LABORATORIUM MIERNICTWA KOMPUTEROWEGO

LABORATORIUM MIERNICTWA

KOMPUTEROWEGO

Ćwiczenie nr 5

Termometr cyfrowy – termopara

1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z pomiarem temperatury za pomocą termopary.

2. Opis

a. Płyta czołowa karty pomiarowej

TRM1

IN -

IN +

EXC -

ZM IF UMK

dioda LED,

kolor zielony - gotowość do pracy

kolor czerwony - wykonywanie pomiaru

wyjście zasilania czujnika

potencjał niższy

wejście pomiarowe

potencjał wyższy

wejście pomiarowe

potencjał niższy

wkręt mocujacy kartę do kasety EURO

wkręt mocujący płytę czołową panelu

do płytki z obwodem drukowanym

wkręt mocujący płytę czołową panelu

do płytki z obwodem drukowanym

READY

EXC +

wyjście zasilania czujnika

potencjał wyższy

Rysunek 1. Widok czołowy karty TRM1

b. Szczegóły sprzętowo-programowe karty TRM1

Rysunek 2. Schemat blokowy termometru TRM 1.

Bloki funkcjonalne:
EXC:

Źródło prądowe,

ADC: przetwornik A/C,

SW ID: przełącznik ustawienia bajtu identyfikatora układu,

MD:

wewnętrzna 8-bitowa magistrala danych,

SW ADR: przełącznik ustawienia adresu urządzenia,

US:

sterujący układ logiczny,

BUF: bufor danych pomiędzy magistralami,

ME: magistrala sygnałów systemu EURO,

Sygnały:

EXC+, EXC-: wyjścia zasilania prądowego czujnika, potencjał wyższy i niższy,

IN+, IN-: wejścia pomiarowe, potencjał wyższy i niższy,

DHI, DLO: starszy i młodszy bajt danych odczytywany z przetwornika A/C,

RH, RL: odczyt danych z przetwornika A/C,

TRIG: wyzwolenie konwersji A/C,

RDY: stan przetwornika - gotowy/w trakcie konwersji,

RID: odczyt bajtu identyfikatora,

DID: bajt identyfikatora,

DRDY: bajt stanu przetwornika,

DAT: 8-bitowe szyny danych: wewnętrzna i systemu EURO,

ADR: 8-bitowa szyna adresowa systemu EURO,

RD: odczyt danych z termometru,

WR: zapis danych do termometru,

IRQ: przerwanie generowane przez termometr.

Termometr może współpracować z czujnikami termooporowymi (np.: Pt 100) oraz

diodowymi (złącze p-n). Wyjścia oznaczone na płycie czołowej jako EXC+ i EXC- służą do zasilania
czujnika stabilizowanym prądem, natomiast wejścia IN+ i IN- służą do pomiaru napięcia na czujniku.
Dioda LED umieszczona obok napisu READY świeci się na zielono gdy termometr jest gotowy do
pracy i oczekuje na wyzwolenie, natomiast na czerwono podczas trwania pomiaru.

Dla czujników platynowych źródło generuje prąd o wartości 1 mA, a dla diod p-n-10

µA.

Mierzone napięcie doprowadzane jest do wejść przetwornika A/C bezpośrednio (p-n), lub prze
wzmacniacz wstępny *5 (Pt 100). Ma to na celu przybliżone wyrównanie zakresów zmian napięcia
w funkcji temperatury obydwóch rodzajów czujników. W układzie zastosowano całkujący
przetwornik A/C typu ICL 7109. Jego najważniejsze cechy charakterystyczne to: rozdzielczość 12
bitowa + znak, czas konwersacji około 30 ms zakres napięć wejściowych od

±0.2 V do ±2 V oraz

wejście różnicowe.

Adres wewnętrzny

Funkcja odczytu

Funkcja zapisu

0 Bajt

identyfikatora ----

LSB=0 – zgłoszenie przerwania

LSB=0 – skasowanie przerwania

LSB=0 – trwa pomiar

LSB=0 – wyzwolenie pomiaru

4 Młodszy bajt danych

----

5 Starszy

bajt ----

Strukturę rejestrów wewnętrznych termometru TRM1 przedstawia powyższa tabela. Adres

0 służy wyłącznie do odczytu bajtu identyfikatora, którego wartość określona jest układem zworek
przełącznika SW ID. Adres 1 używany jest podczas pracy z wykorzystaniem przerwań. Odczytanie
0 na pozycji LSB (najmniej znaczącego bitu) oznacza, że źródłem przerwania jest termometr, na co
należy zareagować odczytem danych i skasowaniem przerwania poprzez wysłanie pod adres 1 liczby z
wyzerowanym LSB. Zapis pod adres 2 liczby z wyzerowanym LSB powoduje wyzerowanie
przetwornika A/C, a odczyt informuje czy konwersja została zakończona (LSB=1). Adresy 4 i 5 służą
wyłącznie do odczytu danych z przetwornika A/C. Ich struktura jest następująca:

MSB

Adres 5 – HI

LSB

MSB

Adres 4 – LO

LSB

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

0 0 POL OVR D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Młodszy bajt zawiera 8 bitów danych z przetwornika A/C. Starszy bajt zawiera 4 najstarsze

bity danych na pozycjach B0 - B3, bit polaryzacji na pozycji B4 (1 oznacza plus, a 0 minus) oraz bit
przekroczenia zakresu przetwarzanych napięć (1- przekroczenie). Najstarsze 2 bity są zawsze
wyzerowane. Zakres liczbowy danych odczytywanych z przetwornika A/C wynosi więc od –4095 do
+4095, przy czym można również odczytać wartości + 0 i – 0.

Wartości zakresów pomiarowych karty TRM

Nazwa ustawienia

Nr. Ćwiczenia Zakres

[V]

Wartość przetwornika

-2,5

-4096

Tensometry/Ciśnienie
Podział/20

+2,5

+4096

-0,2

-4096

ADC/termopara

+0,2

+4096

0,0

+4096

Złącze p-n

1,0

-4096

-10,0

+4096

ADC/RBR/UBR

+10,0

-4096

3. Czujnik

Czujniki temperatury

Rodzaj czujnika

Zakres temperatur

Zasada działania

Termometr oporowy

-200...+800

Dodatni współczynnik temperaturowy
rezystancji metali, np.: platyny, miedzi

Termistor o dodatnim
współczynniku temperaturowym

-50...+150

Dodatni współczynnik temperaturowy
rezystancji półprzewodników,
np.: krzemu

Termistor o ujemnym
współczynniku temperaturowym

-50...+150

Ujemny współczynnik temperaturowy
rezystancji mieszanin tlenków metali
i ceramiki

Złącze P-N

-200...+150

Ujemny współczynnik temperaturowy
napięcia progowego przewodzącego
złącza P-N

Termoelement

-200...+2800

Efekt Seebecka - siła termoelektryczna
występująca na styku dwóch różnych
metali

Rezonator kwarcowy

-50...+300

Temperaturowa zależy od
częstotliwości rezonansowej kryształu
kwarcu o specjalnym cięciu

Czujniki oporowe metaliczne

Metale charakteryzują się dodatnim współczynnikiem temperaturowym rezystancji, co

znaczy, że rośnie ona ze wzrostem temperatury. Zjawisko to opisuje się matematycznie przy pomocy
ogólnej zależności:

R=R

[1+

α(T-T0)+β(T-T0)

+1........]

gdzie R

jest rezystancją odniesienia.

Najczęściej używanym materiałem do budowy tego rodzaju czujników jest platyna.

Zależności określające temperaturowy współczynnik rezystancji odnoszą się do jej wartości
w temperaturze 0

C. Typowymi wartościami są: 100

Ω (Pt 100), 200 Ω (Pt 200), 500 Ω (Pt 500)

i 1000

Ω (Pt 1000). W zakresie temperatur 0

C ... 850

C rezystancję czujnika platynowego opisuje

się równaniem (DIN 43760 i IEC 571, temperatura w

C):

(1+3.90802*10

-3

T-0.580195*10

-6

)

a w zakresie -200

C ... 0

C równaniem:

(1+3.90802*10

-3

T-0.580195*10

-6

+-0.42735*10

-9

-4.2735*10

-12

)

Termoelementy

Termometry termoelektryczne

Podstawy fizyczne

1.1. Siła termoelektryczna termoelementu

W roku 1821 T. Seebeck stwierdził, że w zamkniętym obwodzie składającym się z

dwóch różnych metali, o ile miejsca styku tych metali znajdują się w różnych temperaturach,
obserwuje się przepływ prądu elektrycznego. Ilościowe opisanie tego zjawiska nie było
wówczas jeszcze możliwe, gdyż prawo Ohma, stanowiące jego podstawę, zostało
sformułowane przez G. S. Ohma dopiero w roku 1826.

W roku 1834 I. C. A. Peltier stwierdził, że gdy prąd elektryczny przepływa przez

miejsce złączenia dwóch różnych metali, to zależnie od kierunku przepływu prądu złącze to
nagrzewa się lub ochładza, nie uwzględniając oczywiście wydzielającego się w każdym
przewodzie ciepła Joule’a, proporcjonalnego do rezystancji przewodu, i kwadratu natężenia
prądu.

W roku 1854 W. Thomson (lord Kelvin) doszedł do wniosku, że poza zjawiskami

termoelektrycznymi występującymi w spoinach, również w pojedynczym przewodzie
jednorodnym, na którego długości występuje pewien spadek temperatury, zależnie od rodzaju
metalu i kierunku przepływu prądu następuje wydzielanie lub pochłanianie ciepła, przy czym
i to zjawisko należy rozważać niezależnie od normalnie zachodzącego zjawiska wydzielania
się ciepła Joule’a.

Zjawisko Peltiera rozważać można również jako zjawisko występowania pewnej

siły termoelektrycznej w punkcie złączenia dwóch różnych metali, zaś zjawisko
Thomsona jako występowanie siły termoelektrycznej na długości poszczególnych metali
obwodu zamkniętego.
Przyczyną fizyczną zjawiska Peltiera jest różnica ilości swobodnych elektronów w
miejscu styku dwóch różnych metali przy określonej temperaturze. Różnica ta powoduje
powstanie w miejscu styku pewnej różnicy potencjałów o wartości zależnej od temperatury.
Przyczyną zjawiska Thompsona jest różny stopień zagęszczenia elektronów swobodnych
wzdłuż przewodnika, na którego długości występuje pewien gradient temperatury.
Siła termoelektryczna Thomsona powstająca w przewodzie, którego końce
znajdują się odpowiednio w temperaturach t

i t

wyraża się wzorem:

−

∫

( 2

t )

(1-1)

gdzie:

σ - współczynnik Thomsona dla danego metalu.

Jak wynika z wzoru (4-1), E

γ jest jedynie funkcją różnicy temperatur na obu końcach

przewodu, a nie zależy od jego długości. Badania laboratoryjne wykazały, że współczynnik
Thomsona dla ołowiu jest bliski zeru. Wartości współczynników Thomsona dla innych metali
można więc podawać w odniesieniu do ołowiu. W temperaturze 0

°C wartości te wynoszą

przykładowo:

Konstantan -23

µV/deg

PtRh10 -10

µV/deg

-9

µV/deg

-8

µV/deg

Znak + oznacza, że w przewodzie jest wydzielane ciepło wynikające ze zjawiska Thomsona
w przypadku, gdy prąd przepływa w kierunku od temperatury wyższej ku niższej.

t t

(

)

−

←

⎯

⎯⎯⎯⎯

E (t )

t t

(

)

−

←

⎯

⎯⎯⎯⎯

Rys. 1-1. Zamknięty obwód termoelektryczny

Reasumując, w zamkniętym obwodzie składającym się z metali A i B połączonych na
końcach, w przypadku gdy miejsca styku - spoiny, znajdują się odpowiednio w temperaturach
t

i t

(rys. 1-1) występują cztery niezależne siły termoelektryczne:

) - siła termoelektryczna Peltiera w spoinie 1,

) - siła termoelektryczna Peltiera w spoinie 2,

T,A

- siła termoelektryczna Thomsona w przewodzie A,

T,B

- siła termoelektryczna Thomsona w przewodzie B.

Wypadkowa siła termoelektryczna E w obwodzie jest sumą składowych sił
termoelektrycznych z odpowiednimi znakami

E=E

)- E

(t2)+

-t

)

(1-2)

Wobec

trudności w zidentyfikowaniu wartości poszczególnych sił

termoelektrycznych, umownie przenosi się je do dwóch spoin obwodu. Sumując siły
termoelektryczne w obu spoinach według kolejności oznaczonej na rys. 4-1 strzałką, można
napisać wzór na wypadkową siłę termoelektryczną obwodu metali A i B o temperaturach
spoin t

i t

)=e

)+e

)

(1-3)

ponieważ e

)=-e

), mamy ostatecznie

)=e

)-e

)

(1-4)

W obwodzie z rys. 4-1 powstaje siła termoelektryczna, której wartość zależy od

rodzaju metali składowych A i B i od temperatur t

i t

obu spoin.

Rozważania te dotyczą obwodów termoelektrycznych wykonanych z materiałów
jednorodnych. Wszelkie niejednorodności chemiczne lub fizyczne na długości
poszczególnych przewodów prowadzą do powstawania dodatkowych, pasożytniczych sił
termoelektrycznych, które nie mogą być utożsamiane z normalnie występującymi siłami
termoelektrycznymi Thomsona. Wartość ewentualnie występujących pasożytniczych sił
termoelektrycznych zależy od rozkładu temperatur na długości przewodu.

Zgodnie z wzorem (4-4) dla danego zestawu metali A i B wypadkowa siła

termoelektryczna jest tylko funkcją temperatur t

i t

)=e

---

)=f

)

(1-5)

Stosując obwód dwóch metali A i B do pomiaru temperatury, trudno jest operować funkcją
dwóch zmiennych, dlatego też zakładamy w dalszych rozważaniach, że temperatura jednej ze
spoin, spoiny odniesienia, jest stała: t

=const. Temperaturę t

nazywa się temperaturą

odniesienia. Przy tym założeniu

Rozpatrując obwody termoelektryczne przyjęto w tym opracowaniu jako kierunek sumowania poszczególnych

sił termoelektrycznych, kierunek zgodny z ruchem wskazówek zegara. Siły termoelektryczne zgodnie z tym
kierunkiem mają znak dodatni.

)=E

)=e

)-e

)=f

)

(1-6)

a więc siła termoelektryczna obwodu metali A i B jest jednoznaczną funkcją temperatury
mierzonej t

. Spoinę 1 obwodu o temperaturze t

nazywa się spoiną pomiarową.

1.2. Prawo trzeciego metalu

Aby można było wykorzystać w praktyce obwód dwóch metali A i B do pomiaru temperatury
należy włączyć miernik mierzący występującą siłę termoelektryczną lub proporcjonalne do
niej napięcie. Włączenie miernika jest równoznaczne z wprowadzeniem do obwodu trzeciego
metalu C, metalu z którego wykonane są przewody łączące miernik z obwodem oraz obwód
wewnętrzny miernika (rys. 1-2).
Siła termoelektryczna obwodu z rys, 1-2 wyraża się wzorem :

E=e

)+e

)

(1-7)

Zakładając, że t

słuszna byłaby zależność

)+e

)=0

lub inaczej

)+e

)=-e

)

Podstawiając tę zależność do wzoru (1-7) otrzymujemy zależność

E=e

(t1)-e

)

(1-8)

Zależność (4-8) umożliwia sformułowanie prawa trzeciego metalu:

Wprowadzenie do obwodu metali A i B trzeciego metalu C nie wpływa na wartość

wypadkowej siły termoelektrycznej pod warunkiem, że oba końce przewodu z metalu C
znajdują się w takiej samej temperaturze.

Rys. 1-2. Trzeci metal C w obwodzie termoelektrycznym. Obwód rozcięty w spoinie.

Rys. 1-3. Trzeci metal C w obwodzie
termoelektrycznym. Obwód rozcięty w
dowolnym miejscu.

Rys. 1-4. Trzeci metal C w obwodzie
termoelektrycznym. Obwód rozcięty w
dowolnym miejscu. Końce metalu C mają
różne temperatury (t

≠t

)

Miejsce włączenia trzeciego metalu jest dowolne. Rozcinając bowiem przykładowo w
dowolnym miejscu przewód B oraz włączając tam przewody doprowadzające do miernika
stanowiące trzeci metal C (rys. 1-3) siła termoelektryczna obwodu z rys. 1-3 wyraża się
wzorem

E=e

)+e

)

(1-9)

Ponieważ

)=-e

)

zależność (1-9) wyraża się wzorem

E= e

)-e

)

(1-10)

o postaci identycznej jak (1-6) dla obwodu metali A i B. Gdyby w rozpatrywanym obwodzie
oba miejsca łączenia przewodów B i C miały odpowiednio temperatury t

i t

(rys. 1-4),

wypadkowa siła termoelektryczna obwodu wynosiłaby

E’= e

)+e

(t3)+e

)

(1-11)

Wartość E’ różniłaby się od wartości E, określonej wzorem (1-10) o

∆E

∆E=E’-E= e

)-e

(t3)

(1-12)

Równość temperatur w obu miejscach łączenia metali B i C ma więc zasadnicze znaczenie dla
uzyskania prawidłowej wartości wypadkowej siły termoelektrycznej obwodu.

1.3. Prawo kolejnych metali

Celem

umożliwienia porównywania własności poszczególnych metali stosowanych w

termometrii termoelektrycznej, podaje się siłę termoelektryczną poszczególnych metali i
stopów względem platyny, przyjętej za układ odniesienia przy różnicy temperatur wynoszącej
100 deg (tabl. 1-1). Przyjęcie platyny wynika z jej dużej odporności na wpływy
atmosferyczne, stałości jej własności fizycznych i wysokiej temperatury topnienia.

Siły termoelektryczne różnych metali względem platyny

w temperaturze 100

°C, przy temperaturze odniesienia 0°C

Metal Siła

termoelektryczna
Mv

Metal Siła

termoelektryczna
mV

Kopel

Konstantan

Nikiel

Kobalt

Alumel

Pallad

Platyna
Aluminium

Ołów

Platynorod

(90%Pt,10%Rh)

-4.0
-3.51
-1.48
-1.33
-1.29
-0.57
0
+0.42
+0.44
+0.643

Iryd

Rod

Srebro

Cynk

Miedź

Złoto

Wolfram

Molibden

Żelazo

Nikielchrom

(85%Ni, 12%Cr)
Chromel

+0.65
+0.70
+0.74
+0.76
+0.76
+0.78
+1.12
+1.45
+1.89
+2.2

+2.81

1)Według danych radzieckich [O-43]
2)Według danych amerykańskich [O-37]
3)Według danych niemieckich [O-18]

Materiały wymienione w tabl. 1-1 są uszeregowane według rosnącej wartości siły
termoelektrycznej względem platyny, tworząc tzw. szereg termoelektryczny.
Zależność siły termoelektrycznej poszczególnych metali i stopów względem platyny,
w całym zakresie temperatur ich stosowania, przedstawiono wykreślnie na rys. 1-5.
Znając siłę termoelektryczną poszczególnych metali względem platyny łatwo jest
znaleźć siły termoelektryczne występujące przy ich połączeniu z sobą.

-200

200

Kon

stan

tan

-30

-20

-10

E 0

400

600

Pallad

Nikiel

Alumel

ied

Platyna

Pt Rh 10

Zelazo

rom

800

1000 1200 1400

Dla poszczególnych obwodów można sformułować odpowiednie równania:

)=e

)-e

)

(1-13a)

)=e

)-e

)

(1-13b)

)=e

)-e

)

(1-13c)

Odejmując stronami od równania (4-13a) równanie (4-13b), otrzymujemy

)- E

)=e

)-e

)- e

)+e

)

(1-14)

Dla obwodu złożonego z metali A, B, C (rys. 1-7), których miejsca łączenia są w jednakowej
temperaturze t

, słuszne są zależności

)+e

)=0

lub

)=e

)- e

) (1-15)

Zakładając, że temperatura całego obwodu wynosi t

, mamy

)=e

)- e

)

lub

-e

)=e

)- e

)

(1-16)

Podstawiając zależności (4-15) i (4-16) do równania (1-14), otrzymujemy

)-E

)=e

)-e

)

lub

)-E

)=E

)

(1-17)

Zależność (1-17) przedstawia prawo kolejnych metali:
Siła termoelektryczna obwodu złożonego z metali B i C przy określonej różnicy
temperatur obu spoin, równa jest różnicy sił termoelektrycznych obwodów jakie każdy z tych
metali utworzyłby z metalem A przy tej samej różnicy temperatur.

4.1.4. Prawo kolejnych temperatur

Niech

będą trzy obwody termoelektryczne a metali A i B o temperaturach spoin

podanych na rys. 1-8.

Rys.1-8. Prawo kolejnych temperatur

Siły termoelektryczne dla poszczególnych obwodów wyrażają się następującymi równaniami:

)=e

)-e

)

(1-18a)

)=e

)-e

)

(1-18b)

)=e

)-e

)

(1-18c)

Odejmując równanie (4-18c) od równania (4-18a), po uporządkowaniu otrzymujemy
zależność

)- E

)= e

)-e

)=E

)

lub ostatecznie

)= E

)- E

)

(1-19)

Zależność powyższa przedstawia prawo kolejnych temperatur, które brzmi:
Siła termoelektryczna obwodu o temperaturze spoiny pomiarowej t

i temperaturze

spoiny odniesienia t

równa jest różnicy siły termoelektrycznej tego obwodu przy

temperaturze odniesienia t

i siły termoelektrycznej tego obwodu o temperaturze spoiny

pomiarowej t

i temperaturze spoiny odniesienia t

2. Termoelementy

2.1. Wiadomości ogólne

Połączone na jednym końcu dwa różne materiały: metale czyste, stopy metali lub
niemetale, tworzą termoelement. Miejsce łączenia nazywa się spoiną pomiarową, zaś
pozostałe końce - końcami wolnymi. Przewody termoelementu nazywają się
termoelektrodami (rys. 1-9).

Rys. 1-9. Termoelement: 1 - spoina pomiarowa, 2 - wolne końce, 3 - termoelektrody

Na termoelementy należy wybierać zestawy materiałów, które w szeregu

termoelektrycznym (tabl. 1-1) znajdują się możliwie daleko od siebie, co zapewnia
występowanie możliwie dużych sił termoelektrycznych przy określonej różnicy temperatur.
Materiały stosowane na termoelementy powinny w miarę możności wykazywać
następujące cechy:
-

wysoką temperaturę topnienia,

wysoką dopuszczalną temperaturę pracy ciągłej,

dużą odporność na wpływy atmosferyczne,

stałość własności w czasie,

dużą powtarzalność własności przy produkcji,

możliwie małą rezystywność,

możliwie mały cieplny współczynnik zmiany rezystancji,

ciągłą i liniową zależność siły termoelektrycznej od temperatury.

Praktycznie stosowane zestawy materiałów na termoelementy stanowią pewien

kompromis między poszczególnymi wymaganiami.

Na rys. 1-10 podano charakterystyki siły termoelektrycznej w funkcji temperatury

zwane charakterystykami termometrycznymi dla najczęściej stosowanych zestawów
termoelementów.

r- K

- K

r- N

PtRh

PtR

h10

-Pt

PtR

h13

- Pt

i- N

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Rys. 1-10. Charakterystyki termometryczne najczęściej stosowanych termoelementów. Linią

grubą oznaczono termoelementy znormalizowane według PN-59/M-53854

Na rys. 1-10 oraz w dalszych rozważaniach w nazwach termoelementów na pierwszym
miejscu podaje się zawsze materiał będący elektrodą dodatnią.

2.2. Własności poszczególnych termoelementów [O-1, O-8, O-11, O-18, O-23, O-42,1]

Termoelement Cu-Konst

(55% Cu, 45% Ni) jest termoelementem o dużej sile

termoelektrycznej. Jego charakterystyka termometryczna zależy w dużym stopniu od

czystości elektrody miedzianej. Termoelement nie może pracować w atmosferze utleniającej,
zwłaszcza w wyższych temperaturach; może być stosowany do pomiaru temperatur w
zakresie od -200

°C do 500°C. Najczęściej stosowany jest w pomiarach laboratoryjnych.

Termoelement Ag-Konst

, w porównaniu z termoelementem Cu-Konst, jest trwalszy i

ma charakterystykę termometryczną bardziej zbliżoną do liniowej. W pomiarach
przemysłowych nie jest stosowany.

Termoelement NiCr

(85% Ni, 12%Cr) - Konst charakteryzuje się największą wartością

siły termoelektrycznej spośród termoelementów metalowych. Odpowiednikiem jego jest
również termoelement Chromel-Kopel. Może być stosowany do 800

°C, jednakże należy

unikać atmosfery redukującej i obecności związków siarki.

Termoelement Fe-Konst

jest powszechnie stosowany ze względu na niską cenę,

stosunkowo dużą wartość siły termoelektrycznej i możność stosowania zarówno w atmosferze
utleniającej, jak i redukującej. Jakkolwiek może być stosowany do pomiaru temperatury do
1000

°C, to jednak już w temperaturach powyżej 600°C tworzy się zgorzelina niszcząca

termoelement, co wymaga stosowania większych średnic drutów.

Termoelement NiCr

(85% Ni, 12% Cr) - Ni jest odporny na atmosferę utleniającą; w

wyższych temperaturach jest wrażliwy na związki siarki. Elektrodę niklową termoelementu
wykonuje się z domieszkami Al, Si, Mn. Elektroda ta ulega na ogół jednak szybszemu
zużyciu niż elektroda NiCr. Wyjątek stanowi termoelement szwedzkiej firmy Kanthal,
którego obie elektrody zużywają się równomiernie. Termoelement NiCr-Ni jest najczęściej
stosowanym termoelementem z metali nieszlachetnych w zakresie temperatur od 1000, a
nawet 1100

°C. Ma on prawie prostoliniową charakterystykę termometryczną.

Termoelement

PtRh

(90% Pt, 10%Rh) - Pt zmienia swoją charakterystykę

termometryczną pod wpływem działania na termoelement S, C, Si, zwłaszcza powyżej
1000

°C. Jest najbardziej rozpowszechnionym zestawem wśród termoelementów wykonanych

z metali szlachetnych. Stosuje się go jako termoelement wzorcowy przy odtwarzaniu
międzynarodowej skali temperatur. Odporność na korozję umożliwia stosowanie cienkich
drutów, co obniża cenę termoelementu i zmniejsza jego bezwładność cieplną, zwiększając
jednak jego rezystywność.

Termoelement PtRh13

(87%, Pt, 13% Rh)-Pt jest odmianą termoelementu PtRh10-Pt,

stosowaną w krajach anglosaskich. Do roku 1922 w USA produkowano termoelement
PtRh10-Pt w dwóch odmianach różniących się wartościami siły termoelektrycznej o ok. 10%.
Okazało się, że różnica ta wynikała z zanieczyszczeń materiału termoelektrod. Badania
wykazały, że termoelement PtRh13-Pt ma identyczną charakterystykę jak termoelement
PtRh10-Pt z zanieczyszczeniami. Wobec rozpowszechnienia obu typów termoelementów
zastąpiono następnie termoelement PtRh10-Pt z zanieczyszczeniami termoelementem
PtRh13-Pt.

Termoelement PtRh18

(70% Pt, 30% Rh - 94% Pt, 6% Rh) ma obie termoelektrody

wykonane z platynorodu, co w stosunku do termoelementów o ujemnej termoelektrodzie Pt,
podwyższa jego temperaturę pracy. Termoelement PtRh18 stosowany jest w pomiarach
temperatury do 1800

°C. Spośród licznych odmian tego rodzaju termoelementów (70% Pt,

30% Rh - 94% Pt, 6% Rh; 80%Pt, 20%Rh - 95%Pt, 5% Rh; 60% Pt, 30% Rh - 80% Pt, 20%
Rh) najczęściej stosuje się zestaw 70%Pt, 30%Rh - 94%Pt, 6%Rh. W porównaniu z
termoelementami, w których jedna elektroda jest wykonana z czystej platyny ma on
następujące zalety:
1)

wyższą dopuszczalną temperaturę pracy (1800

°C),

2) zanieczyszczenia innymi metalami w znacznie mniejszym stopniu wpływają na

charakterystykę termometryczną,

Oznaczenie termoelementu pochodzi od dopuszczalnej temperatury pracy (1800

°C).

3) mniejsze zmiany charakterystyki termometrycznej w wyniku dyfuzji rodu do

elektrody platynowej oraz sublimacji rodu z elektrod.

Termoelement NK-SA

(Nikiel kobalt-Alumel według GOST 6071-51) charakteryzuje

się pomijalnie małą siłą termoelektryczną w zakresie od 0 do 200

°C, w wyższych

temperaturach zaś, pochyleniem charakterystyki termometrycznej tego samego rzędu co
NiCr-Ni. Zbliżone charakterystyki mają termoelementy NiFe-Ni i termoelement niemiecki
OAL.

Według norm radzieckich GOST zamiast konstantynu stosuje się kopel o składzie 56-
57% Cu i 44-43% Ni. Charakterystyka termometryczna zestawu Cu-Kopel ma przebieg
bardzo zbliżony do charakterystyki Cu-Konst, zaś bliskim odpowiednikiem termoelementu
Fe-Konst jest termoelement Fe-Kopel. Charakterystyki te podano w tablicy II. Kopel
charakteryzuje się nieco lepszą odpornością na działanie temperatury niż konstantan.

Podobnie, zamiast stopu NiCr stosuje się według norm GOST chromel o składzie:

89% Ni, 9.8% Cr, 1% Fe, 0.2% Mn, zaś zamiast elektrod niklowych stosuje się alumel o
składzie 94% Ni, 2% Al, 2.5% Mn, 1% Si. Charakterystyki NiCr-Ni oraz charakterystyki
Chromel-Alumel według GOST [tabl. II] są prawie identyczne.

W Polsce ujęto normami charakterystyki termometryczne następujących elementów:

PtRh-Pt

NiCr-Ni

Fe-Konst

Cu-Konst

Dla tych termoelementów charakterystyki termometryczne oraz dopuszczalne odchyłki od
nich podano w tablicach III, IV, V, VI, VII, VIII zgodnie z PN-59/M-53854. Grubą łamaną
linią oddzielono w tablicach zakres pracy ciągłej każdego termoelementu od zakresu
stosowalności krótkotrwałej.
Celem

umożliwienia stosowania termoelementów importowanych lub przewidzianych

do współpracy nimi mierników, w tabl. II podano porównawczo charakterystyki
termometryczne zagranicznych odpowiedników termoelementów znormalizowanych w
Polsce.

Analiza danych z tabl. II wskazuje, że w większości przypadków różnice między

charakterystykami termometrycznymi odpowiedników poszczególnych typów
termoelementów w różnych krajach są pomijalnie małe, co umożliwia pełną wymienialność
urządzeń.

W tablicy XI podano charakterystyki termometryczne termoelementów

nieznormalizowanych, ale dość często stosowanych.

Własności fizyczne materiałów stosowanych na termoelementy, o znormalizowanych

charakterystykach termometrycznych podano w tabl. 1-2.
Z

materiałów wymienionych w tabl. 1-2 własności ferromagnetyczne mają: Fe, Ni,

NiCr, co umożliwia niekiedy łatwe identyfikowanie biegunowości poszczególnych
termoelektrod.

Innym sposobem szybkiego identyfikowania biegunowości jest różnica twardości

poszczególnych termoelektrod, która dla zestawów znormalizowanych przedstawia się
następująco:

- dla termoelementu PtRh-Pt dodatnia termoelektroda PtRh jest twarda, ujemna Pt jest

miękka,

- dla termoelementu NiCr-Ni dodatnia termoelektroda NiCr jest twarda, ujemna Ni jest

miękka,

- dla termoelementu Fe-Konst dodatnia termoelektroda Fe jest twarda, ujemna Konst

jest miękka,

- dla termoelementu Cu-Konst obie termoelektrody są miękkie.

Dane charakterystyczne przewodów stosowanych na termoelektrody

znormalizowanych termoelementów dla najczęściej spotykanych średnic (PN-62/M-53855)
zestawiono w tabl. XII. Dla każdej średnicy podano zalecaną temperaturę pracy ciągłej w
atmosferze czystego powietrza.

2.3 Wykonania spoin pomiarowych

[O-1, O-1, O-18]

Spoiną pomiarową termoelementu nazywa się zgodnie z PN-59/M-53851 miejsce
styczności elektrycznej termoelektrod umieszczone w ośrodku, którego temperaturę się
mierzy.
Prawidłowo wykonana spoina pomiarowa powinna charakteryzować się wymaganą
wytrzymałością mechaniczną i dostatecznie małą rezystancją.

a )

Rys. 1-11. Wykonania spoin pomiarowych: a) termoelektrody cienkie, b) termoelektrody

grubsze; 1 - termoelektroda miękka, 2 - termoelektroda twarda

Przyjmując, że na ogół (ze względu na małe wymiary geometryczne) cała spoina ma
jednakową temperaturę, zgodnie z prawem trzeciego metalu połączenie obu przewodów
termoelektrod może być wykonywane również za pośrednictwem innego metalu, np. przez
zlutowanie. Spoiny wykonuje się przez spawanie, lutowanie lub zgrzewanie, a niekiedy przez
połączenie mechaniczne, np. skręcenie lub zwalcowanie drutów. Przykłady typowych spoin
pokazano na rys. 1-11.

Termoelement PtRh-Pt

najczęściej spawa się w łuku elektrycznym bez użycia

topników. Wprowadzając końce termoelektrod do łuku prądu zmiennego, wytworzonego
między dwiema elektrodami węglowymi należy unikać ich zetknięcia z elektrodami, co
mogłoby spowodować nawęglenie spoiny. Termoelementy nie powinny być zanieczyszczone
smarami, potem itp., a także nie powinny mieć odkształceń mechanicznych, zgnieceń i
zadrapań. Przed spawaniem należy przewody skręcić wykonując conajmniej półtora do
dwóch zwojów. Uprzednie czyszczenie końców przewodów nie jest konieczne.
Prawidłowo wykonana spoina ma postać gładkiej kulki; ewentualne pory na
powierzchni dowodzą przegrzania metalu podczas spawania.

Termoelement Fe-Konst

najczęściej spawa się w płomieniu tlenowo-acetylenowym nie

redukującym po uprzednim starannym oczyszczeniu powierzchni papierem ściernym i
skręceniu obu końców na długości 2-3 zwojów. Po nagrzaniu do czerwoności płomieniem
obojętnym, końcówki zanurza się w boraksie i spawa nagrzewając najpierw przewód o
wyższej temperaturze topnienia. Po spawaniu należy starannie wypłukać topnik. Można

również spawać w łuku elektrycznym podłączając spawany termoelement jako jedną
elektrodę i stosując drugą elektrodę grafitową. Jeżeli temperatura pracy termoelementu nie
przekracza 600

°C, stosuje się również lutowanie twarde.

Termoelement NiCr-Ni

spawa się tak, jak termoelement Fe-Konst, również unikając

płomienia redukującego. Niekiedy spoiny pomiarowe wykonuje się przez zgrzewanie końców
termoelektrod.

Termoelement Cu-Konst

ze względu na zakres jego stosowalności nie przekraczający

600

°C, najczęściej wykonuje się lutując termoelektrody lutem twardym przy użyciu boraksu

jako topnika, a dla temperatury do ok. 200

°C - lutując termoelektrody lutem miękkim.

Niekiedy spawa się elektrody w łuku elektrycznym bez użycia topnika.

W tablicy XIII podano typowe składy lutów twardych i miękkich oraz odpowiednie

zakresy temperatury ich topnienia.

Po wykonaniu spoiny termoelement należy poddać starzeniu w celu ustabilizowania

jego własności termoelektrycznych. W czasie starzenia polegającego na nagrzewaniu
termoelementu w odpowiedniej temperaturze, następuje ujednorodnienie mikrostruktury
metalu, naruszonej przy wykonywaniu spoiny. Starzenie usuwa również naprężenia własne
drutów termoelementu, które mogły powstać przy jego wytwarzaniu, wskutek niewłaściwego
transportu, przechowywania itp. Istnieją różne poglądy co do wymaganej temperatury i czasu
procesu starzenia. Ogólnie zaleca się wygrzewanie termoelementów przez kilka godzin w
maksymalnej dopuszczalnej temperaturze ich pracy.

Przy wykonywaniu termoelementów zachodzi niekiedy potrzeba łączenia

jednoimiennych odcinków przewodów termoelektrod, zwłaszcza w przypadku
termoelementów z metali szlachetnych, ponieważ wysoka cena materiału powoduje, że
opłacalne jest wykorzystanie nawet jego niewielkich odcinków. Wykonuje się wtedy spoiny
dodatkowe. Spoiny dodatkowe nie powinny dawać dodatkowych pasożytniczych sił
termoelektrycznych i dlatego należy je raczej umieszczać możliwie daleko od spoiny
pomiarowej, w tych częściach termoelementu, w których występują najmniejsze gradienty
temperatur.

W miejscu styku dwóch różnych metali występuje zjawisko Seebecka, polegające na

powstawaniu małego napięcia (rzędu pojedynczych miliwoltów), zwanego napięciem
termoelektrycznym. Jego zależność od temperatury zależy od rodzaju stykających się metali. Nie jest
ona ściśle liniowa i dlatego określa się ją średnim współczynnikiem temperaturowym.

Typ Metal1

Biegun +

Metal2

Biegun -

Średni współczynnik

temperaturowy [mV/0C]

Zakres

temperatur[0C]

T Miedź Konstantan

42.8

-200...+400

Żelazo Konstantan

51.7

-200...+700

E Chromel Konstantan

60.9

-200...+1000

K Chromel

Alumel

40.5

-200...+1300

S Platyna

Platyna/Rod

10%

6.4

0...+1500

R Platyna

Platyna/Rod

13%

6.4

0...+1600

Wolfram/Ren 5%

Wolfram/Ren 26%

0...+2800

W praktyce pomiarowej wykorzystuje się dwa termoelementy połączone ze sobą tak, aby

napięcia termoelektryczne kompensowały się. Jeden z termoelementów, nazywany zimnym końcem,
umieszcza się w temperaturze o znanej wartości, natomiast drugi jest właściwym czujnikiem
pomiarowym. Otrzymywane napięcie jest zależne od różnicy temperatur obydwu termoelementów.
Jako temperatury odniesienia można użyć np. mieszaniny wody z lodem (0

C). Częściej jednak

wykorzystywane są grzejniki wytwarzające w małej, zamkniętej objętości temperaturę o
kontrolowanej wartości, lub nawet elektroniczne urządzenia symulujące obecność termoelementu
odniesienia.

Rysunek 7. Przykład najprostszego programu (diagram) do odczytu wartości z karty

TRM

Kalibrowanie termometru przy pomocy programu TRM (dla LabVIEW)

Podczas pomiaru program odczytuje z przetwornika A/C liczbę, będącą w pewnej zależności z

mierzoną temperaturą. Zadaniem programu jest przetransformowanie tej liczby w wartości
temperatury w wybranych przez użytkownika jednostkach. Aby to zrobić należy najpierw, na
podstawie znajomości zjawisk zachodzących w czujniku i układzie pomiarowym, założyć model jego
działania, a następnie określić zależność matematyczną wiążącą odczytywaną liczbę z mierzoną
temperaturą.

W programie TRM przyjęto bardzo upraszczające założenie, że liczby odczytane z

przetwornika są liniowo zależne od temperatury, czyli można obliczyć ją używając równania:

⋅

gdzie T jest obliczaną temperaturą, x - odczytaną liczbą, a A i B - współczynnikami równania
liniowego. Zadaniem użytkownika jest obliczenie, lub doświadczalne określenie tych
współczynników, ponieważ zależą one od zakresu mierzonych temperatur i rodzaju, a nawet
egzemplarza stosowanego czujnika, a otrzymane współczynniki - współczynniki cechowania lub
kalibracji.

Przy założeniu liniowego związku temperatury z odczytaną liczbą procedura kalibrująca jest

bardzo prosta. Należy umieścić czujnik w znanej temperaturze T

i po ustabilizowaniu się wskazań

termometru odczytać odpowiadającą tej temperaturze liczbę x

. Następnie należy czynności te

powtórzyć dla innej znanej temperatury T

, odczytując liczbę x

. Obie liczby spełniają z założenia

opisaną wcześniej liniową zależność, co można zapisać przy pomocy układu równań:

⋅

z których wyprowadzamy równania na współczynniki A i B:

−

Aby jak najlepiej wykorzystać termometr i zminimalizować błędy pochodzące od

ewentualnych nieliniowości czujnika należy, jeżeli jest taka możliwość, wybrać temperatury
kalibrowania leżące w pobliżu krańców przyszłego zakresu pracy termometru. Wskazane jest też
kilkukrotne, najlepiej naprzemienne, cechowanie w obydwóch temperaturach.

Domyślne wartości współczynników kalibracyjnych A i B w programie TRM odpowiednio: 1

i 0, co widać na rysunku powyżej. Wystarczy obliczone współczynniki A B wprowadzić w

odpowiednie pola widoczne na ekranie. Od tej pory wyniki uzyskane będą wskazywać temperaturę
(również te zapisywane do pliku).

b. Program komputerowy TERMO (Wersja dla DOS)

Program napisany jest w języku Pascal i działa w systemie operacyjnym DOS. Przystosowany

jest do pomiaru temperatury przy pomocy termometru cyfrowego TRM-1 pod nadzorem sterownika
systemu EURO w wersji nr 6.1.

Wszystkie potrzebne ustawienia wprowadzane są poprzez plik konfiguracyjny. W takim

przypadku program należy uruchomić jako parametr nazwę pliku konfiguracyjnego np.: TERMO.EXE
POMIARY.INI. Nazwa pliku konfiguracyjnego może być dowolna w zakresie ograniczonym przez
system operacyjny i obecność innych plików. W przypadku uruchomienia programu bez parametru -
nazwy pliku konfiguracyjnego, program rozpocznie pracę z wartościami domyślnymi.

Plik konfiguracyjny jest typu tekstowego (ASCII), wiec jego zawartość można modyfikować

przy pomocy programu dowolnego edytora, umożliwiającego zapis pliku w formacie tekstowym
ASCII, bez dodatkowych znaków sterujących. Przykładowe edytory to: EDIT.EXE systemy DOS (od
wersji 5.0), NCEDIT.EXE, wchodzący w skład pakietu “Norton Commander”, lub Notatnik w
Windows 3.x.

Użytkownik ma do dyspozycji 11 parametrów pracy programu. W pliku konfiguracyjnym

muszą pojawić się wszystkie, w określonej kolejności i każdy w osobnym wierszu. Parametry nie
mogą być rozdzielane ani poprzedzane pustymi wierszami. Muszą także przyjmować parametry z
określonego zakresu. Nie dostosowanie się do tych reguł może spowodować błędne działanie
programu. W poniższej tabeli przedstawione zostały w poprawnej kolejności wszystkie parametry
programu TERMO.

Parametr Wartość domyślna Zakres

Nazwa pliku danych

TERMO.DAT

Nazwa ograniczona przez DOS

Okres pomiarów

1 sekunda

Liczba całkowita dodatnia do 16 cyfr,
wartość podawana w sekundach, 0
oznacza minimalny okres (ok. 70 ms).

Liczba pomiarów

Do zatrzymania

Liczba całkowita dodatnia do 16 cyfr,
0 oznacza prowadzenie pomiarów do
zatrzymania przez użytkownika.

Tryb graficzny (wykres)

Nie

0 – nie , 1 – tak.

Dolne ograniczenie osi Y

- 4095

Liczba rzeczywista.

Górne ograniczenie osi X

+ 4095

Liczba rzeczywista.

Kalibracja – współczynnik A

Liczba rzeczywista.

Kalibracja – współczynnik B

Liczba rzeczywista.

Nr portu szeregowego

1 - COM 1, 2 – COM 2.

Identyfikator termometru

Liczba całkowita z zakresu 0...255,
odpowiadająca ustawieniu zworek na
karcie TRM - 1

Sygnalizacja dźwiękowa

Nie

0 – nie , 1 – tak.

Po uruchomieniu program wyświetla wartość wszystkich parametrów i sprawdza połączenie

ze sterownikiem kasety oraz termometrem TRM-1. W przypadku po prawnej komunikacji z
obydwoma urządzeniami można rozpocząć pomiary (ENTER) lub zakończyć pracę programu (ESC).
Jeżeli program nie stwierdzi obecności jednego z urządzeń, informuje o tym i nie pozwala rozpocząć
pomiarów (dowolny klawisz zakończenie programu).

Po rozpoczęciu doświadczenia w trybie graficznym na ekranie widoczna jest ramka, w której

nanoszone są punkty odpowiadające zmierzonym wartościom temperatury, w zakresie ustalonym
parametrami ograniczenia osi Y. Dodatkowo pod ramką wyświetlane są wartości: numer pomiaru (N),

czas dokonania pomiaru liczony w sekundach od rozpoczęcia doświadczenia (X) i zmierzona
temperatura (Y).

W trybie tekstowym każdemu dokonanemu pomiarowi odpowiada wyświetlenie jednego

wiersza danych. W pierwszych trzech kolumnach przedstawione są wartości takie same, jak w trybie
graficznym: numer pomiaru (Pomiar), czas dokonania pomiaru (Czas) i temperatura (Temp.).
Pozostałe 5 wielkości dotyczy bezpośrednio użytego w temperaturze przetwornika A/C: bajt starszy
(HI) i młodszy (LO) liczby odpowiadającej zmierzonej temperaturze, znak tej liczby (POL), wskaźnik
przekroczenia zakresu pomiarowego (OVR) oraz obliczona na podstawie tych danych liczba (ADC).

W obydwóch trybach istnieje możliwość zakończenia doświadczenia poprzez naciśniecie

dowolnego klawisza. Po zakończeniu pomiarów dane są dostępne w pliku tekstowym o nazwie
przekazanej w pierwszym wierszu pliku konfiguracyjnego, lub w pliku o domyślnej nazwie
TERMO.DAT. Pierwsza kolumna zawiera czas dokonania pomiaru temperatury, a druga jej wartość.

Współczynnik kalibracji - programowe kalibrowanie termometru

Podczas pomiaru program odczytuje z przetwornika A/C liczbę, będącą w pewnej zależności z

W programach TERMO i TRM przyjęto bardzo upraszczające założenie, że liczby odczytane

z przetwornika są liniowo zależne od temperatury, czyli można obliczyć ją używając równania:

⋅

gdzie T jest obliczaną temperaturą, X - odczytaną liczbą, a A i B - współczynnikami równania
liniowego. Zadaniem użytkownika jest obliczenie, lub doświadczalne określenie tych
współczynników, ponieważ zależą one od zakresu mierzonych temperatur i rodzaju, a nawet
egzemplarza stosowanego czujnika, a otrzymane współczynniki - współczynniki cechowania lub
kalibracji.

Przy założeniu liniowego związku temperatury z odczytaną liczbą procedura kalibrująca jest

bardzo prosta. Należy umieścić czujnik w znanej temperaturze T

i po ustabilizowaniu się wskazań

termometru odczytać odpowiadającą tej temperaturze liczbę X

. Następnie należy czynności te

powtórzyć dla innej znanej temperatury T

, odczytując liczbę X

. Obie liczby spełniają z założenia

opisaną wcześniej liniową zależność, co można zapisać przy pomocy układu równań:

z których wyprowadzamy równania na współczynniki A i B:

A T

−
−

−

Aby jak najlepiej wykorzystać termometr i zminimalizować błędy pochodzące od

Document Outline