LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

3. POMIARY TEMPERATURY TERMOMETRAMI STYKOWYMI

3.1. Wprowadzenie

Jednym z najistotniejszych parametrów stanu każdej materii jest jej temperatu-

ra. Spełnia ona istotną rolę pozytywną bądź negatywną w niemal wszystkich procesach tech-

nologicznych i produkcyjnych. Względy te sprawiają, iż pomiar temperatury i jej kontrola są

zadaniem bardzo często niezbędnym. Zadanie to, mimo swej powszechności i częstości do-

konywania, należy do trudnych, gdyż uwarunkowane jest naturą zjawiska, które nazywa się

ciepłem. Stwierdzenie zmian objętości płynów pod wpływem temperatury było podstawą

pierwszych definicji skal temperatury. Temperaturę na ogół wyraża się w stopniach skali

względnej lub bezwzględnej.

Stosowane skale: Celsjusza (°C), Fahrenheita (°F) i Reauműra zalicza się do skal

względnych. Natomiast skala Kelvina, zwana jest skalą bezwzględną lub termodynamiczną;

zaprezentowana została przez W. Thomsona (Lorda Kelvina) w 1948 r. Skala ta jest oparta

na odwracalnym obiegu termodynamicznym Carnota. Przyjmując pewną określoną wartość

temperatury np.: punktu potrójnego wody, można określić skalę temperatur. Na Konferencji

Miar i Wag w Genewie w 1954 r. ustalono dla tego punktu wartość 273,16 K, tzn. przyjęto

jeden stopień skali termodynamicznej jako równy 1/273,16 różnicy temperatur pomiędzy

punktem potrójnym wody a zerem bezwzględnym. Punktem zerowym tej skali jest temperatu-

ra zera bezwzględnego (273,16K), a wartość stopnia Kelvina jest równa stopniowi Celsjusza.

Jej punkty podstawowe to: +273,16 [K] – temperatura zamarzania i +373,16 [K] – temperatura

wrzenia chemicznie czystej wody.

Skala Celsjusza, zw. także skalą stustopniową, została zaproponowana w 1742 r.

przez A. Celsjusza, przy założeniu, że punktem zerowym skali jest temperatura wrzenia wo-

dy, a punktem odpowiadającym 100 [°C] jest temperatura zamarzania wody i podzieleniu

całego zakresu na 100 równych części (działek). Następnie M. Strőmer w 1850 r. odwrócił te

wartości i opisał skalę stustopniową stosowaną powszechnie dalej w czasach nowożytnych.

Aktualnie obowiązuje Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur z 1968 r., która

jest ostatnią modyfikacją pierwszej MPST przyjętej w 1948 r. przez IX Generalną Konferencję

Miar w Paryżu. Skala MPST-68 wiąże temperaturę (T) w stopniach Kelvina [K] z temperaturą

(t) w stopniach Celsjusza [°C] następującą zależnością:

t = T – 273,16 [°C]

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

Różnicę temperatur wyraża się w stopniach Kelvina (K) lub stopniach Celsjusza (°C).

Stopień Kelvina (K) należy do jednostek podstawowych Międzynarodowego Układu Jedno-

stek (SI).

3.2. Termometry elektryczne w aspekcie dynamicznym.

Termometry elektryczne cechuje inercja zależna od warunków przenoszenia

ciepła z ośrodka, którego temperatura jest mierzona, do sensora. Pomijając wpływ

przewodnictwa cieplnego elektrod oraz nierównomierność nagrzewania przetwornika

temperatury można napisać równanie:

w którym:

s - powierzchnia osłony przetwornika [m

2

];

α

- współczynnik przejmowania ciepła od ośrodka do przetwornika [W m

-2

deg

-1

];

C - pojemność cieplna sensora [W s deg

-1

];

t - czas [s].

Całkując powyższą zależność otrzymuje się:

gdzie: ∆ϑ

0

=początkowa różnica temperatur pomiędzy środowiskiem a sensorem

[deg].

Różnica temperatur ∆ϑ maleje według funkcji wykładniczej ze stałą czasową T.

Aby skrócić wartość T należy stworzyć dobre warunki przepływu ciepła po-

między obiektem, o mierzonej temperaturze, a sensorem poprzez: zmniejszenie jego

pojemności cieplnej, zwiększenie powierzchni czynnej sensora lub zwiększenie

współczynnika przejmowania ciepła. Współczynnik α dla cieczy i gazów zależy od ich

liniowej prędkości przepływu W i określony jest wzorami:

a) dla powietrza

α = (0,06+0,3W) 10

-7

s

C

T

⋅

=

α

)

(

dt

d

C

s

ϑ

∆

=

ϑ

∆

⋅

α

⋅

)

exp(

0

t

C

s

⋅

⋅

−

⋅

∆

=

∆

α

ϑ

ϑ

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

b) dla wody

α = (9+54W) 10

-7

w których: W - prędkość przepływu płynu [m s

-1

].

W praktyce określa się czas, po którym sensor o ϑ

0

=+20°C, umieszczony w środowisku o

temperaturze +100°C, osiągnie temperaturę +95°C. Wartości tego czasu zawierają się w gra-

nicach od 1 do 8 min. Czasy krótsze od 1 min uzyskuje się tylko w przypadku termometrów

termistorowych kulkowych o średnicy około 1 mm i mniejszych.

3.3. Termometry elektryczne.

3.3.1. Termometry z sensorami rezystancyjnymi.

Funkcjonowanie ich oparte jest na wykorzystaniu zależności rezystancji metali i pół-

przewodników od temperatury, które przetwarzane zostają w odpowiednich elektrycznych

układach pomiarowych na sygnał elektryczny. Rodzaj przewodności elektrycznej decyduje o

charakterze funkcji R

t

= f(t). Metale odznaczają się przewodnością elektronową, toteż funkcję

tę przedstawia się, z dostatecznym przybliżeniem, w postaci:

R

t

= R

o

⋅ [1 + α (t – t

o

) + β (t – t

o

)

2

+ γ (t – t

o

)

3

]

gdzie:
α [°C

-1

] temperaturowy współczynnik rezystancji (dla metali α > 0) dodatni;

|β| i |γ| << |α| - współczynniki empiryczne;
R

o

– rezystancja sensora w temperaturze początkowej (np.: t

o

= 0 [°C]).

Natomiast dla półprzewodników o przewodności akceptorowo („dziurowo”) – elektro-

nowej powyższa zależność jest eksponencjalna

R

T

= A ⋅ exp

T

B

w której:
A – stała zależna od właściwości fizycznych półprzewodnika oraz jego wymiarów;
B − stała materiałowa, wyrażająca czułość temperaturową danego termistora w całym zakre-
sie temperatur pracy [K];
T – temperatura w skali bezwzględnej (Kelvina)
Zależność powyższą można napisać w postaci stosowanej praktycznie:

R

T

= R

T0

exp [B (

0

T

1

T

1

−

)]

w której R

T0

– rezystancja termistora w temperaturze początkowej T

0

, np. 0 [°C].

Współczynnik temperaturowy rezystancji sensora termistorowego określa zależność:

α

T

=

2

T

T

T

B

dT

R

dR

−

=

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

Z powyższej zależności wynika, że współczynnik α

T

, a tym samym czułość termistora

maleje ze wzrostem temperatury. Wartości α

T

w temperaturze 20°C zawierają się w zakresie

od – 3 do – 6 [%/K]. Właściwości metali, najczęściej stosowanych do budowy sensorów ter-

morezystancyjnych, zawiera tablica 1.

Tablica 1. Parametry materiałów termorezystancyjnych

Materiał

Zakres zastosowań

Rezystywność

(Ωm)

0

100

R

R

Typowy (°C)

Graniczny

(°C)

Platyna

− 200 + 850

− 250 + 1000

(0,10 − 0,11)—10

-6

1,385 – 1,391

Nikiel

− 60 + 150

− 60 + 180

(0,09 − 0,11)—10

-6

1,617

Miedź

− 50 + 150

−

(0,017 − 0,018)—10

-6

1,425

Sensory niklowe i miedziane są na ogół mniej dokładne niż platynowe. Charakterystyka

sensora niklowego jest nieco nieliniowe, zaś charakterystyki sensorów z miedzi i platyny są

liniowe w szerokim zakresie, przy czym powtarzalność sensora platynowego jest lepsza niż

miedzianego. Zależności rezystancji sensorów termometrycznych od temperatury są znorma-

lizowane PN-EN 60751:1997 w postaci: charakterystyk R

T

= f(t), równań i tablic. Przykładowe

przebiegi R

T

= f(t) dla sensorów: platynowego i termistorowego przedstawia rys. 1.1.

Rys. 3.1. Charakterystyki R

t

= f(t).

3

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

Stopy (np.: Ni i Fe) oraz inne metale stosowane są tylko wyjątkowo. Rezystancyjny

termometr platynowy przyjęto w zakresie temperatur od –182,97

0

C (tzw. punkt tlenu) do

+630,5

0

C (tzw. punkt antymonu) jako narzędzie interpolacji Międzynarodowej Praktycznej

Skali Temperatur. Stosując odpowiednie metody pomiaru rezystancji (układy mostkowe, me-

tody kompensacyjne) można osiągnąć błąd pomiaru mniejszy od 0,001

0

C. W pomiarach

technicznych rezystancyjny termometr „platynowy” umożliwia także osiąganie dużej dokład-

ności. Koniecznym warunkiem jest tu wysoka czystość platyny, wyrażona kryterium

385

.

1

R

R

C

0

C

100

≥

o

o

zaś dla termometrii precyzyjnej 1.391.

Istotny wpływ na jego zakres zastosowań i uzyskiwane rezultaty pomiarów ma odpo-

wiednia konstrukcja sensora. Ma ona stanowić ochronę mechaniczną, zabezpieczać przed

zwarciami międzyzwojowymi oraz chronić przed wilgocią, wpływami chemicznymi itp.

Rys. 3.2. Osłona przetwornika termometru rezystancyjnego.

Rys. 3.2 przedstawia typową osłonę przemysłowych termometrów rezystan-

cyjnych. Osłonę, odpowiednio do zakresu mierzonej temperatury i rodzaju ośrodka

wykonuje się z aluminium, mosiądzu lub stali kwasoodpornej. Znormalizowana war-

tość rezystancji drutu sensora w temperaturze 0 [°C] wynosi 100 [Ω] (czasem 50 [Ω]).

Należy sobie zdawać sprawę, że dla mniejszych wartości rezystancji jest zbyt duży

wpływ rezystancji doprowadzeń; natomiast przy dużych wartościach (>>100 Ω) wzra-

sta czułość przy jednoczesnej konieczności użycia w układzie pomiarowym źródeł

prądu zasilającego o odpowiednio wysokich napięciach. Dla pełności informacji może

warto przypomnieć, że do pomiaru niskich temperatur (np. przy kontroli produkcji tle-

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

nu) stosuje się sensory o powiększonych rezystan-

cjach (np.: R

0°C

=500 Ω). Praktycznie stosowane śred-

nice drutu oporowego do budowy sensorów uzależ-

nione są: kosztami materiału, rezystywnością i warun-

kami oddawania ciepła. Stąd druty z Pt i Cu stosowa-

ne są o średnicach od 0,04 do 0,06 mm zaś Ni od 0,1

mm i grubszy.

Wykonania czujników stanowią konstrukcję mo-

dułową co oznacza, że składają się z elementów, które

można dobierać w zależności od potrzeb. Przetworniki

te zbudowane są z wkładu pomiarowego, rury ochron-

nej, głowicy przyłączeniowej oraz kostki ceramicznej

zamontowanej wewnątrz głowicy. Wkład pomiarowy

składa się z kostki ceramicznej oraz rurki ochronnej o

średnicy od 3 mm do 8 mm, wykonanej najczęściej z

materiału 1H18N9T, w której znajduje się termorezy-

stor. Wkład pomiarowy stanowi element wymienny

kompletnego czujnika, co umożliwia znaczne zredu-

kowanie kosztów modernizacji aparatury pomiarowej

na obiekcie. Sprężynujące mocowanie kostki cera-

micznej zapewnia idealny docisk wkładu pomiarowego

do dna zewnętrznej rury ochronnej, krótki czas reakcji,

kompensację w przypadku różnic wymiarów oraz

zmniejszenie drgań własnych przez obustronne usta-

lenie w rurze ochronnej. Dostępne są wykonania poje-

dyncze (1xPt100) oraz podwójne (2xPt100). Istnieje

wiele wykonań głowic przyłączeniowych czujnika, róż-

nią się one formą, materiałem (aluminium, żeliwo, pla-

stik) oraz wymiarami.

Rys. 3.3. Schemat modułowy czujników głowicowych
1-Przetwornik pomiarowy; 2-Głowica przyłączeniowa ;
3-Wkład pomiarowy; 4-Element dystansowy;
5)Rura ochronna; 6)Osłona ciśnieniowa.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

7

Czujniki przewodowe używane są do pomiaru temperatury części maszyn,

elementów konstrukcyjnych w przemyśle maszynowym, obrabiarkowym, w energety-

ce oraz w procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych i gumy.

Przewodowy czujnik rezystancyjny stanowią:

przewód połączeniowy bezpośrednio połączony z

rezystorem oraz rurka ochronna, w której znajduje

się termorezystor. Wewnętrzna przestrzeń pomiędzy

rezystorem a ścianką rurki ochronnej wypełniona jest

specjalną masą silikonową, która zapewnia bardzo

dobry transfer ciepła oraz wysoką odporność na wi-

bracje. Maksymalna temperatura pracy krótkiego

czujnika ograniczana jest poprzez rodzaj materiału

izolacji przewodu przyłączeniowego.

Rys. 3.4. Budowa czujnika rezystancyjnego przewo-

dowego

Podstawowe właściwości techniczne dla większości

czujników:

-

średnica: 2-12 mm

-

materiał rurki ochronnej: stal nierdzewna,

kwasoodporna, mosiądz lub inny

-

połączenie: 2, 3, 4-przewodowe

-

uchwyt: zaciskowy, gwintowany zaciskowy lub

wspawany.

Czujniki rezystancyjne do pomiaru temperatury powierzchni płaskich i owal-

nych charakteryzują się łatwością instalacji oraz małą masą. Czujniki do powierzchni

owalnych składają się z opaski zaciskowej, której średnicę można dowolnie regulo-

wać i dopasowywać do średnicy, np. rurociągu.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

8

Rys. 3.5. Czujniki rezystancyjne do pomiaru temperatury

powierzchni

Czujniki rezystancyjne do pomiaru temperatury

otoczenia zbudowane są z estetycznej, plastykowej obu-

dowy o stopniu ochrony IP 65 oraz końcówki pomiarowej

(rurki ochronnej), w której znajduje się rezystor platyno-

wy. Istnieje możliwość montażu przetwornika pomiaro-

wego wewnątrz obudowy plastikowej. Podłączenie prze-

wodu przyłączeniowego odbywa się poprzez dławik PG9.

Temperatura pracy czujników wynosi od –30

0

C do

+85

0

C.

Rys. 3.6. Czujnik rezystancyjny do pomiaru tempera-

tury otoczenia

Pomiaru rezystancji dokonuje się najczęściej w ukła-

dach z zamianą mierzonej rezystancji na napięcie

lub częstotliwość.

Rys. 3.7 Uproszczony schemat blokowy przetwornika temperatury z termorezysto-

rem.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

9

Jak wyżej podkreślono, do grupy termometrów rezystancyjnych zaliczane są także

układy pomiarowe z sensorami półprzewodnikowymi (zw. termistorami). Powszechnie stoso-

wane ich postacie, to: perełki, płytki i pręciki z tlenków różnych metali, jak: Fe, Zn, Ni, Ti, Mn,

Cu, Al i Co, odpowiednio formowane, a następnie spiekane wraz z odprowadzeniami na ogół

z drutu platynowego o średnicy rzędu 50 µm. Na rys. 3.8 przedstawiono przykładowo kilka

termistorów (czujników półprzewodnikowych) stosowanych w praktyce do pomiarów tempera-

tury w różnych warunkach.

Rys. 3.8. Stosowane typy termistorów do pomiaru temperatury.

W celu zabezpieczenia przed wpływami chemicznymi pokrywa się termistory

szkliwem lub umieszcza w szklanych osłonach. Właściwości termorezystancyjne

termistorów skłaniają do ich miniaturyzacji, często poniżej 1 mm przy czułości więk-

szej od sensorów metalowych. Wartości rezystancji termistorów stosowanych do

pomiaru temperatury wynoszą dla t = 25 °C od 0,5 kΩ do 1000 kΩ. Zmienność rezy-

stancji termistorów w temperaturze 100÷200°C wynosi około 1÷2% rocznie. Wysoka

oporność termistorów eliminuje praktycznie zupełnie wpływ rezystancji przewodów

łączących. Sensory perełkowe umożliwiają pomiar punktowy, a ich stała czasowa w

nieruchomym powietrzu wynosi około 0,15 s. Niedogodnością termistorów jest nieli-

niowość ich charakterystyk, zwłaszcza przy szerszym zakresie pomiarowym.

3.3.2. Termometry z sensorami termoelektrycznymi.

Termometr termoelektryczny składa się z sensora (ogniwa) termoelektryczne-

go i mikrowoltomierza magnetoelektrycznego o dużej rezystancji wewnętrznej. Ter-

moelement (termoogniwo) składa się z dwóch różnych przewodników lub półprze-

wodników spojonych ze sobą w jednym końcu (rys. 3.9).

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

10

Rys. 3.9. Termoelement.

M – gorące złącze

N-N – „zimne” końce o temperaturze ϑ

N

W termoogniwie złożonym z dwóch metali A i B połączonych w punkcie M,

„gorące złącze” o temperaturze ϑ

M

różnej w odniesieniu do wolnych końców („zim-

nych końców”) N o temperaturze ϑ

N

pojawia się siła termoelektryczna E określona

wzorem

(

)

e

A

A

N

N

ln

e

T

k

E

2

1

N

M

2

1

−

−

ϑ

−

ϑ

⋅

=

w którym:

T – temperatura bezwzględna [K]

e = 1,602⋅10

-19

[C] – ładunek elektronu

k = 1,38⋅10

-28

[J/K] – stała Boltzmana

A

1

, A

2

– prace wyjścia metali A i B [eV]

N

1

,N

2

– koncentracja swobodnych nośników ładunku [m

-3

]

Dla niewielkiej różnicy temperatur ∆ϑ=ϑ

M

-ϑ

N

zależność siły termoelektrycznej

E od tej różnicy jest liniowa i ma postać:

∆ϑ

⋅

=

ϑ

α

E

gdzie:

α

ϑ

- stała termoogniwa zależna od zastosowanych metali [µV⋅K

-1

]

Według wartości α

ϑ

, dla różnych metali względem elektrody platynowej, w za-

kresie temperatur 0÷100°C, można zestawić tzw. szereg termoelektryczny. Termo-

elementy wykonuje się z drutu o średnicy 1,5÷3 mm dla metali nieszlachetnych i oko-

ło 0,5 mm dla szlachetnych. W praktyce pomiarowej najczęściej stosowane są na-

stępujące termoelementy: miedź – (+) konstantan (Cu-Ko) w zakresie –200 do

+500

0

C, żelazo – (+) konstantan (Fe-Ko) do +800

0

C, chrom–nikiel – (+) nikiel (CrNi-

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

11

Ni) do +1100

0

C, platyna–rad – (+) platyna (PtRh-Pt) do +1600

0

C, wolfram – (+) grafit

(W-C) do +2000

0

C.

Czujniki termoelektryczne umieszcza się w izolacji elektrycznej a następnie,

odpowiednio do przeznaczenia, w osłonie (obudowie) gazoszczelnej, stalowej, kwar-

cowej lub porcelanowej, która chroni od uszkodzeń mechanicznych i wpływów at-

mosferycznych. Wykres zależności SEM od temperatury ϑ, dla temperatury zimnych

końców wynoszącej ϑ

N

=0, przedstawia rys. 1.10.

Rys. 3.10. Zależność SEM E od temperatury termoelementu, dla ϑ

2

=ϑ

N

=0.

Rys. 3.11. Schemat układu pomiarowego termometru termoelektrycznego z przewo-

dami kompensacyjnymi i termostatem dla zimnych końców: 1 – termoelement – AB,

2 – przewody kompensacyjne – A’B’, 3 – przewody miedziane, 4 – termostat,

5 – miernik (mV).

2

(E)

[mV]

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

1

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

2

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

2

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

N

=

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ’

2

=

const.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

12

Znając charakterystykę U=f(ϑ) dla ϑ

N

=ϑ

2

=0, można zmierzyć temperaturę

ϑ

M

=ϑ

1

przy innej wyższej temperaturze zimnych końców. Przykładowo, jeśli zachodzi

konieczność pomiaru temperatury, przy temperaturze „zimnych” końców ϑ

2

, to na

charakterystyce U=f(ϑ) (rys. 3.10.) należy określić napięcie U

2

’

odpowiadające ϑ=ϑ’

2

a następnie dodać do niego wartość napięcia U

1

wskazaną przez miliwoltomierz. Z

w/w wykresu dla U

2

’

+ U

1

odczytuje się temperaturę ϑ

1

. W warunkach przemysłowych

zmiana temperatury zimnych końców jest automatycznie kompensowana przez tzw.

przewody kompensacyjne, które „przenoszą zimne końce” do ośrodka o stałej tempe-

raturze ϑ

2

=const. (rys. 3.11.). Do ośrodków takich, w zależności od wymaganej do-

kładności, zalicza się: pomieszczenia o praktycznie stałej temperaturze otoczenia

(ϑ

Z

=20 ± 5

0

C); naczynie z topniejącym lodem (ϑ

Z

=0 ± 0,01) z termostatem ze stabili-

zacją temperatury ϑ

Z

= ϑ

X

± 0,02 deg. Często stosowanym sposobem korygującym

automatycznie wskazania termometru termoelektrycznego, odpowiednio do zmian

temperatury odniesienia, jest mostkowa przystawka korekcyjna (rys. 3.12.).

Rys. 3.12. Mostkowa przystawka korekcyjna: 1 – transformator zasilający, 2 – rezy-
stor z miedzi lub niklu, 3 – rezystory manganinowe, 4 – prostownik, 5 – rezystor
redukcyjny, AB – termoelektrody, A’B’ – przewody kompensacyjne,
pł – przewody łączeniowe, ϑ

0

– temperatura odniesienia.

A

B

pł

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

13

Jest to włączony w szereg z termoelementem, mostek Wheatstone`a zrówno-

ważony najczęściej w temperaturze (odniesienia) ϑ

Z

=20°C. Pomiar siły termoelek-

trycznej (STEM) realizowany jest miliwoltomierzem magnetoelektrycznym lub metodą

kompensacyjną (w warunkach laboratoryjnych). Mierniki są wzorcowane w stopniach

Celsjusza dla dokładnie określonej rezystancji przewodów łączących i elektrod ter-

moelementu (AB). Jeśli rezystancja przewodów jest mniejsza włącza się rezystor

(regulowany) wyrównawczy (rys. 3.13).

Rys. 3.13. Schemat układu pomiarowego termometru termoelektrycznego z wyrów-

naniem oporności obwodu. Oznaczenia: 1 – termoelement, 2 – przewody kompensa-

cyjne A’ B’, 3 – przewody Cu, 4 – rezystor wyrównawczy, 5 – mV.

3.3.3. PÓŁPRZEWODNIK JAKO CZUJNIK TEMPERATURY

W termometrze cyfrowym, który będzie przedmiotem ćwiczenia zastosowano

jako czujnik termoelektryczny przetwornik parametryczny - złącze półprzewodnikowe,

którego napięcie przewodzenia lub wsteczne jest funkcją temperatury.

W charakterze złącza półprzewodnikowego wykorzystano diodę sygnałową krzemo-

wą. Przyrost napięcia przy wzroście temperatury może być dodatni lub ujemny, zależnie od

rodzaju półprzewodnika i od wartości prądu w złączu. W złączach krzemowych napięcie

przewodzenia maleje wraz ze wzrostem temperatury (rys. 3.14.a.) i w pewnym stopniu zależy

od prądu (rys. 3.14b). Przy stabilnej wartości prądu zmiany napięcia diody są w przybliżeniu

proporcjonalne do zmian temperatury. Złącza takie można stosować do pomiarów temperatu-

ry od ok. -50°C do ok. 150°C.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

14

100°C

25°C

a)

b)

Rys 3.14. Wpływ temperatury na pracę złącza diody półprzewodnikowej.

a) zależność spadku napięcia na diodzie od temperatury.

b) zależność temperaturowego współczynnika napięcia przewodzenia diody w

funkcji prądu.

Rys. 3.15. Schemat blokowy termometru cyfrowego.

Termometr umożliwia pomiar temperatury w zakresie od -50°C do 150°C z

rozdzielczością 0.1°C. Prezentacja wyniku odbywa się na wyświetlaczu typu LCD.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

15

3.3. REALIZACJA PRAKTYCZNA ĆWICZENIA – POMIARY.

Program badań – zadania do wykonania.

a) Zapoznać się z aparaturą pomiarową zgromadzoną na stanowisku laboratoryj-

nym:

- termometrem elektronicznym z przetwornikiem termoelektrycznym typu K.

- termometrem elektrycznym w zestawie: sensor termoelektryczny (typu K) i wol-

tomierz cyfrowy

- termometrem elektrycznym w zestawie: sensor termorezystancyjny (platynowy

Pt

100

) i omomierz,

b) Zestawić i uruchomić układy pomiarowe na stanowisku laboratoryjnym.

c) Wyznaczyć charakterystyki statyczne („nagrzewania” i „studzenia”) w/w termome-

trów w przedziale zadanym przez prowadzącego.

Tabela 2a i 2b

L.p.

Wartości temperatury

odczytanej z termometru

elektronicznego.

Wartość napięcia - prze-

twornik termoelektryczny.

Wartość zmiany rezy-

stancji - przetwornik ter-

morezystancyjny.

[ °C ]

[ mV ]

[ Ω ]

1.

2.

3.

.....

.....

.....

30.

d) Sporządzić wykresy przedstawiający charakterystyki zależności napięcia i rezy-

stancji od temperatury. Porównać otrzymaną charakterystykę z wartościami

podanymi w normach: PN-EN 60751 : 1997 i PN-EN 60584-1 : 1997 [4].

UWAGA

Konieczność przygotowania przed zajęciami informacji na temat charakterystyk prze-
tworników na podstawie norm: PN-EN 60751 : 1997 i PN-EN 60584-1 : 1997 lub [4].

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

16

3.4. PYTANIA SPRAWDZAJĄCE

1

Zasada pomiaru temperatury termometrami elektrycznymi z przetwornikami ter-

moelektrycznymi.

2

Dokonać oceny właściwości eksploatacyjnych i metrologicznych termometrów

elektrycznych z sensorami rezystancyjnymi metalicznymi i półprzewodnikowymi.

3

Omówić metodę pomiaru temperatury za pomocą diody półprzewodnikowej.

4

Omówić stosowane aktualnie skale temperatur.

5

Właściwości dynamiczne przetworników termometrycznych – pojęcie stałej cza-

sowej.

6

Możliwości metrologiczne systemu pomiarowego METEX M3850 - IBM PC.

LITERATURA

1. Wykład

2. J. Piotrowski: Pomiary czujniki i metody pomiarowe wybranych wielkości fi-

zycznych i składu chemicznego WNT Warszawa 2009

3. M. Miłek: Metrologia elektryczna wielkości nieelektrycznych

Uniwersytet Zielonogórski 2006

4. A. Chwaleba, J. Czajewski: Przetworniki pomiarowe i defektoskopowe, Wy-

dawnictwo Politechniki Warszawskiej 1998

5. L. Michalski, K. Eckersdorf, J. Kucharski: Termometria – przyrządy i metody,

wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź 2004.

6. A. Michalski, S. Tumański, B. Żyła: Laboratorium miernictwa wielkości nieelek-

trycznych, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej 1999

7. PN-EN 60751 : 1997

8. PN-EN 60584-1 : 1997

9. Strony www firm:

INTROL
LUMEL
LABEL
NDN
DACPOL
I INNE

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

17

Charakterystyka przetwornika termorezystancyjnego Pt 100
(PN-EN 60751 : 1997)

R [Ω] = f (T [

0

C])

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary temperatury termometrami stykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

18

Charakterystyka przetwornika termoelektrycznego J , K , T , N , S , R , B ,
(PN-EN 60584-1 : 1997)

E [µV] = f (T [

0

C])