Kapitola 13. Kalibrace termočlánku Úvod

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Kapitola 13. Kalibrace termočlánku. 13.1 Úvod"

Dominika Beránková
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 77 Kapitola 13 Kalibrace termočlánku 13.1 Úvod Termoelektrické teploměry (termočlánky, tepelné články) měří teplotu na základě termoelektrického jevu: Ve vodivém okruhu tvořeném dvěma vodivě spojenými dráty z různých kovů vznikne elektrické napětí, jakmile se teplota T jednoho ze spájených míst liší od teploty T 0 druhého spoje. V místě styku má jeden kov proti druhému jistý potenciální rozdíl, který závisí na teplotě styčného místa. Mají-li tedy oba spoje stejnou teplotu, ruší se oba potenciální rozdíly, nebot pořadí kovů vedru- hém spoji je obráceno. Jsou-li však teploty T 0, T obou spojů S 0, S různé, jsou různé i potenciály a v obvodu se objeví termolektrické napětí E rovné rozdílu potenciálů. Termoelektrické napětí E závisí na teplotním rozdílu T T 0 obou míst spojů tak, že pro danou dvojici kovů je funkcí rozdílu teplot. Pro malé rozdíly teplot je možné považovat závislost za lineární, pro větší rozdíly je nutné závislost E(T T 0 ) aproximovat polynomy vyššího stupně. E(T )=a (T T 0 )+b (T T 0 ) 2 + c (T T 0 ) 3 + d (T T 0 ) (13.1) Tuto okolnost je třeba vzít v úvahu při měření větších teplotních rozdílů. Velkou předností termočlánků je to, že jejich měřící spoj může mít velmi malé rozměry a že umožňuje měřit teplotu na dálku i v prostorech těžko přístupných nebo vzduchotěsně uzavřených, a to přesně v požadovaném místě. Měří se jimi ovšem v podstatě rozdíly teplot, což může být pro některé úkoly značnou výhodou. Podmínkou přesnosti a spolehlivosti jsou ovšem přesné měřicí přístroje a především stejnorodost užitých kovů (drátů). Jsou-li totiž kovy nehomogenní, vznikají při nestejné teplotě drátů neznámá podružná termonapětí, zkreslující výsledek měření. Proto se pro přesná základní měření používá takových kovů, které lze vyrobit velmi čisté, tzn. ryzí kovy nebo homogenní slitiny. Při větší přesnosti je mimo to nutno upravit termočlánek tak, aby neměnil teplotu měřeného místa vedením tepla. Proto se volí dráty termočlánku tenké a mají se odvádět kolmo ke směru teplotního spádu ve spirále nebo šroubovici.

elektrické napětí, jakmile se teplota T jednoho ze spájených míst liší od teploty T 0 druhého spoje.

2 78 Bartoň, Křivánek, Severa 13.2 Experimentální uspořádání Termočlánek upravujeme k měření vysokých nebo velmi nízkých teplot tak, že jeden spoj (spájené místo) S vložíme do měřeného prostoru a druhý spoj S 0 umístíme tak, aby měl teplotu okolí, (dále od S). Při měření menších rozdílů, a při přesných měřeních vůbec, vkládáme i druhý spoj S 0 do lázně (nebo do termostatu), jejíž teplotu můžeme přesně změřit, nebo do prostředí stálé teploty, zejména do nějaké tající látky (nejčastěji do směsi tajícího ledu s vodou), jak je znázorněno na obr Termoelektrické napětí měříme citlivým milivoltmetrem s vysokým vstupním od- Obrázek 13.1: Zapojení termočlánku porem, aby proud protékající milivoltmetrem byl co nejmenší a úbytky napětí na odporech v obvodu nesnižovaly přesnost měření. Toto zapojení ovšem předpokládá, že v okruhu nemohou vzniknout podružná termonapětí bud proto, že celý obvod, včetně milivoltmetru, je uzavřen vedením z téhož kovu (např. vstupní svorky měřicího přístroje) nebo proto, že obě místa, v nichž se další vodič, nejčastěji měděný, napojuje na vlastní termočlánek, mají stejnou teplotu. Termočlánek měd konstantan je velmi vhodný pro měření nízkých a středních teplot (od -250 C do 400 C). Rozdílu teplot C odpovídá termonapětí 4.1 mv. Vzhledem k tomu, že se používá měděných přívodních drátů, lze článek zapojit jednoduchým způsobem, bez nebezpečí vzniku parazitních napětí, viz obr Lze jím měřit rozdíly teplot s přesností asi %, pro rozdíly několika stupňů je možno předpokládat přímkovou závislost, při větších rozdílech kvadratickou a při nejpřesnějším měření i závislosti vyšších stupňů s více koeficienty Měření a záznam dat Referenční teplotu T 0 budeme realizovat směsí vody a ledu. Tím je možné do rovnice (13.1) dosadit za T 0 =0.Měřící spoj umístíme do kádinky s vhodnou kapalinou

3 Kalibrace termočlánku 79 (voda, olej), kterou ohříváme do teploty 90 C. Měření a záznam dat je prováděno automaticky pomocí připojeného PC. Obslužný program spustíme kliknutím na ikonu s popisem ISES na obrazovce monitoru. Dále zvolíme volbu z menu Experiment možnost Nový experiment. Plocha monitoru bude mít vzhled obrázku Obrázek 13.2: Parametry experimentu Dobu měření, v sekundách, zvolíme dostatečně dlouhou, (např s), měření lze kdykoli ukončit manuálně. Vzorkování, tedy frekvenci záznamu dat zadá vyučující. Start měření zvolíme manuální. Vstupní kanály budou teploměr a voltmetr apříslušná políčka A a B tedy musí být zaškrtnuta. Dále klikneme na tlačítko Zobrazení a zadáme název experimentu. V levé části pole s názvem Panely označíme kliknutím panel č.2 a klikneme na tlačítko vyjmout. Zbývá panel č.1. Pro ten na pravé straně plochy v části Definice zobrazení provedeme vyjmutí A1 a B1 a pokračujeme kliknutím na tlačítko Přidat. Tím postoupíme do dalšího okna, jak je zobrazeno na obrázku Zde zvolíme libovolný Název zobrazení a označíme Zobrazení typu X Y. Nazveme osu X popisem a1 a osu Y popisem b1. Dále zvolíme Barvu křivky. Doporučujeme volbu vhodné kontrastní barvy pro tmavé pozadí. Vyplníme políčka inter-

Obrázek 13.2: Parametry experimentu Dobu měření, v sekundách, zvolíme dostatečně dlouhou, (např. 2700 s), měření lze kdykoli ukončit manuálně. Vzorkování, tedy frekvenci záznamu dat zadá vyučující.

4 80 Bartoň, Křivánek, Severa Obrázek 13.3: Definice zobrazení valu zobrazení. Na osu X bude vynášena teplota ve C, proto zvolíme Min. X = 0 a Max. X = 100. Osa Y představuje termonapětí v mv a vhodným rozsahem je v tomto případě Min. Y = 0 a Max. Y = 5. Po vyplnění příslušných políček pokračujeme kliknutím na tlačítko OK a pak tlačítko START,čímž zahájíme vlastní měření. Současně spustíme ohřev. Připojené PC průběžně zaznamenává jednotlivé veličiny, tedy teplotu a termonapětí, se zadanou frekvencí. Měření ponecháme aktivní do teploty přibližně 90 C. Poté vypneme ohřev. Další měření provedeme při ochlazování lázně na pokojovou teplotu. Pro urychlení ochlazování použijeme ventilátor. Měření zahájíme stejně jako v předešlém případě, tedy kliknutím na Nový experiment. Ihned po spuštění záznamu dat zapneme ventilátor. Po dokončení experimentu naměřené hodnoty uložíme na pevný disk počítače a vlastní pamět ové zálohové medium (disketu). Ukládání dat realizujeme takto. V menu zvolíme Nástroje a dále Export dat. Vybereme si vhodný datový formát. K dispozici jsou: Access, dbase, Excel, FoxPro a Text. Zadáme jméno souboru včetně přípony. Doporučujeme nazvat soubor tvarem obsahujícím datum měření a jméno,

Po vyplnění příslušných políček pokračujeme kliknutím na tlačítko OK a pak tlačítko START,čímž zahájíme vlastní měření. Současně spustíme ohřev.

5 Kalibrace termočlánku 81 např.: 1503novak.xls Manuální zpracování dat Do tabulky 13.1 zapisujeme naměřené hodnoty termonapětí E + i, zaznamenané při ohřevu a E i, zaznamenané při ochlazování, které byly dosaženy při teplotách T i z intervalu 30 C 80 C s krokem 5 C Vypočteme průměrné hodnoty termonapětí Ē i =(E + i + E i )/2. N T [ C] E + [mv ] E [mv ] E [mv ] 1 30 E 1 + E1 E E 2 + E2 E E 10 + E10 E E 11 + E11 E 11 Tabulka 13.1: Tabulka naměřených hodnot Vzhledem k tomu, že se pohybujeme v rozdílu teplot do 80 C, stačí se omezit na lineární průběh termonapětí v závislosti na teplotě. Rovnice (13.1) se tak výrazně zjednoduší na: E(T )=at Metodou nejmenších čtverců vypočteme koeficient a. Přitom postupujeme způsobem popsaným v části Počítačové zpracování dat Data získaná v průběhu ohřevu a ochlazování proložíme lineární funkcí, přímkou, ve tvaru E(T )=at + E 0. (13.2) Koeficienty vypočteme ze všech zaznamenaných hodnot z rozmezí teplot 30 C až 80 C metodou nejmenších čtverců, pomocí vhodného programu. Získáme tak dvě hodnoty koeficientů a +, a a E 0 + a E0, jeden pro ohřev a druhý pro ochlazování. Průměrné hodnoty koeficientů a a E 0 pak vypočteme a = a+ + a, E 0 = E+ 0 + E0 2 2 Za krajní chybu koeficentů a a E 0 budeme považovat κ a = a + a, κ E0 = E + 0 E 0. Vypočtené závislosti i naměřené hodnoty znázorníme graficky..

hodnoty termonapětí Ē i =(E + i + E i )/2. N T [ C] E + [mv ] E [mv ] E [mv ] 1 30 E 1 + E1 E 1 2 35 E 2 + E2 E 2..... 10 75 E 10 + E10 E 10 11 80 E 11 + E11 E 11 Tabulka 13.

6 82 Bartoň, Křivánek, Severa 13.6 Diskuse a závěr V závěru provedeme diskusi rozdílu naměřeného koeficientu od tabelovaných hodnot. Naměřený průběh termonapětí v závislosti na teplotě vyneseme do grafu. Do stejného grafu vyneseme i vypočtenou závislost E(T ) Kontrolní otázky 1. Uved te příklady využití termonapětí v technické praxi. 2. Uved te příklady kdy se termonapětí projevuje negativně. 3. Jaké jsou podmínky pro vznik termonapětí? 4. Jak eliminovat termonapětí? 5. Jakým způsobem lze termonapětí zvýšit? 6. Kdy je možné, aby obvodem, který je napájen termočlánkem, protékal velký proud? 7. Jak měřit termonapětí, když nemáme k dispozici milivoltmetr s velmi vysokým vstupním odporem? 8. Jak si vyrobíte termočlánek? 9. Jaké jsou výhody měření teploty termočlánkem? 10. Jaké jsou nevýhody měření teploty termočlánkem? 11. Co znamená kalibrace termočlánku? 12. Jak se liší kalibrovaný termočlánek od nekalibrovaného? 13. Jaký je význam koeficientu E 0 v rovnici (13.2)?

Uved te příklady využití termonapětí v technické praxi. 2. Uved te příklady kdy se termonapětí projevuje negativně. 3. Jaké jsou podmínky pro vznik termonapětí? 4. Jak eliminovat termonapětí? 5.

Podobné dokumenty

Měření tíhového zrychlení reverzním kyvadlem

43 Kapitola 7 Měření tíhového zrychlení reverzním kyvadlem 7.1 Úvod Tíhové zrychlení je zrychlení volného pádu ve vakuu. Závisí na zeměpisné šířce a nadmořské výšce. Jako normální tíhové zrychlení g n