Płyta czołowa i interfejs użytkownika

Białostocka
Politechnika
Wydział Elektryczny
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu
POMIARY ELEKTRYCZNE WIELKOŚCI
NIEELEKTRYCZNYCH 2
Kod przedmiotu:
ES2C200011
Ćwiczenie pt.
Badania laboratoryjne czujnika Pt100
Numer ćwiczenia
WN 15
Opracował:
mgr inż. Adam Idźkowski
Białystok 2015
Wszystkie prawa zastrzeżone.
Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej
instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami
zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli.
2
1.
Wprowadzenie
Celami ćwiczenia jest zapoznanie studentów z:
- cyfrową metodą pomiaru rezystancji,
- zastosowaniem źródła prądowego w układach pomiarowych,
- istotą pomiaru temperatury przy użyciu termorezystora.
2. Cyfrowy pomiar rezystancji
Cyfrowy pomiar rezystancji (Rys. 1) polega na przetworzeniu jej na napięcie
stałe. Rezystor o nieznanej rezystancji RX przyłącza się do źródła
prądowego. Prąd I tego źródła wywołuje na rezystorze spadek napięcia UX,
który mierzony jest następnie przez woltomierz cyfrowy. Zakłada się przy
tym, że prąd „pobierany” przez woltomierz ma pomijalnie małą wartość,
wobec tego cały prąd I źródła prądowego, który jest stałym parametrem
układu, płynie przez mierzoną rezystancję. Wobec tego założenia
rezystancję RX wyznacza się z zależności:
(1)
I
IV = 0
ŹRÓDŁO
PRĄDOWE
RX
UX
WOLTOMIERZ
CYFROWY
Rys. 1. Idea cyfrowego pomiaru rezystancji.
3
3.
Źródło prądowe
Idealne źródło prądowe jest dwójnikiem, który wymusza prąd o stałym
natężeniu I w dołączonym obwodzie, niezależnie od wartości napięcia na
jego zaciskach. Rzeczywiste źródło prądowe charakteryzuje się pewną
graniczną wartością napięcia wyjściowego a wydajność prądowa I jest
w przybliżeniu stała.
W układach pomiarowych źródła prądowe w porównaniu do
napięciowych są rzadziej stosowane. Realizacja regulowanych źródeł
prądowych (zwłaszcza prądu zmiennego) od wielu lat jest poważnym
wyzwaniem dla konstruktorów. Źródło musi pracować w dość szerokim
zakresie napięcia i musi mieć dużą impedancję, którą łączy się szeregowo
z nieznanym obciążeniem. Musi cechować się możliwością regulacji prądu
i słabo reagować na zmiany temperatury pracy.
Rolę źródła prądowego w ćwiczeniu pełni dwuwyjściowy zasilacz
Toellner TOE 8952 (Rys. 2).
Rys. 2. Zasilacz Toellner TOE 8952.
Wybrane parametry tego zasilacza przedstawione są w Tabeli 1.
4
Tabela 1. Wybrane parametry zasilacza TOE 8952-40.
Napięcie wyjściowe
Rozdzielczość napięcia wyjściowego
Dokładność ustawienia napięcia wyj.
Dokładność pomiaru napięcia wyj.
Prąd wyjściowy
Rozdzielczość prądu wyjściowego
Dokładność ustawienia prądu wyj.
Dokładność pomiaru prądu wyj.
Stabilność prądu wyjściowego przy
zmianie obciążenia w zakresie 0…100%
Stabilność prądu wyjściowego przy
zmianie napięcia zasilania o ±10%
Stabilność temperaturowa prądu
wyjściowego
2 x 0 - 40V
10 mV
0,1%+20mV
0,1%+30mV
2 x 0 -10 A
1 mA
0,2%+10 mA
0,2%+15 mA
5,5 mA
0,05 mA
0,1 mA/K
4. Czujniki termorezystancyjne
Za początki termometrii rezystancyjnej można uważać rok 1887, kiedy
to C.W. Siemens opublikował pracę pod tytułem „On the practical
measurement of temperature”.
Termorezystor metalowy stanowi uzwojenie wykonane z metalu (zwykle
platyny, niklu, miedzi), nawinięte na kształtce z materiału izolacyjnego.
Zasada jego działania polega na zmianach rezystancji przewodnika
pod wpływem temperatury. Powstałe w ten sposób zmiany rezystancji są
mierzone i stanowią miarę temperatury.
Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz
prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co ze względu na
hamowanie ruchów elektronów powoduje wzrost rezystancji.
Głównym powodem zmian rezystancji przewodników jest zmiana ich
rezystywności  (gdy pominie się zmiany wymiarów przewodu pod
5
wpływem temperatury) Dla większości metali zależność rezystywności
od temperatury opisuje z dostateczną dokładnością następująca zależność
T   o 1  AT  BT 2  CT 3  ,
gdzie:
(2)
T – oznacza rezystywność w temperaturze T,
o – rezystywność w temperaturze 0oC,
T – temperatura,
A, B, C – współczynniki.
W pewnych zakresach temperatur i dla niektórych metali współczynniki B,
C przybierają pomijalnie małe wartości, wobec czego można wtedy przyjąć,
że rezystywność jest liniową funkcją temperatury.
Rezystancja termorezystora jest opisana zależnością analogiczną do
przytoczonej wyżej


RT  Ro 1  AT  BT 2  CT 3 ,
(3)
gdzie: RT, Ro – rezystancje termorezystora odpowiednio w temperaturach T
i 0oC.
Zmiana rezystancji termorezystora pod wpływem temperatury jest
określona przez tzw. współczynnik temperaturowy rezystancji ,
określający względną zmianę rezystancji przypadającą na jeden stopień
zmiany temperatury
R
R  1 
  0  0 ,
T 1 C 
(4)
gdzie: R0 oznacza rezystancję przewodnika przed zmianą temperatury.
Współczynnik ten określany jest w praktyce jako średni współczynnik
temperaturowy rezystancji dla zakresu zmian temperatury w granicach od
0oC do 100oC, skąd wynika następująca postać jego definicji:
6
R100  R0
R0
1 R100  R0  1 
,



0
R0
100 10 C 
100 C
(5)
gdzie: R100, R0 – rezystancje przewodnika odpowiednio w temperaturach
100oC i 0oC
Metale stosowane do budowy przetworników rezystancyjnych powinny
spełniać następujące wymagania:
 mieć duży współczynnik temperaturowy rezystancji,
 dużą rezystywność, co pozwala na konstruowanie przetworników o
małym wymiarach,
 stałe właściwości fizyczne,
 brak histerezy temperaturowej,
 łatwość odtwarzania metalu o identycznych właściwościach, co
umożliwia wymienność przetworników,
 odporność na korozję,
 wysoką temperaturę topnienia,
 dostateczną wytrzymałość mechaniczną.
Metalem najlepiej spełniającym powyższe wymagania jest czysta
platyna (Pt). Ponadto do budowy termorezystorów stosuje się nikiel (Ni)
i miedź (Cu). Podstawowe parametry tych metali podaje Tabela 2.
Tabela 2. Parametry metali stosowanych do budowy rezystorów termoelektrycznych.
Metal
Zakres zastosowania
typowy
graniczny
o
Platyna
Nikiel
Miedź
C
-200  +850
-60  +150
-50  +150
o
C
-250  +1000
-60  +180
–
Rezystywność
m
0,1
0,1
0,017
R100
R0
1,385
1,617
1,426
Stosowane w technice przetworniki rezystancyjne temperatury składają
się z rezystora termoelektrycznego oraz odpowiedniej osłony. Osłona jest
7
wykonana z materiału dobrze przewodzącego ciepło (np. z metalu) i ma
za zadanie chronić delikatny rezystor przed uszkodzeniami mechanicznymi
i działaniem czynników chemicznych. Sam rezystor ma najczęściej postać
rezystora pałeczkowatego, to znaczy uzwojenia nawiniętego na pręcie lub
rurce ze szkła, kwarcu czy ceramiki. Po nawinięciu uzwojenia nasuwa się na
nie zewnętrzna rurkę z tego samego materiału co korpus, na którym
nawinięto uzwojenie. Stapiając tę rurkę w odpowiedniej temperaturze,
powoduje się zalanie zwojów rezystora, co izoluje go od wpływów
chemicznych i chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi. Izolację
zewnętrzną stanowi w niektórych przypadkach taśma z włókna szklanego
lub teflonu, albo lakier. Średnice rezystorów pałeczkowych wynoszą od
jednego do kilku milimetrów, a ich długość od kilkunastu do kilkudziesięciu
milimetrów.
Nowoczesne rezystory termoelektryczne, tzw. cienkowarstwowe, czyli
wykonane techniką warstw cienkich, mają znacznie mniejsze wymiary. Są
to rezystory platynowe płaskie, napylane na płytki ceramiczne o wymiarach
np. 1031mm, a nawet mniejszych. Rezystory te odznaczają się bardzo
małą bezwładnością cieplną.
Rys. 3. Termorezystor cienkowartstowy.
Rezystancją znamionową termorezystora jest jego rezystancja
w temperaturze 0oC. Wynosi ona z reguły 100 , jakkolwiek spotyka się
i inne wartości znamionowe, np. 500 , 1000 .
8
Charakterystyki przedstawiające zależność rezystancji platynowych,
niklowych i miedzianych rezystorów w funkcji temperatury podane są
w postaci odpowiednich tabel. W Tabeli 3 podano zależność dla rezystora
Pt100.
Tabela 3. Zależność rezystancji czujnika Pt100 od temperatury wg normy:
Czujniki termorezystancyjne najczęściej wykonuje się jako dwu- (klasa
tolerancji B) lub czteroprzewodowe (klasa tolerancji A lub B). Optymalną
formą połączenia dla czujników rezystancyjnych jest układ
czteroprzewodowy (Rys. 4). Wtedy wynik pomiaru nie zależy ani od
rezystancji doprowadzeń, ani od ich zmian temperaturowych. Nie wymaga
się też kompensacji doprowadzeń. Rezystor dostaje prąd pomiarowy I
poprzez zaciski zasilania (końcówki prądowe), a spadek napięcia Ux na
rezystorze jest pobierany przez końcówki napięciowe.
9
Rys. 4. Połączenie czteroprzewodowe (dwoma przewodami do każdego końca rezystora
termometrycznego) stosowane do pomiarów wymagających najwyższej dokładności.
W Tabeli 4 przedstawiono dopuszczalne odchyłki temperaturowe rezystora
Pt100 według PN-EN 60751+A2.
Tabela 4. Dopuszczalne odchyłki termorezystora Pt100 w temperaturze T.
Tolerancja [°C]
Klasa tolerancji
A
±
B
±
5. Symulator czujników termometrycznych
Symulator czujników termometrycznych (Rys. 5) jest czterozaciskowym
rezystorem dekadowym o klasie dokładności k= 0,02% umożliwiającym
ustawienie rezystancji dla wybranej temperatury z zakresu od -30 do
+200°C. Urządzenie to służy do symulacji termorezystora Pt100.
10
Rys. 5. Symulator czujników termometrycznych (ELAP).
6. Piec kalibracyjny
Piec kalibracyjny TC-150 (Rys. 6) umożliwia porównanie temperatury
z termometrów stykowych. Temperatura jest ustawiana za pomocą
membranowej klawiatury. Na podwójnym wyświetlaczu można odczytać
temperaturę właściwą i temperaturę zadaną. Grzejnik temperatury zawiera
różne otwory, umożliwiające umieszczenie czujników o różnych średnicach
(3 mm; 3,4 mm; 3,7 mm; 4 mm; 5 mm; 6,5 mm).
Wybrane dane techniczne:
Rozdzielczość pomiaru temperatury
Dokładność podstawowa
Napięcie robocze
Masa netto
Zakres kalibracji termometru
0,1 °C
±0,8 °C
230 V/AC
2,1 kg
Od +33 do +300 °C
11
Rys. 6. Kalibrator temperatury Voltcraft TC-150.
7. Zadania dla studentów – pomiary rezystancji czujników
Pt100
W Tabeli 5 zamieszczono używany w tym ćwiczeniu sprzęt pomiarowy.
Tabela 5. Sprzęt pomiarowy
Producent
Typ
TOELLNER
TOE 8952-40
ELAP
Pt100
VOLTCRAFT
TC-150
Woltomierz cyfrowy
UNI-T
UT71D
Amperomierz
UNI-T
UT71D
Dwuwyjściowy zasilacz DC
Symulator czujników
termoelektrycznych
Piec kalibracyjny
12
A. Pomiary rezystancji symulatora czujników termometrycznych Pt100
Kolejność czynności:
1. Zmontuj układ jak na Rys. 7.
2. Ustaw zasilacz TOE 8952 w tryb stablilizacji prądu (CC) na
wyjściu I, np. 5 mA (zapali się dioda CC w kolorze czerwonym).
3. Ustaw symulator czujnika SCT (TSCT) na 20 °C, odczytaj prąd
amperomierza A1 i napięcie woltomierza V1. Wyniki dla TSCT od 20
do 200 °C wpisz do Tabeli 6.
4. Oblicz rezystancje symulatora RSCT, a rezystancje nominalne RPN
przepisz z tabeli wg normy PN-EN 60751+A2.
5. Oblicz różnice RSCT – RPN.
B. Pomiary rezystancji czujnika Pt100
Kolejność czynności:
1. Ustaw zasilacz TOE 8952 w tryb stablilizacji prądu (CC) na
wyjściu II, np. 5 mA (zapali się dioda CC w kolorze czerwonym).
2. Ustaw temperaturę pieca kalibracyjnego Voltcraft (TPieca) na 20 °C,
odczytaj prąd amperomierza A2 i napięcie woltomierza V2. Wyniki
dla TPieca od 20 do 200 °C wpisz do Tabeli 7.
3. Oblicz rezystancje czujnika RPt100, a rezystancje nominalne RPN
przepisz z tabeli wg normy PN-EN 60751+A2.
4. Oblicz różnice RPt100 – RPN.
13
Rys. 7. Schemat stanowiska laboratoryjnego (A1,A2 – amperomierze, V1,V2 -woltomierze
cyfrowe, SCT – symulator czujnika Pt100 (ELAP), Pt100 – czujnik termorezystancyjny
czteroprzewodowy).
Tabela 6. Pomiary rezystancji symulatora czujników termometrycznych Pt100.
TSCT
°C
U1
V
I1
mA
RSCT
Ω
20
30
40
50
60
70
80
100
150
200
14
RPN
Ω
R S C T -R P N
Ω
Tabela 7. Pomiary rezystancji czujnika Pt100.
TPieca
U2
I2
RPt100
RPN
R P t 1 0 0 -R P N
(klasa B)
°C
V
mA
Ω
20
30
40
50
60
70
80
100
150
200
Ω
ΔR P N
(klasa B)
Ω
Ω
±0,16
±0,18
±0,20
±0,22
±0,23
±0,25
±0,27
±0,30
±0,39
±0,48
W sprawozdaniu należy skomentować otrzymane wyniki pomiarów.
 Określić największą różnicę rezystancji symulatora i czujnika dla
zakresu temperatury od 20 do 200°C. Wyjaśnić przyczyny różnic
wartości RSCT i RPN.
 Sprawdzić czy zmierzone wartości rezystancji czujnika Pt100
mieszczą się w granicach odchyłek (błędów) podanych w Polskich
Normach (ΔR P N ). Wyjaśnić przyczyny różnic wartości RPt100 i RPN.
Literatura
1. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, WNT
Warszawa 2014.
2. Rząsa M. R., Kiczma B.: Elektryczne i elektroniczne czujniki
temperatury, Wydaw. Komunikacji i Łączności, Warszawa 2005.
3. Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Warszawa 1986.
4. Czujniki platynowe przemysłowych termometrów rezystancyjnych
Polskie Normy PN-EN 60751+A2.
5. Instrukcja obsługi zasilacza TOELLNER TOE 8952.
6. Instrukcja obsługi pieca kalibracyjnego Voltcraft TC-150.
15
Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z
instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz przestrzeganie zasad w nich
zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać
instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami
stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego.
W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad.
 Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie
kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.
 Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.
 Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po wyrażeniu
zgody przez prowadzącego.
 Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację,
bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się
pod napięciem.
 Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów
składowych stanowiska pod napięciem.
 Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się
odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.
 W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć
wszystkie urządzenia.
 Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w
funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia.
 Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń
nie należących do danego ćwiczenia.
 W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie
wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika
bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed
odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.
16