MEN 09 - PB Wydział Elektryczny

Białostocka
Politechnika
Wydział Elektryczny
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu
MIERNICTWO WIELKOŚCI
ELEKTRYCZNYCH
I NIEELEKTRYCZNYCH
Kod przedmiotu:
ENS1A511254
Ćwiczenie pt.
Pomiar temperatury metodą bezdotykową
Numer ćwiczenia
MEN 09
Opracowali:
dr inż. Jarosław Makal
dr inż. Wojciech Walendziuk
dr inż. Adam Idźkowski
Białystok 2013
Wszystkie prawa zastrzeżone.
Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej
instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami
zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli.
2
Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z zagadnieniem bezdotykowego
pomiaru temperatury dokonanego przy użyciu termorezystora
i pirometru. Nabycie umiejętności w zakresie przeprowadzenia oraz
prawidłowego interpretowania wyników pomiarów. Analiza przyczyn
rozbieżności otrzymanych rezultatów.
1. Wstęp
Wg definicji J.C.Maxwella : temperatura ciała jest jego cieplnym
stanem, będącym miarą zdolności przekazywania ciepła innym
ciałom. Wyższą wartość liczbową temperatury mają ciała, które
intensywniej przekazują ciepło innym ciałom. [5].
Temperatury nie należy mylić z ciepłem. Ciepło jest ilością energii
(cieplnej), która istnieje w określonym obszarze fizycznym. Czym
innym jest pomiar temperatury i czym innym pomiar ciepła (ilości
ciepła, strumienia cieplnego). Z podanej definicji wynika, że podstawą
pomiaru temperatury jest zjawisko przepływu ciepła. Obejmuje ono
przewodzenie, promieniowanie i konwekcję. Wspomniane czujniki
wykorzystują pierwsze dwa sposoby wymiany ciepła.
Wymiana ciepła odbywa się przez styk, czyli bezpośrednie
zetknięcie cząstek materii, bądź przez promieniowanie.
2.
Przewodzenie ciepła
Tym sposobem wymiany ciepła rządzi prawo Fouriera, które
ujmuje ilościowo następujący fakt: ilość ciepła wymienianego przez
pewną powierzchnię jest proporcjonalna do pola tej powierzchni i do
czasu; ciepło zaś jest wymieniane w kierunku spadku temperatury i to
3
tym szybciej im większy jest spadek. Zapisuje się to w postaci
równania:
q    T
(1)
gdzie q- strumień cieplny [W/m2], - współczynnik przewodzenia
ciepła [W/m2·K], T- gradient temperatury [K].
Czujnik stykowy (np. termorezystor cienkowarstwowy, jak na rys.1)
„mierzy”
więc
temperaturę
związaną
ze
strumieniem
q
przechodzącym przez jego powierzchnię czynną.
Przy założeniu ustalonego przewodzenia ciepła, bez wewnętrznych
źródeł, w przypadku ściany płaskiej słuszne jest równanie
d  dT 
 
0 ,
dx  dx 
(2)
którego rozwiązanie jest w postaci
q

d
 T1  T2 ,
(3)
gdzie T1 – jest temperaturą, którą powinien mierzyć czujnik.
W rzeczywistości przyłożenie czujnika spowoduje zmianę rozkładu
pola temperatury w otoczeniu tego miejsca. Jest to źródło tzw.
pierwszego składowego błędu metody stykowej.
Błąd ten (różnica temperatury miejsca przed i po przyłożeniu
czujnika) jest tym mniejszy, im ścianka jest grubsza a czujnik
mniejszy. W praktyce eliminuje się go stosując czujnik w kształcie
cienkiej płytki z materiału o dobrej przewodności cieplnej i o takiej
samej emisyjności jak badane ciało. Powyższe rozważania zakładają
też, że temperatury stykających się powierzchni są identyczne i równe
4
T1. Jednak występuje tam zawsze pewien spadek temperatury
spowodowany
oporem
kontaktowym
wynikającym
z
faktu
niemożliwości zapewnienia idealnego styku dwóch warstw. Jest to
źródło tzw. drugiego składowego błędu metody. Opór ten można
zmniejszyć np. poprzez zwiększenie nacisku powierzchniowego,
staranne przygotowanie stykających się powierzchni lub np. pokrycie
powierzchni pastą silikonową.
ścianka
d
T1
q
T2
x
Rys.1. Przewodzenie ciepła w czujniku cienkowarstwowym o grubości d przylegającym
do ścianki o temperaturze powierzchni T1.
Temperatura Tx rzeczywiście mierzona przez czujnik zawiera się
w przedziale [T1,T2] (T1>T2, gdyż otoczenie ma niższą temperaturę od
ścianki). Jest to tzw. trzeci składowy błąd metody.
2.1
Czujnik termometryczny
Czujnik ten zwany też termorezystorem (RTD - Resistive
Temperature Detector) w wykonaniu przemysłowym zapewnia
dokładność do ±0,1oC, natomiast tzw. wzorzec termometryczny
wykonany z platyny 99,999% zapewnia dokładność do ±0,0001oC.
5
Rezystor termometryczny platynowy zmienia swoją rezystancję
w funkcji temperatury mierzonej Tx w zakresie od 0 do 850oC wg
zależności
RPtx (Tx )  R0 (1    Tx    Tx2 )
(4)
przy czym
R0 – rezystancja termorezystora w temperaturze 0oC,
,  - współczynniki charakterystyki termometrycznej wyznaczane w
procesie kalibracji (wartości  i  są równe odpowiednio 0,00385
deg-1 oraz –0,58·10-6 deg-2 ).
Ponieważ każdy rezystor jest wykonany z pewną tolerancją, więc
określa się tzw. klasy dokładności A i B, w których wg normy
IEC 751 tolerancja dokładnościowa wyraża się zależnością (Pt100
produkowane w Krakowskiej Fabryce Aparatury Pomiarowej S.A.
[1])
T   (0,15  0,002  T ) T   (0,3  0,005  T )
klasa A,
(5)
- klasa B,
(6)
gdzie  T  - wartość bezwzględna temperatury w oC.
Korzystając z tych zależności można przedstawić (rys. 2) wartości
błędu względnego rezystancji termorezystora Pt100 (klasa B)
w funkcji mierzonej temperatury jako
RPt 100
RPt 100

0,116  0,001925  Tx
100  (1  0,00385  Tx )
6
(7)
0,40
%
0,30
0,20
0,10
temperatura mierzona [ C]
0,00
0
100
200
300
400
500
600
Rys. 2. Przebieg wartości błędu względnego rezystancji termorezystora Pt100 w funkcji
mierzonej temperatury.
Pominięto tutaj współczynnik  charakterystyki termometrycznej
gdyż nie wpływa on praktycznie na wartość błędu względnego
(różnice są rzędu 10-7). Innym zjawiskiem powodującym dodatkowe
błędy pomiaru jest samopodgrzewanie się rezystora pod wpływem
płynącego przez niego prądu pomiarowego. Zwykle zakłada się
dopuszczalną wartość takiego błędu (np. Tmax<0,1oC) i wtedy można
obliczyć dopuszczalną wartość prądu pomiarowego z zależności
I p max 
Tmax  A
RPt 100
(8)
gdzie
A – stała odprowadzania ciepła w W/m2, która podaje moc wydzieloną
w rezystorze, przy której w stanie ustalonym przyrost temperatury
rezystora wynosi 1oC (np. dla cienkowarstwowego rezystora
Pt100, w spokojnym powietrzu A=1,9·10-3 W/m2);
RPt100 – rezystancja termorezystora w temperaturze Tx .
7
3. Promieniowanie cieplne
Drugi
sposób
wymiany
ciepła
to
wspomniane
już
promieniowanie. Każde ciało o temperaturze większej od 0 K wysyła
energię radiacyjną (ciepło), przy czym zdolność emisji zależy od jego
właściwości fizycznych (głównie powierzchni) i od temperatury
(prawo Prevosta, 1791 r.). Promieniowanie cieplne (radiacja) zachodzi
w całej objętości ciała, jednak jest ono mało przenikliwe i w ciałach
stałych oraz cieczach tylko promieniowanie pochodzące z warstwy
przypowierzchniowej o grubości kilku mikrometrów ma szanse
wydostania się na zewnątrz. Dlatego promieniowanie cieplne ciał
stałych i cieczy jest traktowane jako zjawisko powierzchniowe
(z małymi wyjątkami). W odróżnieniu od przewodzenia (i konwekcji),
które wymagają zetknięcia się ciał, promieniowanie może zachodzić
w próżni.
Jedną
z
przekazywanie
podstawowych
ciepła
qr
zależności,
między
opisującą
powierzchnią
ilościowo
promieniującą
(źródłem) a dowolnym punktem na zewnątrz, jest prawo StefanaBoltzmanna, które ma postać
M
qr
  0 T 4
F
(9)
gdzie:
M - natężenie promieniowania wysyłanego przez ciało promieniujące
[W/m2],
F - powierzchnia promieniująca [m2],
8
T - temperatura powierzchni [K] (tutaj T oznacza temperaturę
bezwzględną w odróżnieniu od najczęściej podawanej temperatury
w oC),
 - współczynnik emisyjności powierzchni, inaczej: emisyjność,
0 - stała promieniowania ciała czarnego (stała Stefana –Boltzmanna).
Idealnym źródłem promieniowania jest ciało doskonale czarne.
Jego emisyjność jest równa 1. Ciała, których emisyjność nie zależy od
długości emitowanych fal promieniowania, nazywamy szarymi. Dla
większości
powierzchni
metalowych
emisyjność
jest
funkcją
temperatury oraz zależy od rodzaju i stanu powierzchni. Obszerne
wiadomości i literatura dotycząca tego tematu są zamieszczone
w pracach [2] i [3].
3.1
Czujnik pirometryczny radiacyjny
Pirometry te (InfraRed temperature sensor lub IR thermometer)
tradycyjnie stosuje się do pomiarów temperatur większych od około
1000oC. Jednak postęp technologiczny w dziedzinie detektorów
promieniowania pozwala na użycie pirometrów już w niższych
temperaturach.
Uproszczoną
budowę
czujnika
radiacyjnego
przedstawia rys. 3.
Sygnał wyjściowy pirometru będący siłą termoelektryczną E
termoelementu jest zależny od różnicy temperatury detektora Tp
(„gorący”
koniec
termoelementu)
9
i temperatury
obudowy
Tob
(„zimny” koniec termoelementu), która jest tutaj temperaturą
otoczenia.
E  K e  (T p  Tob )
(10)
gdzie Ke jest współczynnikiem zależnym od rodzaju złączonych
elementów (np. PtRh10-Pt lub NiCr-NiAl).
L
Tob
Tp
termoelement
D
układ
optyczny
Rys. 3. Uproszczony schemat poglądowy czujnika radiacyjnego.
Z punktu widzenia użytkownika bardzo istotnymi parametrami przy
pomiarze pirometrycznym oprócz dokładności i rozdzielczości
czujnika są: tzw. współczynnik odległościowy L/D i emisyjność 
badanej powierzchni. Przy poprawnym pomiarze powierzchnia
mierzona obiektu powinna być większa od pola widzenia czujnika.
W przeciwnym razie oprócz mierzonego obiektu pirometr będzie
widział tzw. tło i elementy otoczenia. Na rys. 4 przedstawiono
zależność średnicy pola widzenia od odległości obiektu dla czujnika
miniaturowego MI 40 (Raytek [5]) o współczynniku odległościowym
L/D = 4:1.
10
średnica
[mm]
czujnik
62.5
125
odległość [mm]
0
250
500
Rys.4. Określenie średnicy pola widzenia od odległości obiektu dla czujnika miniaturowego
MI 40 (firmy Raytek) o współczynniku odległościowym 4:1.
Emisyjność 
(zwana zastępczą emisyjnością ciała rzeczywistego
o temperaturze T) zależy od temperatury ciała promieniującego oraz
od stanu powierzchni. Zwykle ustalenie wartości  jest podstawowym
problemem przy pomiarze pirometrycznym, gdyż pomimo wielu
tablic zamieszczonych w literaturze zawierających orientacyjne
wartości , dokładna wartość tego współczynnika nigdy nie jest znana.
4. Przygotowanie do pomiaru
Obiektem pomiaru jest obszar leżący w środku pionowej ściany
prostopadłościanu, którego boki wykonano z blachy aluminiowej
o grubości 2 mm (rys. 6). Wewnątrz, przy podstawie, umieszczona
jest grzałka elektryczna w kształcie długiego pręta. UWAGA: nie
przekraczać prądu grzałki 4 A!
11
1000
1
3
700
5
2
4
T
Rys. 6. Obiekt pomiaru (1) z zaznaczonym źródłem ciepła (2) i miejscem umieszczenia
czujników (wymiary w mm, czujnik Pt100 (3), multimetr cyfrowy z funkcją
pomiaru temperatury (4) i płytki wykonane z różnych materiałów o różnym
współczynniku emisyjności (5).
Tabela 1.
Pirometr
THERMO-HUNTER
PT-3S
Czujnik
Przetwornik
Miliamperomierz
Parametry metrologiczne elementów toru pomiarowego
Zakres temperatur: 0÷200 oC; czas odpowiedzi: 1,5s/90%; dokładność: ±3oC
odczytu (ε=0,95); rozdzielczość wyswietlacza: 0,1 oC; pole widzenia: ф2,5/25mm;
czujnik/długość fali: stos termoelementów/8~14μm; wsp. emisyjności:
DARK(0,95)/BRIGHT (0,70); DARK: guma, plastik, papier, ziemia, powierzchnie
malowane, itp.; BRIGHT: powierzchnie metalowe oksydowane (utlenione)
Typ: Pt100; producent: KFAP, klasa dokładności B, wg normy IEC 751, zakres: 0650 oC
Typ: APTR-2; producent: KFAP; zakres: 0÷200 oC; klasa dokładności: k=0,25; we:
Pt100; wyjście: 4÷20 mA; zasilanie: 12-36 V
Typ: DL 0,2; zakres: 15/30 mA; ilość działek: 150; klasa dokładności: k=0,2
Pirometr wyposażony jest w wyświetlacz, na którym ukazuje się
wynik aktualnego pomiaru. Czujnik termorezystancyjny połączony
jest natomiast z przetwornikiem APTR, który zasilany jest napięciem
ok. 18 V z pętli prądowej 4-20 mA, w której znajduje się
miliamperomierz.
Schemat
blokowy
przedstawiono na rys. 7.
12
układu
pomiarowego
Pirometr
mA
APTR
+
Czujnik
Pt100
Zasilacz
0÷24 V
Rys. 7. Schemat blokowy układu pomiarowego.
5. Przebieg pomiarów i opracowanie wyników
a)
Pomiary należy wykonywać jednocześnie, używając pirometru,
ustawionego prostopadle do badanej powierzchni, czujnika Pt100 oraz
multimetru cyfrowego wyposażonego w termoelement.
b)
Regulując autotransformatorem, ustawić zadaną przez prowadzącego
zajęcia wartość prądu płynącego w obwodzie grzewczym. Wartość ta nie
powinna przekraczać 4 A.
c)
Należy dokonać pomiarów temperatury w stanie nieustalonym, płytek
umieszczonych na grzejniku. Dodatkowo zmierzyć temperaturę w środku
geometrycznym ściany, pokrytym samoprzylepną czarną folią. Polem
widzenia pirometru jest wtedy koło o pewnej średnicy. W środku tego koła
znajduje się czujnik platynowy Pt100 cienkowarstwowy, o wymiarach
10x2 mm i grubości 1,5 mm.
d)
Należy zmierzyć wartość temperatury w stanie ustalonym po około 50
minutach od włączenia grzałki analogicznie jak w punkcie b)
e)
Wyjaśnić przyczyny rozbieżności otrzymanych wyników pomiarów
wykonanych na płytkach wykonanych z różnych materiałów.
Skomentować je we wnioskach.
13
f)
Wykreślić na jednym wykresie charakterystykę nagrzewania pieca
wykonaną za pomocą termoelementu, czujnikiem Pt100 oraz pirometrem,
w punkcie centralnym grzejnika.
g)
Wykreślić przykładowe zestawienie wyników pomiarów, wykonanych za
pomocą pirometru, wszystkich punktów pomiarowych dla dwóch skrajnych
chwil czasowych oraz skomentować to we wnioskach.
Pt100
Multimetr
Płytka 1
Płytka 2
Lp.
[mA]
[oC]
[oC]
[oC]
Taśma
Płytka
Płytka
Płytka
Płytka
(czarna)
3a
3b
4a
4b
[oC]
[oC]
[oC]
[oC]
[oC]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
14
6.
Literatura
[1] Czujniki i przetworniki temperatury, Katalog KFAP S.A, 1998.
[2] Kostowski E.: Promieniowanie cieplne. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1993,
ISBN 83-01-10847-9.
[3] Madejski J.: Teoria wymiany ciepła, Politechnika Szczecińska, Szczecin
1998, ISBN 83-87423-47-5.
[4] Michalski L., Eckersdorf K., Kucharski J.: Termometria. Przyrządy
i metody, Politechnika Łódzka, Łódź 1998, ISBN 83-87198-53-6.
[5] SPECTRUM. Recourse for Understanding IR Technology, Raytek
Corporation, 1998.
[6] Rząsa M.: Elektryczne i elektroniczne czujniki temperatury, WKŁ 2005,
ISBN 83-206-1556-9.
[7] Więcek B., De Mey G.: Termowizja w podczerwieni: podstawy
i zastosowania, Wydawnictwo PAK 2011, ISBN 978-83-926319-7-2.
7. Pytania i problemy
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Opisać wielkość mierzoną czujnikiem termorezystancyjnym.
Wymienić znane błędy składowe metody stykowej oraz podaj sposoby ich
zmniejszenia.
Opisać budowę czujnika Pt100 w wykonaniu cienkowarstwowym
i pastylkowym.
Naszkicować przebieg zmian rezystancji czujnika Pt100 w funkcji
mierzonej temperatury.
Omówić prawo Stefana-Boltzmana.
Opisać budowę i zasadę działania czujnika radiacyjnego.
Podać sposoby wyznaczania wartości emisyjności badanego obiektu
(powierzchni).
Wymienić czynniki i zjawiska wpływające na poprawność pomiaru
pirometrycznego.
15
8. Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie
się z instrukcją BHP i instrukcją przeciwpożarową 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