Metrologia Przemysłowa - laboratorium
Ćwiczenie 5
BŁĘDY INSTALACYJNE TERMOMETRÓW
TERMOELEKTRYCZNYCH
Instrukcja laboratoryjna
„Człowiek - najlepsza inwestycja”
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa 2009
2
Ć
wiczenie 5
„Bł
ę
dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”
Sensory i przetworniki pomiarowe
wielko
ś
ci termodynamicznych
1 WSTĘP
Podstawowym problemem przy projektowaniu instalacji do pomiaru temperatury za pomo-
cą termometrów termoelektrycznych jest pozbycie się wpływu szkodliwych napięć generowa-
nych na złączach instalacji. Do tego celu stosowane są specjalne przewody kompensacyjne
Celem ćwiczenia jest poznanie źródeł błędów występujących przy pomiarze temperatury
termometrami termoelektrycznymi na drodze teoretycznej oraz doświadczalne wyznaczenie
wartości błędów wynikających z niewłaściwego dobrania przewodów kompensacyjnych dla
danego termoelementu.
2 ŹRÓDŁA BŁĘDÓW TERMOMETRÓW TERMOELEKTRYCZNYCH
Błąd pomiaru temperatury termometrem termoelektrycznym składa się z:
a)
podstawowego błędu miernika napięcia generowanego przez termoelement lub
przetwornika tego napięcia na sygnał standardowy
b)
błędów dodatkowych miernika/przetwornika wynikających z zainstalowania
go w innych warunkach niŜ przewidziane dla tego rodzaju przyrządu
c)
błędu samego termoelementu, który moŜe przybierać dowolne wartości w gra-
nicach tolerancji określonych przez normę
d)
błędów wnoszonych przez obwód zewnętrzny układu pomiarowego.
W praktyce błędy wnoszone przez obwód zewnętrzny układu pomiarowego są często lek-
cewaŜone. Błędy te wynikają przede wszystkim ze sposobu podłączenia termoelementu do
przyrządów współpracujących i często są wielokrotnie większe niŜ błędy samego miernika lub
przetwornika.
Najczęściej spotykane błędy instalacyjne to:
a)
umieszczenie miernika/przetwornika w miejscu o zmiennej temperaturze
b)
błędy spowodowane zmianą temperatury spoin odniesienia, co najczęściej
ma miejsce z braku odpowiedniego termostatu spoin odniesienia lub braku
kompensacji temperatury spoin odniesienia
c)
niewłaściwe wyzerowanie miernika/przetwornika bez uwzględnienia rze-
czywistej temperatury odniesienia
d)
niedopasowanie rodzaju przewodów do typu termoelementu
e)
nie zachowanie zgodności biegunów przy połączeniu przewodami kompen-
sacyjnymi czujnika z miernikiem
f)
nie dopasowanie rezystancji obwodu zewnętrznego do miernika
g)
szkodliwe napięcia termoelektryczne lub elektrochemiczne generowane po-
przez wykonywanie połączeń przewodami i zaciskami wykonanymi z róŜ-
nych materiałów.
Poza wyŜej wymienionymi źródłami błędów waŜny jest teŜ sposób zabudowania czujnika
na obiekcie, którego temperatura jest przedmiotem pomiaru. Czujnik zwykle umieszczony jest
w osłonie (tulei termometrycznej), przez którą następuje odprowadzanie ciepła do otoczenia
Ć
wiczenie 5
3
„Bł
ę
dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”
Sensory i przetworniki pomiarowe
wielko
ś
ci termodynamicznych
lub odwrotnie. Wskutek tego temperatura spoiny pomiarowej róŜni się od temperatury w
miejscu pomiaru.
Dla zmniejszenie tych efektów naleŜy stosować tuleje o moŜliwie duŜej głębokości zanu-
rzenia, ok. 15 średnic zewnętrznych tulei. JeŜeli z uwagi na małą średnicę rurociągu warunek
ten jest trudno spełnić, moŜna czujnik zamontować pochylony pod kątem ok. 45
°
lub zamon-
tować go na łuku (rys. 1).
Ponadto naleŜy zaizolować cieplnie wystającą część tulei, jeśli pomiar jest w rurociągu ko-
rzystnie jest zaizolować cieplnie takŜe fragment rurociągu w sąsiedztwie czujnika temperatu-
ry.
Przy pomiarze wysokich temperatur czujniki naleŜy instalować pionowo.
Korzystne jest teŜ zastosowanie osłon zabezpieczających czujnik przed promieniowaniem.
DuŜa liczba źródeł błędów (a wymienione powyŜej to tylko te najczęściej występujące w
praktyce) powoduje, Ŝe dokładne pomiary temperatury za pomocą termometrów termoelek-
trycznych moŜliwe są tylko przy spełnieniu wymagań co do ich instalacji i uŜytkowania.
3 WPŁYW TEMPERATURY SPOIN ODNIESIENIA
Na kaŜdym styku dwóch róŜnych przewodnikach powstaje napięcie termoelektryczne za-
leŜne od temperatury. Miernik reaguje na sumę tych napięć.
Rys. 1 Sposoby zabudowy
czujnika termometru
4
Ć
wiczenie 5
„Bł
ę
dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”
Sensory i przetworniki pomiarowe
wielko
ś
ci termodynamicznych
1
T
A
B
Cu
mV
Cu
T
0
Rys. 2. Schemat podstawowy termometru termoelektrycznego
W układzie wg rys. 2 napięcie to jest równe
( )
( )
0
1
T
e
T
e
E
AB
AB
−
=
(1)
Przyjęto załoŜenie, Ŝe obydwa wolne końce termoelementu znajdują się w tej samej tempe-
raturze T
0
. ZałoŜenie to jest słuszne, gdy obydwa wolne końce termoelementu znajdują się w
takiej samej temperaturze. ZałoŜenie to jest spełnione, gdy obydwa końce znajdują się blisko
siebie, co zazwyczaj jest spełnione.
JeŜeli miernik musi być z jakichś względów oddalony od obiektu, którego temperatura jest
mierzona, połączenia wykonuje się przewodami kompensacyjnymi (rys. 3).
A
T
1
B
mV
Cu
Cu
0
T
T
g
a
b
Rys. 3. Układ połączeń termoelementu za pomocą przewodów kompensacyjnych
Wypadkowa wartość napięcia termoelektrycznego w takim układzie wynosi
( )
( ) ( )
( )
0
1
T
e
T
e
T
e
T
e
E
ba
g
aA
g
Bb
AB
+
+
+
=
(2)
Ć
wiczenie 5
5
„Bł
ę
dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”
Sensory i przetworniki pomiarowe
wielko
ś
ci termodynamicznych
JeŜeli materiały termoelektrod i przewodów kompensacyjnych są takie same, a więc A = a
oraz B = b to wówczas
( )
( )
0
0
T
e
T
e
AB
ab
=
( )
0
=
g
Bb
T
e
( )
0
=
g
aA
T
e
i równanie (2) przyjmie postać
( )
( )
0
1
0
T
e
T
e
E
AB
AB
−
=
(3)
JeŜeli warunek ten nie jest spełniony, to powstanie błąd
0
1
E
E
E
−
=
∆
(4)
JeŜeli przewody kompensacyjne nie zostaną dobrane prawidłowo, to naleŜy uwzględnić
wszystkie składniki równania (2).
Dla uniknięcia błędów spowodowanych niewłaściwym doborem przewodów kompensa-
cyjnych są one oznaczane za pomocą barwnych pasemek wplecionych w ekran przewodu (rys.
4).
Oznaczenia te są znormalizowane w skali międzynarodowej.
W przypadku wątpliwości naleŜy sprawdzić przynajmniej jeden punkt charakterystyki ter-
moelementu wraz z przewodami kompensacyjnymi.
Rys. 4 Oznaczenia barwne przewodów kompensacyjnych
4 BŁĄD POMIARU TEMPERATURY SPOWODOWANY NIEZGODNOŚCIĄ
BIEGUNÓW PRZY WŁAŚCIWYCH PRZEWODACH KOMPENSACYJNYCH
6
Ć
wiczenie 5
„Bł
ę
dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”
Sensory i przetworniki pomiarowe
wielko
ś
ci termodynamicznych
Bardzo waŜne jest zachowanie zgodności biegunów przewodów kompensacyjnych z
końcówkami termoelementu w głowicy czujnika temperatury. W przypadku niewłaściwego
połączenia w miejscach łączenia powstaną dodatkowe napięcia termoelektryczne błąd
wskazania będzie znacznie większy, niŜ gdyby zamiast przewodów kompensacyjnych za-
stosować powszechnie stosowane przewody miedziane.
T
1
B
A
T
g
b
a
mV
T
0
Cu
Cu
Rys. 5. Niezgodność biegunów przewodów kompensacyjnych przy połączeniu z termoelementem
( )
( )
( )
( )
( )
g
bA
Cb
aC
g
Ba
AB
T
e
T
e
T
e
T
e
T
e
E
+
+
+
+
=
0
0
1
2
(5)
Uwzględniając prawo trzeciego metalu otrzymujemy
( )
( ) ( )
( )
0
1
2
T
e
T
e
T
e
T
e
E
Ab
g
bA
g
Ba
AB
+
+
+
=
(6)
Błąd w tym przypadku wynosi więc
0
2
2
E
E
E
−
=
∆
(7)
5 BŁĄD POMIARU TEMPERATURY SPOWODOWANY REZYSTANCJĄ
OBWODU ZEWNĘTRZNEGO MIERNIKA
Błąd dodatkowy spowodowany zmiana rezystancji zewnętrznej wyraŜa się wzorem
(
)
0
t
t
R
R
R
t
W
Z
W
Z
R
−
+
∆
=
∆
(8)
gdzie
∆
R
Z
– zmiana rezystancji obwodu zewnętrznego, R
W
– rezystancja wewnętrzna mierni-
ka, R
Z
– znamionowa rezystancja zewnętrzna dla danego miernika, t
W
– temperatura wskazy-
wana, t
0
– temperatura odniesienia.
Ć
wiczenie 5
7
„Bł
ę
dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”
Sensory i przetworniki pomiarowe
wielko
ś
ci termodynamicznych
Z wzoru (8) wynika, Ŝe błąd dodatkowy jest tym mniejszy im większa jest rezystancja we-
wnętrzna miernika. Dla współczesnych mierników elektronicznych o duŜej rezystancji we-
wnętrznej błąd ten jest pomijalny. Dla tradycyjnych mierników analogowych, stosowanych w
przypadkach, gdy chcemy zbudować układ pomiaru temperatury bez napięcia zasilającego,
błąd ten trzeba wziąć pod uwagę i skompensować, np. poprzez indywidualne wywzorcowanie
kompletnego układu pomiarowego.
6 PRZEBIEG ĆWICZENIA
Podczas ćwiczenia badane będą błędy wywołane niedopasowaniem przewodów kompensa-
cyjnych do danego termoelementu dwoma metodami: teoretycznie i doświadczalnie.
6.1
Część teoretyczna
Część teoretyczna obejmuje obliczenie wartości błędu przy połączeniu do głowicy termo-
elementu NiCr – NiAl niewłaściwie dobranych przewodów kompensacyjnych przy zastoso-
waniu wzorów (2), (3) i (4) oraz tablicy 2. Rodzaj przyłączanych przewodów kompensacyj-
nych wskaŜe prowadzący ćwiczenie.
0
T
1
T
A
B
T
g
mV
a
4
3
a
2
a
a
1
4
b
2
b
3
b
b
1
P
Rys. 6. Schemat układu pomiarowego:
T
1
– temperatura spoiny pomiarowej termoelementu,
A – termoelektroda termoelementu NiCr,
B – termoelektroda termoelementu NiAl,
a
1
, b
1
– przewody kompensacyjne do termoelementu NiCr – NiAl,
a
2
, b
2
– przewody kompensacyjne do termoelementu PtRh10 – Pt,
a
3
, b
3
– przewody kompensacyjne do termoelementu Fe – konstantan,
a
4
, b
4
– przewody kompensacyjne do termoelementu Cu – konstantan,
P – przełącznik przewodów.
8
Ć
wiczenie 5
„Bł
ę
dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”
Sensory i przetworniki pomiarowe
wielko
ś
ci termodynamicznych
6.2
Część doświadczalna
W części doświadczalnej wyznaczana jest wartość błędu obliczonego w części teoretycz-
nej.
7 WYKONANIE POMIARÓW
1. Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem podanym na rys. 6.
2. Umieścić termoelement w piecu i podgrzewać jego spoinę pomiarową do temperatury
150 – 200
°
C, wygrzewać go przez okres ok. 30 minut.
3. Umieścić głowicę termoelementu z przyłączonymi przewodami kompensacyjnymi w
termostacie
4. Zmierzyć kolejno napięcia termoelektryczne za pomocą woltomierza cyfrowego, przy-
łączając kolejno przewody kompensacyjne od a
1
, b
1
do a
4
, b
4
. Wyniki pomiarów zano-
tować w tabelce, wykonując kolejno po 3 pomiary przy temperaturze głowicy T
g
równej
temperaturze otoczenia i temperaturze T
0
= 0
°
C.
5. Włączyć termostat i ustalić temperaturę głowicy T
g
= 50
°
C i zmierzyć wartość napięcia
termoelektrycznego jak w p. 4 po ustaleniu się wskazania, tj. po ok. 20 min.
6. Ustawić temperaturę w termostacie na wartość 100
°
C i wykonać pomiary jak w p. 4 i 5.
7. Wyznaczyć róŜnice wartości napięcia termoelektrycznego zgodnie z wzorem (4), gdzie
E
0
to wartość napięcia termoelektrycznego dla układu z prawidłowo dobranymi przewo-
dami kompensacyjnymi, tj. a
1
i b
1
.
8 OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA
W sprawozdaniu podać:
1.
Opis stanowiska pomiarowego i przebieg wykonywania ćwiczenia
2.
Wyniki obliczeń teoretycznych błędów dla wybranego układu pomiarowego
3.
Wyniki badań doświadczalnych (w tabelce)
Tablica 1. Wyniki pomiarów
Rodzaj termoele-
mentu
Rodzaj przewodów
kompensacyjnych
temperatura
°
C
Wartość śred-
nia błędu
T
1
T
g
T
0
mV
°
C
Ć
wiczenie 5
9
„Bł
ę
dy instalacyjne termometrów termoelektrycznych”
Sensory i przetworniki pomiarowe
wielko
ś
ci termodynamicznych
Tablica 2. Wartości napięcia termoelektrycznego róŜnych metali względem platyny w
temperaturze 100
°
C, przy temperaturze odniesienia równej T
0
= 0
°
C.
Metal
Napięcie ter-
moelektryczne
Kopel
-4,0
Konstantan
-3,51
Alumel
-1,29
Platyna
0
Platynorod PtRh10
+0,645
Miedź
+0,76
ś
elazo
+1,98
Chromel
+2,81
Bibliografia
[1] Pomiary cieplne, cz. 1. Praca zbiorowa. WNT, Warszawa, 1993
[2] Turkowski M. Przemysłowe sensory i przetworniki pomiarowe. Oficyna Wydawnicza
Politechniki Warszawskiej, wyd. 2000 lub 2002 r.