Przyrządy do pomiaru temperatury.doc

1.      Cel ćwiczenia.

Zapoznanie się z trzema przyrządami - czujnikami do pomiaru temperatury. Dokonanie pomiarów badawczych w celu sprawdzenia bezwładności ustalania się temp. względem pozostałych czujników.

2.      Temperatura.

Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Czujniki wytwarzające zmianę napięcia stałego, o wartości proporcjonalnej do zmian temperatury, to termopary i złącza półprzewodnikowe.

3.      Indukcyjny czujnik temperatury LM 35.

LM 35 jest precyzyjnym czujnikiem temperatury, którego napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do temperatury w skali Celsjusza (0 °C = 0 mV oraz 10,0 mV/°C). Pojedyncze, stałe napięcie zasilania 4-30 V. Użycie diody jako czujnika temperatury związane jest z zasileniem jej obwodu prądem stałym. Przy wykorzystaniu diody krzemowej, napięcie przewodzenia wynosi około 0,7 V. Zmiana tego napięcia jest obserwowana wraz ze zmianą temperatury – spadek wraz ze wzrostem temperatury, wzrost wraz z jej spadkiem. Średnio jest to około 2-3 mV/°C.

Rys.1. Indukcyjny czujnik temperatury LM 35.

Przykład:

10   mV - 1 °C

235 mV - 23,5 °C

Napięcie na wyjściu czujnika LM35 jest liniowo proporcjonalne do temperatury.

Rys.2. Schemat blokowy podłączenia czujnika temperatury LM 35.

4.      Rezystancyjny czujnik temperatury Pt 100

Czujnik Pt100 wykonany w postaci nierdzewnej stalowej sondy o średnicy 3 mm
z przewodem. Dokładność ±0,1°C dla temperatur od 0°C do +100°C. Jest zasilany prądem o stałej wartości 0,8 mA. Spadek napięcia na zmieniającej się wraz z temperaturą rezystancji czujnika jest przetwarzany na prąd wyjściowy za pomocą przetwornika prądowo-napięciowego.

Rys.3. Schemat blokowy podłączenia czujnika temperatury Pt 100.

Iwyj = 4÷20 mA

Temp. 0÷ 100 °C

Uzasil. = 9÷40 V DC

Tab.1.Zestawienie wyliczeń natężenia prądu jakie odpowiada temperaturze

Przykład:

                 8    mA    -    25 °C

                 7,8 mA    -        x                           wartość odczytana z miernika cyfrowego (7,8 mA)

                              8x = 195

                               x =  24,37 °C

5.      Termopary

Czujniki wytwarzające zmianę napięcie stałego, o wartości proporcjonalnej do zmian temperatury, to termopary i złącza półprzewodnikowe.

Termopary zwane też termoelementami, generują napięcie dzięki umieszczeniu końców elementu w różnych temperaturach. Składają się z dwóch różnych metali złączonych ze sobą.

Popularne są np.: Fe-CuNi (Żelazo – konstantan) oznaczany literą J, termoelement
NiCr – NiAl oznaczany literą K. Poziomy wytwarzanych sygnałów są jednak bardzo niewielkie. Sygnały wyjściowe termopar, nawet dla konstrukcji o największych wartościach zmian napięcia z temperaturą tj. Fe-Konstantan osiągają wartości kilkadziesiąt mV dla kilkuset stopni Celsjusza (np.: 30,4 mV dla 730°C). W sytuacji potrzeby silnego wzmocnienia sygnałów pomiarowych wymaga to bardzo dokładnych wzmacniaczy operacyjnych.
 

Rys.4. Multimetr cyfrowy do pomiaru m.in. temperatury, czujnik termopara.

Elektronowa budowa metali – działanie termopar.

Metal składa się z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną i swobodnych elektronów poruszających się pomiędzy jonami. Koncentracja elektronów swobodnych (to liczba elektronów w jednostce objętości) jest różna w różnych metalach i zależy od temperatury. Na styku dwóch metali przeskakują elektrony z metalu o większej koncentracji do metalu
o mniejszej koncentracji w skutek czego jeden z metali ładuje się dodatnio, a drugi ujemnie. Powstające pole elektryczne przeciwdziała przepływowi ładunku. Ustala się stan równowagi dynamicznej. Różnica potencjałów powstająca na styku metali nazywana jest kontaktową różnicą potencjałów, a jej wartość zależy od rodzaju stykających się metali oraz temperatury złącza.