2. Měření teploty termočlánky
A3B38SME
2. MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY
Úkoly měření:
1. Změřte napětí předložených termočlánků
a) přímo pomocí ručního multimetru a stolního multimetru U3401A. Při výpočtu teploty
uvažte skutečnou teplotu srovnávacího spoje termočlánku, kterou zjistíte pokojovým
teploměrem;
b) stejnými přístroji jako v bodě a), ale s připojenou kompenzační krabicí OMEGA CJ
(pouze termočlánek typu K).
2. Navrhněte vhodné zapojení s OZ, pomocí kterého zesílíte napětí termočlánku (bez zapojení
kompenzační krabice). Požadované zesílení je 100. Korigujte případnou chybu metody.
Opakujte měření z bodu 1 a). Zjistěte offset zesilovače měřením při komutovaném výstupu
termočlánku a korigujte ho.
3. Změřte teplotu pomocí USB modulu s izotermální svorkovnicí.
Nepovinná část:
Určete rozšířenou nejistotu měření napětí termočlánku (koeficient rozšíření kr = 2) jak pro přímé
měření číslicovým voltmetrem, tak pro měření napětí termočlánku po zesílení zesilovačem napětí.
Při určení celkové nejistoty typu B měření zesíleného napětí termočlánku uvažujte i nejistotu
způsobenou vstupní napěťovou nesymetrií operačního zesilovače. Nejistoty způsobené vstupními
klidovými proudy zesilovače zanedbejte.
Otázky:
1. Porovnejte výsledky naměřené v jednotlivých bodech.
2. Jaká je teplota kompenzačního spoje („studeného konce“), na kterou koriguje kompenzační
krabice? Dá se to zjistit jednoduchým měřením?
3. Lze nějak kompenzovat offset zesilovače (např. komutací termočlánku)?
Teorie
Termoelektrické seznory jsou založené na Seebeckovu jevu, tj. na jevu převodu tepelné energie na elektrickou. V
každém vodiči, jehož teplota není konstantní, vzniká termoelektrické napětí, prokteré platí dU = (T)dT. Omezíme
naše uváhy na situaci, kdy vodičem neprotéká žádný proud (a nemůže se tedy uplatnit Thomsonův ani Peltierův
jev). Napětí Ua,b mezi konci vodiče A, B je potom závislé pouze na rozdílu teploty těchto konců a nikoli průběhu
teploty po délce vodiče, přestože vzniká v celé oblasti teplotní změny (to platí, jsou-li vodiče vyrobeny
z homogenního materiálu).
U B, A 
TA
  (T)dT
TB
Toto termoelektrické napětí opravdu existuje, ale není přímo měřitelné. Spojíme-li ale dva dráty z materiálů
s rozdílnými Seebeckovými koeficienty 1 a 2, bude mezi jejich rozpojenými konci B, C napětí
TA
U B,C  U B, A  U A,C 
TC
  (T)dT   
1
TB
2
(T)dT
TA
Jestliže jsme schopni konce B a C držet na shodné známé teplotě TB (srovnávací nebo referenční teplota), můžeme
Str. 1/9
2. Měření teploty termočlánky
A3B38SME
pak tuto dvojici drátů použít k měření teploty spoje A (měřená teplota) a nazýváme ji termočlánkem.
Pro napětí termočlánku pak můžeme psát:
U B ,C  U B , A  U A,C 
TA

1
(T)dT 
TB
TC

2
(T)dT 
TA
TA
 
1
(T) -  2 (T) dT 
TB
TA

12
(T)dT
TB
V technické praxi se místo relativního Seebeckova koeficientu 12 používá pojmu termoelektrický koeficient α.
Napětí termočlánku tedy nevzniká na měřicím spoji, ale v těch místech, kde se mění teplota po délce celého
termočlánku až po srovnávací spoj. Je proto třeba dbát na kvalitu celého termočlánku, zejména na homogenitu jeho
materiálu.
Mezi senzory teploty vynikají termočlánky především velkou odolností a rozsahem měřených
teplot. V praxi se využívají různé kombinace kovů, podle použitých materiálů je dle doporučení
IEC označujeme velkými písmeny. Různé typy termočlánků se liší rozdílným rozsahem měřitelných
teplot a velikostí Seebeckova koeficientu, viz. následující tabulka.
Materiál
Typ
TČ
Citlivost Rozsah měřených teplot
E
68
-100 – +1000
Chromel-Konstantan
J
55
0 – 760
Železo-Konstantan
K
40,8
-200 – +1370
Chromel-Alumel
T
43
-160 – +400
Měď-Konstantan
µV/°C
Jedním z praktických problémů spojených s termočlánky je závislost Seebeckova koeficientu na
teplotě, jak je vidět z obrázku 1.
Str. 2/9
2. Měření teploty termočlánky
A3B38SME
Obr. 1: Závislost výstupního napětí termočlánku a Seebeckova koeficientu na teplotě[zdroj:
www.omega.com, pdf v příloze]
V praxi se tento problém řeší několika způsoby.
1) V malém rozsahu teplot se předpokládá, že Seebeckův koeficient je konstantní,
2) Seebeckův koeficient se aproximuje polynomem (viz. obrázek 2),
3) Místo výpočtu ze vztahu se ke zjištění teploty používá tabulka udávaná výrobcem
Obr. 2: Polynomy pro výpočet teplot z napětí termočlánku [zdroj: www.omega.com, pdf v příloze]
Termočlánky mimo jiné používají i jako zdroje elektrické energie např. v kosmických sondách
(Voyager 1 a naposledy Curiosity) se spojením generování tepla radioizotopem. Tyto zdroje
vynikají vysokou spolehlivostí a mají dlouhou životnost (u sondy Voyager se odhaduje 80 let, sonda
ještě po 35 letech stále pracuje).
Kromě kovů se pro výrobu termočlánku mohou použít i polovodiče, které umožňují dosažení
vyšších Seebeckových koeficientů (přes 100 mV/°C). Kovové termočlánky se nejčastěji používají
k měření teploty, zatímco polovodičové k výrobě elektrické energie.
Str. 3/9
2. Měření teploty termočlánky
A3B38SME
Návod
Konstanta termočlánků se pohybuje v řádech desítek μV/°C. V úloze je použit termočlánky typu K,
J, T a E. Pro výpočet teploty předpokládejte teplotu srovnávacího spoje („studeného konce“)
termočlánku rovnou teplotě v laboratoři, kterou změřte pokojovým teploměrem, případně pomocí
modulu AD24USB při skratovaném vstupu).
Ad 1) Kompenzační krabice slouží ke kompenzaci termoelektrických napětí srovnávacího spoje. Je
tvořena můstkem s teplotně závislým prvkem napájeným ze zdroje stabilizovaného napětí. Pokud se
teplota srovnávacího spoje liší od vztažné teploty 0 °C, dojde k rozvážení můstku a korekční napětí
se přičte k napětí termočlánku.
Vzhledem k parametrům obvodu kompenzační krabice je její vnitřní odpor přibližně 250 Ω (a
nepatrně se mění s teplotou, viz. obrázek 3), proto je nutné použít k měření přístroje s dostatečně
velkým vstupním odporem.
Obr. 3: Kompenzační krabice Omega CJ a její vnitřní zapojení
Kompenzační krabice použitá ve cvičení je napájena lithiovou baterií. Po ukončení měření je
nutné ji vypnout, aby nedocházelo ke zbytečnému vybíjení.
Ad 2) Termočlánek je zdrojem napětí s vnitřním odporem. Tento odpor je v řádu jednotek ohmů,
tudíž při měření číslicovými voltmetry je tímto způsobená chyba metody velmi malá (vstupní odpor
voltmetru 10 MΩ). Při použití zesilovače s OZ závisí jeho vstupní odpor na použitém zapojení.
Obr. 4: Přímé měření termočlánku
Str. 4/9
2. Měření teploty termočlánky
A3B38SME
Obr. 5: Invertující zesilovač
Obr.6: Neinvertující zesilovač
Ze schémat je zřejmé, že zatímco u neinvertujícího zesilovače (obr. 5) je vstupní odpor tvořen
rezistorem 100 kΩ, u invertujího zesilovače (obr. 6) je to jen 1 kΩ.
Poznámka:
Výrazně vyšší hodnotu R1 než cca 10 kΩ nelze použít, protože by pak vycházela příliš velká
hodnota odporu R2, což je nevhodné ze dvou důvodů:
1. na velkém odporu vzniká příliš vysoké šumové napětí
2. příliš se projeví vstupní proudy operačního zesilovače
Kontrola vstupní napěťové nesymetrie
Vstupní napěťovou nesymetrii invertujícího zesilovače zjistíme změřením výstupního napětí při
komutaci měřeného zdroje. Druhým možným způsobem je změřit výstup zesilovače při
zkratovaném vstupu. V obou případech je třeba změřené napětí přepočítat na vstup operačního
zesilovače, tedy vydělit ho zesílením zesilovače pro napěťovou nesymetrii. Toto zesílení je
v případě obou uvedených zapojení rovno 101 (pro odpory R1 = 1 kΩ a R2 = 100 kΩ a při uvážení
skutečnosti, že napětí napěťové nesymetrie je zesilováno neinvertujícím zesilovačem).
Ad 3) Použitý USB modul obsahuje A/D převodník a izotermální svorkovnici. Izotermální
svorkovnice je opatřena čidlem teploty (v našem případě polovodičovým odporovým senzorem
Siemens), které nám umožní přesně změřit teplotu srovnávacího spoje termočlánku a pak tuto
teplotu kompenzovat softwarově
Ad 4) Pro měření spusťte program AD24Control, který je na ploše. Modul lze použít i pro změření
teploty v laboratoři zkratováním vstupu.
Parametry použitých přístrojů
1. ruční multimetr Mastech MY-64
Str. 5/9
2. Měření teploty termočlánky
A3B38SME
úplný návod je v příloze.
2. stolní multimetr Agilent U3401A
úplný návod je v příloze.
3. Kompenzační krabice OMEGA CJ.
Přesnost kompenzace teploty srovnávacího spoje:
0,25 °C při 25 °C
0,5 °C od 15 do 35 °C
0,75 °C od 10 °C do 50 °C
Napájení: lithiová baterie 3,6 V
4. operační zesilovač OP 07
Str. 6/9
2. Měření teploty termočlánky
A3B38SME
5. USB měřicí modul AD24USB
Technické parametry
AD část - galvanicky oddělený integrační převodník s programovatelným rozlišením 22 až 26 bitů,
8 diferenčních vstupů nebo 16 SE, vst. rozsah 0-10 V/ ± 5 V, programovatelné zesílení 1 až 128 (1
až 512 pro diferenciální verzi), šum 15 nVšš pro 1 měření/s, expandery pro připojení termočlánků,
tenzometrů nebo odporových teploměrů Pt100.
DA část - rozlišení 14 bitů, rozsahy 0-5 V(10 V) nebo jako zdroj proudu 0-20 mA (100 mA),
Číslicové vstupy/výstupy - 2 dig. vstupy/4 dig. výstupy. Software - driver pro systémy
Win95/98/NT/2000/XP/Vista/Win7 a obslužná knihovna v DLL tvaru umožňující obsluhu karty z
prostředí Delphi, Visual Basic, C++,LabView atd. Pro LabView rovněž existují VI. Součástí
dodávky je rovněž obslužný program AD24control umožňující odměr dat, jejich zobrazení, a
uložení na disk.
Teplotní kompenzace a linearizace se provádí programově v programu AD24control, který dovoluje i
zadání vlastního linearizačního polynomu.
Manuál je v příloze nebo ke stažení přímo z http://www.janascard.cz/
Str. 7/9
2. Měření teploty termočlánky
A3B38SME
Návod k obsluze programu AD24Control
V menu Configuration zvolte položku Mode, vyberte možnost Continual a položku Time axis length
nastavte na přibližně 60 s. Ve stejném jmenu zvolte položku Input a vyberte příslušný vstup pro
měřený termočlánek. Termočlánky jsou připojeny ke vstupům 0, 2, 4 a 5, číslováno po směru
hodinových ručiček. Vždy měřte pouze s jedním připojeným termočlánkem!
Dále v menu Mathematics zvolte možnost Thermocouple, čímž zapnete výpočet teploty, Program
bude jinak jen měřit napětí.
Str. 8/9
2. Měření teploty termočlánky
A3B38SME
V menu Input vyberte položku Input X, na kterou je připojen měřený termočlánek. V části Range
nastavte nejvyšší citlivost, tedy 78 mV. V části Display můžete vybrat typ zobrazení ve formě
textového okna, nebo grafu. Stiskněte tlačítko Thermocouple a vyberte typ termočlánku.
Samotné měření spustíte kliknutím na Start ve stavovém řádku hlavního okna, nebo stisknutím F2.
Měření ukončíte stisknutím F3.
Str. 9/9
Download

Termočlánek, měření jeho napětí, kompenzace teploty srovnávacího