozasilania
urządzeń elektronicznych, natomiast świetnie sprawdza się w zastosowaniu do pomiaru
temperatury. Historycznie zjawiska fizyczne na podstawie których pracują termopary
pierwszy odkrył T. Seebeck. Przeprowadził on doświadczenie, w którym, w zamkniętym
obwodzieelektrycznym,wykonanymzdwóchróŜnychmetali,zktórychkaŜdyumieszczony
został w innej temperaturze popłynął prąd elektryczny. Przedstawiono to na rysunku 1.
ZjawiskopowstajedziękiróŜnejkoncentracjielektronówwkaŜdymznagrzewanychmetali,
co powoduje powstanie róŜnicy potencjałów na złączu metali, a w sytuacji zamkniętego
obwodu–przepływprąduelektrycznego.TermoparysąniezwykleuŜytecznewpomiarach
temperatury,chociaŜznanesąjuŜpraktycznieponad100lat.Ichgłównązaletąjestbardzo
szerokizakrespomiarutemperatur,nawetdo1000˚C.Poziomywytwarzanychsygnałówsą
jednak bardzo niewielkie. Sygnały wyjściowe termopar, nawet dla złączy o największych
wartościachzmiannapięciaztemperaturątj.FeKonstantan(J)osiągająwartościkilkadziesiąt
mV dla kilkuset stopni Celsjusza (np.: 30,4 mV dla 730˚C). Wymagają więc dokładnych
mikrowoltomierzynapięciastałego,coutrudniaichrejestrację.Narysunku1przedstawiono
typowąkonstrukcjętermopary.
t2
t2
MetalA
MetalB
MetalA
MetalB
t1
prąd
elektryczny
t1
V
Rysunek 1. Konstrukcja złącza termopary. W lewej części rysunku widoczny jest zamknięty
obwód termoelektryczny wykonany z dwóch róŜnych metali (zjawisko Seebecka). W prawej części
rysunkutypowyukładpomiarowytermopary,dokońcówelementuprzyłączonyjestwoltomierz.
Rys1.
Najpopularniejszekonstrukcjetermoparsąoznaczaneliterami:termoelementFeCuNi
(Ŝelazo–konstantan)oznaczanyjestliterąJ,termoelementNiCrNiAloznaczanyjestliterą
K.
Pomiar przy wykorzystaniu termopary np.: typu J, polega na pomiarze napięcia
wytworzonegonakońcachtermoelektrod(narysunku1dołączonyjestwoltomierz).JeŜelit
2
Îtemperaturatzw.spoinypomiarowejwynosi150˚C,tonapięciezmierzoneprzezwoltomierz
wynosi8,010mV,aletylkowsytuacjigdytemperaturawolnychkońców(złączdoktórych
podłączanyjestwoltomierz)wynosi0˚C.Termoelementbowiemwytwarzanapięciezgodnie
z róŜnicą temperatur w jakich umieszczono spoinę pomiarową oraz końce termoelektrod.
Zgodniezoznaczeniaminarysunku1,wytworzonenapięciejestproporcjonalnedot
2
Î t
1
.W
sytuacji gdy spoina pomiarowa zostanie umieszczona w temperaturze t
2
= 150˚C, a
temperaturawjakiejumieszczonot
1
=20˚C,wtedynapięciewytworzonenazłączuwyniesie
6,991 mV dla róŜnicy temperatur 130˚C. Wartości napięć odpowiadających danej
temperaturze,odczytujesięztabelidlakonkretnejkonstrukcjitermopar.
Zatem procedura pomiaru przy wykorzystaniu termoelementu sprowadza się do
następującychkroków:
•
pomiartemperatury wjakiejumieszczonesąkońcówkiczujnikaizamianana
wartośćodpowiadającąwartościnapięcia:np:t
1
=20˚C=1,019mV
•
odczytaniewartościnapięcianawoltomierzu.ZałóŜmy,Ŝeodczytanonapięcie
11,981mV
•
sprawdzenie, czy wartość napięcia zmierzonego jest większa od wartości
napięciaodpowiadającegotemperaturzeotoczenia.Wpodanymprzykładziejest
większa co oznacza, Ŝe temperatury zmierzoną, oraz otoczenia sumujemy,
wynik,otrzymując13,0mV.WtabeliwartościzaleŜnościsiłyelektrotermicznej
od temperatury znajdujemy wartość napięcia. Odpowiada to temperaturze
240˚C.
W sytuacji gdy spoina pomiarowa zostanie umieszczona w temperaturze niŜszej od
temperatury otoczenia t
2
= 5˚C, t
1
= 20˚C, wtedy napięcie wytworzone na złączu będzie
ujemne. Po zsumowaniu z siłą termoelektryczną odpowiadającej temperaturze otoczenia
(1,019 mV 0,766 mV) otrzymane napięcie przekształcamy zgodnie z poprzednimi
wskazówkami.
Konieczność dokładnej znajomości temperatury w której umieszczone są końce
czujnika,powodują,Ŝenaproblemzaczętopatrzećzupełniezinnejstrony.Zamiastdokładnej
kontrolijejwartości,wytwarzasiępewnązgóryznaną,stałąwczasiewartośćtemperatury
odniesienia i umieszcza w niej końce termoelektrod. Metoda ta nazywana w literaturze
stabilizacją temperatury odniesienia jest bardzo popularna. W ćwiczeniu zostanie
przedstawiona przy pomocy dwóch róŜnych temperatur: grzałki specjalnej konstrukcji,
generującej stałą w czasie temperaturę 50˚C, oraz urządzenia zwanego zerostatem,
wytwarzającegoprzyuŜyciuogniwPeltiera0˚C.
Jedną z prostszych sposobów wytworzenia temperatury 0˚C jest wytworzenie
mieszaniny wody z lodem. Dla dobrze zaizolowanego termicznie zbiornika z mieszaniną,
istnieje moŜliwość utrzymywania temperatury odniesienia nawet kilka godzin. Nie jest to
rozwiązaniewygodne,wymagadostarczaniawpewnymodstępieczasulodudomieszaninyi
odbieranianadmiarupowstającejwody.
Znacznie doskonalszą metodą stabilizacji temperaturowej, jest wykorzystanie
termostatugenerującegopewnąwartośćtemperatury.Wćwiczeniuzostaniezaprezentowane
urządzenie dostosowane do współpracy z termoelementem typu J. Urządzenie składa się z
grzałki elektrycznej, do której przymocowane są końce przewodów łączeniowych, oraz
układukontrolującegotemperaturę.
Inną metodą stosowaną w ćwiczeniu jest wykorzystanie wspomnianego wcześniej
zerostatu.Jegodziałanieopartejestopółprzewodnikowyelementchłodzącyzwanyogniwem
Peltiera. Zasada pracy oparta jest o intensywny odbiór energii cieplnej z chłodzonej
powierzchni,cowymagazasilaniaukładuduŜymprądem,itransporcieciepładopowierzchni
przeciwnej.Wymagatointensywnegoodbiorupowstającegociepła.WtymcelunaleŜycały
układ chłodzić wodą, której przepływ naleŜy włączyć przed jego uruchomieniem. Ogniwo
Peltiera pozwala odpompowywać ciepło z danego obszaru i w konsekwencji uzyskiwać
temperaturęniŜsząodtemperaturyotoczenia.
2
1
2
3
3
6
6
4
5
7
Rysunek 2. Urządzenia wykorzystujące metodę kompensacji temperaturowej końców
termoelektrod. W lewej części rysunku przedstawiono termostat elektryczny, w prawej
wykorzystanie mieszaniny wody i lodu. Oznaczenia rysunku 1 – termopara, 2 – przewody
łączeniowe,3–kompensowanetemperaturowoprzewody,4grzałkaelektryczna,5–mieszanina
wodyilodu,6–izolacjacieplna,7–zasilanieobwdodówtermostatu
1
3.Sygnałnapięciowy–złączepółprzewodnikowe
Współczesne elementy półprzewodnikowe, między innymi diody, czy tranzystory, są
wielkim osiągnięciem fizyki ciała stałego. Z powodzeniem wyparły lampy, czy układy
mechaniczne,wwiększościzastosowań.Otworzyłydrogędozupełnienowychzastosowańi
rozwiązańtechnologicznych,niemoŜliwychwcześniej.
Materiały półprzewodnikowe charakteryzują się bardzo małym przewodnictwem
elektrycznym,silniezaleŜnymodtemperatury.Jedyniewtemperaturze0K,sąizolatorami,w
temperaturze pokojowej dysponują juŜ jednak niewielką przewodnością. Ich właściwości
uniemoŜliwiająichkwalifikacjęjakoprzewodników,orazjakodielektryków.
Złącze półprzewodnikowe powstaje z połączenia dwóch materiałów: przewodnictwa
typupitypun.Wmateriałachtypupnośnikiemwiększościowymsątzw.dziury,tj.puste
miejsca w siatce krystalicznej opuszczane przez przesuwające się elektrony. Materiał
tworzonyjest,poprzezzastąpieniewkrysztalekrzemujednegoatomu,przezatomomniejszej
niŜkrzemilościelektronów(np.:aluminium),inaczej,usuniętyzostaje jedenzelektronów
siatki krystalicznej. W ten sposób wprowadzona zostaje „dziura” tj. nośnik ładunku
dodatniego,tzw.akceptor.Materiałtypunjestzkoleidomieszkowanyatomamiowiększej
niŜkrzemilościelektronów,wprowadzającwtensposóbdodatkowyelektron.Posiadająwięc
nadwyŜkęelektronów.Wobecnościpolaelektrycznegonośnikiwiększościowemogąłatwo
przemieszczaćsięwkrysztale,zewzględunaniewielką energięwiązania(około0,1mV),
tworzącwtensposóbprądelektryczny.Jednakprzepływelektronówniejesttakswobodny
jak w przewodnikach. Powstrzymywany jest przez zanieczyszczenia siatki, oraz poprzez
atomydomieszek(tzw.pułapkowanieelektronównacentrachdonorowych).
Oczywiście, nie moŜna w skali atomowej myśleć o idealnie dopasowanym złączu
kryształówdwóchróŜnychmateriałów.Wrzeczywistościzłączewytwarzanejestwewnątrz
jednejstrukturykrystalicznej,odpowiedniomodyfikującjegoobszaryiuzyskującpołączenie
materiałówróŜniedomieszkowanych.
Materiałtypup Materiałtypun
Koncentracja
cząstek
większościowych
Np
Nn
x
Potencjał
x
Rysunek3:Zmianakoncentracjidziurielektronówwobrębieobszarów.
Wykresznajdującysięwdolnejczęścirysunkuprzedstawiapotencjał
złączaniespolaryzowanego.
Wobrębiezłączawystępująprzejścianiektórychelektronówzmateriałutypun,gdzie
stanowiąnośnikiładunkudomateriałutypup.Powodująwtensposóbdodatniąpolaryzację
obszaru typu n, i ujemną obszaru typu p. Podobnie dzieje się z dodatnimi nośnikami
ładunków (dziurami), przeskakującymi z obszaru p do n. Dzieje się tak do czasu aŜ
powstające napięcie powstrzyma przepływ ładunków. Powstające pole elektryczne istnieje
tylkowobrębiezłącza,aobszarypozazłączemsąjednorodneelektrycznie.
W sytuacji niespolaryzowanego złącza powstaje więc na złączu bariera potencjału:
obszar typu n ma dodatni potencjał a materiał p – ujemny (Rysunek 3). Przepływ dziur z
materiałutypupdomateriałutypunjestutrudnione,zewzględunabarierępotencjałuitylko
niewielkaichliczbabędziewstaniejąpokonać.Zdrugiejstrony,niewielkaliczbaładunków
dodatnich znajduje się w materiale typu n, dopływają one do złącza i przedostają się do
obszarutypup–moŜnapowiedzieć,ŜecząstkizsuwająsięzwyŜszegopotencjału.Obydwate
zjawiska tworzą prąd I
0
, który musi być równy, po obu stronach złącza (i przeciwnie
skierowany).JesttoprądwystępującynazłączurównieŜwprzypadkujegopracyzaporowej.
−
qV
0
Wielkościwrównaniu1: ktostałaBoltzmannak=1,380610
23
J/K,Ttotemperaturazłącza,
qßVtoiloczynładunkuprzenoszonegoprzezpotencjałV,czyliwartośćprzenoszonejenergii
I
≈
N
p
( ) ( )
kT
n
=
N
p
obszar
p
e
−
e
jest
nazywanywtermodynamicestatystycznejczynnikiemBoltzmannaijestproporcjonalnydo
prawdopodobieństwawystąpieniapewnegostanurównowagioenergiiE wtemperaturzeT.
Równanie1naleŜyrozumieć,iŜilorazkoncentracjidziurwmaterialendokoncentracjidziur
w materiale p, jest proporcjonalny do prawdopodobieństwa wystąpienia danego stanu
energetycznego.AnalogicznerównaniemoŜnazapisaćdlaelektronówwobszarzepin.
Rysunek4przedstawiazmianękoncentracjinośnikówdodatnichwrazztemperaturą.Widać
wyraźnywpływtemperaturynaichilość,poobustronachzłącza.JeŜelinapięcienazłączu
zostanie zmienione o pewną wartość V, tzn: potencjał obszaru n zostanie obniŜony, a
obszaru p zwiększony, nastąpi przepływ ładunków ujemnych w kierunku obszaru p, oraz
dziurwkierunkuobszarun:
E
E.IloczynkTwtemperaturzepokojowejwynosiwprzybliŜeniu0,025meV.Wyraz
kT
−
q
( )
kT
V
−
V
(2)
I
p
≈
( )
obszar
e
−
qV
q
V
(3)
I
p
≈
( )
kT
obszar
e
kT
⋅
e
JednocześniewciąŜwystępujezjawiskodyfuzjidziurzobszarunielektronówzobszarup,w
stronę przeciwną. Całkowite natęŜenie prądu płynącego przez złącze spolaryzowane, jest
dlaT=20K
dlaT=200K
T=313K
qV/k
Rysunek4:ZaleŜnośćzmianyilorazukoncentracjinośnikówdodatnichod
ilorazuqV/kTdlaróŜnychtemperatur.
obszar
(1)
p
p
Plik z chomika:
tomi78_291
Inne pliki z tego folderu:
O falownikach prosto i zrozumiale.doc
(59 KB)
Sposób oznaczania punktów pomiarowych.doc
(293 KB)
Terminologia i symbole.pdf
(326 KB)
Symbole stosowane w automatyce.doc
(326 KB)
Silniki synchroniczne.ppt
(3889 KB)
Inne foldery tego chomika:
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin