DYNAMICKÉ CHARAKTERISTIKY ELEKTRICKÝCH TEPLOMĚRŮ DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ELEKTRICAL THERMOMETERS

Transkript

1 DYNAMICKÉ CHARAKTERISTIKY ELEKTRICKÝCH TEPLOMĚRŮ DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ELEKTRICAL THERMOMETERS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MARIÁN TIŽEK ING. DANIEL ZUTH BRNO 2007

2

3 ZADÁNÍ ZÁVĚREČNÉ PRÁCE (na místo tohoto listu vložte originál a nebo kopii zadání Vaší práce) Strana 3

4

5 Strana 5 LICENČNÍ SMLOUVA (na místo tohoto listu vložte vyplněný a podepsaný list formuláře licenční ujednání)

6

7 Strana 7 ABSTRAKT V bakalářské práci je zpracována problematika a možnosti měření a zpracování dynamických charakteristik elektrických teploměrů. Jsou zde uvedeny vlastnosti měřicích přístrojů. Také je zde popsáno měření teploty elektrickým teploměrem a zejména průběh dynamické charakteristiky při měření elektrickým teploměrem. Výsledkem vyhodnocení dat získaných při měřeních jsou grafy zpracované programem vytvořeným pro tento účel. ABSTRACT In bachelor s thesis I have addressed myself to the issue of the scope of measurement and elaboration of dynamic characteristics of electric thermometers. This thesis involves characteristics of measuring instruments. The temperature measuring by electric thermometer and especially procedure of dynamic characteristics of the measuring by electric thermometer are included as well. The results of the evaluation of the data gained by measuring are graphs elaborated by a program created particularly for this purpose.

8

9 Strana 9 PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Danielovi Zuthovi za odborné konzultace a poskytnuté rady, které mi pomohly při vypracování této práce.

10 Strana 10 OBSAH 1. Úvod Dynamické charakteristiky snímačů Diferenciální rovnice Přechodová charakteristika Rychlostní lineární charakteristika Frekvenční charakteristika Teploměry elektrické Teploměry odporové Teploměry odporové kovové Teploměry odporové polovodičové Teploměry termoelektrické Sériové rozhraní RS Mechanické provedení RS Programové ovládání RS Realizace laboratorní úlohy Co je Delphi Ovládání vytvořeného programu Digitální Multimetr Přenos dat Návrh laboratorní úlohy Vzorový protokol Závěr...57 Použitá literatura

11

12

13 Strana ÚVOD Měření je již neoddělitelnou složkou našeho života a jeho všudypřítomnost si již ani mnohdy neuvědomujeme. Historie měření sahá hluboko do naší minulosti. Velmi propracované měrové systémy nalezneme již tisíce let před naším letopočtem v tehdejších vyspělých kulturách na celé Zemi. Rozvoj měření, měřicích metod a prostředků šel naší historií spolu s dělbou práce a obchodem až po dnešní dobře organizovanou podobu. O měřidle bychom mohli z obecného hlediska mluvit spíše jako o samostatném zařízení, určeným k měření a splňující patřičné metrologické vlastnosti. Pod pojmem měřidla můžeme chápat jak míry, tak i měřicí přístroje. Měřicí přístroj tvoří takové uspořádání měřicích členů, které jsou určeny k získání kvalitativních a kvantitativních informací o stavu nebo o procesech probíhajících v měřeném objektu. Základní zapojení měřidla ukazuje blokové schéma ( obr.1 ). Vstupní veličina x bývá obvykle analogová, výstupní údaj přístroje y je buď analogový nebo diskrétní. Ve skutečnosti je i nejjednodušší měřicí přístroj složen z několika členů. Jako první člen bývá čidlo, které tvoří vazbu přístroje na měřený objekt a reaguje na měřenou veličinu. Druhým členem bývá převodník, který má za úkol převést získaný signál na měřicí signál k dalšímu zpracování. Posledním členem je indikační, registrační a zobrazovací zařízení, které vydává informaci o měřené veličině. Spojení čidla a převodníku signálu se nazývá snímač. X Snímač Y Obr.1 Blokové schéma Cílem bakalářské práce je navrhnout laboratorní úlohu pro předmět Technická měření, která umožní názorně přiblížit vlastnosti elektrických teploměrů pomocí jejich přechodových charakteristik. Využít stávající úlohy měření přechodových charakteristik odporového teploměru, zmodernizovat a rozšířit také pro termočlánky ve spojení s běžným PC. To je připojeno datovým kabelem přes rozhraní RS 232 s multimetrem Metex M3850. Ten slouží jako převodník odporu na digitální signál. PC signál vyhodnotí a vykreslí přechodovou charakteristiku do grafu. 1.1 Dynamické charakteristiky snímačů Měřená hodnota fyzikální nebo jiné veličiny se neustále mění s časem. Snímače zařazené v regulačních smyčkách nebo indikující mezní stavy procesu musí být navrženy tak, aby výstupní signál sledoval s minimálním zkreslením vstupní signál. Často požadujeme znát dynamické vlastnosti ve vztahu k chybě, které bychom se mohli dopustit, kdybychom odečetli hodnotu měřené veličiny dřív, než se měřící přístroj ustálí. Průběh dynamické chyby při skokové změně měřené veličiny je patrný z ( Obr.2a) ). Časový průběh chyby je rozdělen na dvě oblasti, na dynamickou a statickou oblast. Zatímco ve statické oblasti je chyba stálá, v dynamické oblasti se chyba mění

14 Strana 14 v závislosti na čase. Největší chyba nastává po uvedení měřícího přístroje do činnosti a následně se postupně zmenšuje. Na ( Obr.2b) ) je znázorněna chyba harmonického signálu v ustáleném stavu jako odezvy na harmonický budicí signál. y Dynamická chyba y T Statická chyba y y d y s φ t T a) b) Obr.2 Dynamické chyby V praxi většina měřících přístrojů ukazuje setrvačnost, která představuje absorpci energie, a ta závisí na konstrukci a principu přístroje včetně přeměn kinetické energie na statickou energii a naopak. Většinou jsou měřící přístroje zkonstruovány jako kvazilineární nebo časově variantní s jedním stupněm volnosti a proto je můžeme popisovat lineárními diferenciálními rovnicemi s konstantními koeficienty. 1.2 Diferenciální rovnice snímačů Dynamické vlastnosti teplotních snímačů se liší navzájem podle toho, jakého řádu je diferenciální rovnice popisující jejich chování. Tak lze rozdělit teplotní snímače na jednoduché, popsané rovnicemi prvního řádu, a snímače složité ( např.snímač v teploměrné jímce ), popsané rovnicemi druhého a vyšších řádů. Znalost těchto rovnic pro jednotlivé přístroje umožňuje určit jejich řešením dynamické vlastnosti přístrojů. Obecné znění diferenciální rovnice má tvar : n n 1 an y + an 1 y a & y + a y& a0 y = x (1) kde : a n a 0 jsou koeficienty diferenciální rovnice y je vstupní veličina x je výstupní veličina Dynamické vlastnosti popisujeme dynamickými charakteristikami v závislosti na čase a na frekvenci. Pod těmito vlastnostmi rozumíme : - přechodovou charakteristiku, tj. odezvu přístroje na skokovou změnu měřené veličiny - rychlostní charakteristiku jako odezvu přístroje na vstupní veličinu měnící se s konstantní rychlostí

15 Strana 15 Jednoduchý teplotní snímač, popsaný rovnicí :. T t ϑ t + ϑ t = ϑ p (2) Platí, že časový průběh údaje teploměru ϑ t při změně teploty prostředí ϑ p z počáteční teploty ϑ 0 na konečnou hodnotu ϑ k skokem ( Obr.3 a) ), bude popsán rovnicí : ϑ t = ϑ 0 ( 1-e -t/tt ) (3) kde: ϑ 0 = ( ϑ k ϑ 0 ) je teplotní skok prostředí T t (s) = časová konstanta teplotního snímače Časová konstanta snímače T t udává čas, za nějž dosáhne údaj teploměru ϑ t hodnoty 63,2% konečné hodnoty, změní-li se teplota prostředí skokem. Průběh údaje teploměru přechodová charakteristika má tvar exponenciály a časová konstanta je její charakteristickou veličinou subtangentou. Obr.3 Dynamické charakteristiky jednoduchého snímače a) přechodová b) lineární Složitý teplotní snímač, popsaný rovnicemi druhého a vyššího řádu je situace o něco složitější. Většinou neznáme matematický popis těchto snímačů, a proto vycházíme z experimentálních prací. Řád diferenciální rovnice teploměru se zjišťuje na základě rozboru odměřené přechodové charakteristiky ( Obr.4 ). Aproximaci přechodové charakteristiky, tj. určení náhradní rovnice tak, aby odpovídala pokud možno odměřené charakteristice, lze provést dvěma způsoby. Druh aproximace je dán velikostí poměru doby průtahu t u k době náběhu t n, a to : a) pro t u / t n 0,1 se provede náhrada diferenciální rovnicí druhého řádu s různými časovými konstantami T t1 a T t2 b) pro t u / t n >0,1 se provede náhrada diferenciální rovnicí vyššího řádu ( n-tého ) se společnou časovou konstantou T t. Řád náhradní rovnice se určí z Tab.1 podle velikosti poměru t u / t n.

16 Strana 16 Tab.1 Závislost řádu diferenciální rovnice na poměru t u / t n Obr.4 Dynamická charakteristika složitého snímače Při skokové změně teploty prostředí se dynamická chyba vyhodnotí z přechodové charakteristiky, jejíž rovnici získáme řešením diferenciální rovnice teploměru. 1.3 Přechodová charakteristika Je odezva na skokovou změnu vstupní veličiny a popisuje ji přechodová funkce. Diferenciální rovnice pro přístroj, který je popsán rovnicí prvního řádu : a 1 y& + a 0 y = x (4) Po zavedení časové konstanty a 1 T 1 = a zesílení a0 1 k = bude rovnice ve tvaru: a 0 Řešení této rovnice udává přechodovou charakteristiku : T 1 y& + y = kx (5) t = T y k 1 e (6)

17 Strana 17 a její grafický průběh je znázorněn na Obr.5 a). Charakteristika má exponenciální průběh. Časová konstanta ( T=a 1 /a 0 ) je subtangentou, jenž má konstantní hodnotu pro každý bod, ležící na této křivce. Za číselnou hodnotu konstanty považujeme čas, za který dosáhne 63,2% skokové změny. Čím je tato časová konstanta menší, tím rychleji dojde k ustálení přístroje. Dynamická chyba je prvního řádu a je dána vztahem : y d t t = y x = k 1 T e T k = ke (7) kde : t je čas [s] Vliv časové konstanty na určení chyby v závislosti na čase, který je již patrný z Tab.2, je důležitým faktorem při posuzování přístroje a určení doby čtení na jeho stupnici. Za dobu ustálení přístroje ( t u ), pak považujeme tu, která dosáhne 95% hodnoty změny. Tyto charakteristiky jsou obzvláště typické pro přístroje na měření teploty. t/t , ,606 6,909 y 0 0,632 0,900 0,950 0,990 0,999 1 y d 1 0,368 0,100 0,050 0,010 0,001 0 Tab.2 Hodnoty dynamických chyb Přechodová charakteristika přístrojů, které jsou popsány diferenciální rovnicí 2. řádu : a & y a y + a y = x (8) + & po zavedení konstant upravíme vzorec (8) na : 2 T 2 & y + T1 y& + y = kx (9) kde : a 2 T 2 =, a0 a 1 T 1 =, a0 1 k = a 0 y t u y T D=1 63.2% D 1 Obr.5 a) přechodová charakteristika t b) průběhy výstupních veličin t

18 Strana 18 Abychom našli snadnější řešení charakteristické rovnice,přepíšeme rovnici (9) pomocí nových konstant T 1 a T 2. 2D 1 T 1 = T 2 = (10) ω ω ω 2 0 2D + y& + y = kx ω 0 (11) kde : ω 0 je kruhová frekvence netlumeného kmitání D je činitel tlumení Tato diferenciální rovnice má tři řešení, vyplývající z hodnot kořenů λ 1,2 charakteristické rovnice. Pro : D < 1 jsou λ 1,2 = α ± j. ω D = 1 jsou λ 1 = λ 2 = λ D > 1 jsou λ 1 λ 2 y = y = αt C1 cosω t + C sinωt) e + k (12) ( 2 ( 1 2 λ1t C1e + 2 C + C t) e 2 λt λ2t y = C e + k (13) + k (14) kde : C 1 a C 2 jsou integrační konstanty k je partikulární integrál U řešení rovnice (12) se jedná o pohyb slabě tlumený. Řešení rovnice (13) nám dává pohyb na mezi periodicity, tj. kriticky tlumený pohyb. Při řešení rovnice (14) je pohyb aperiodický. Průběhy výstupní veličiny jsou uvedeny na Obr.5 b). Průběhy řešení rovnic ( 13 a 14 ) připomínají řešení diferenciálních rovnic prvního řádu a proto je můžeme nahradit členy prvního řádu zapojenými do série. Velikosti dynamických chyb vyplývají z rozdílu výstupní a vstupní veličiny y d = y x a budou pro : αt pohyb slabě tlumený y = C cosω t C sinωt) e (15) pohyb kritický pohyb aperiodický y d ( ( ) λt = C + C2 e (16) d 1 1t λ t d = C e λ 1 + C2e (17) y 2 Pro přístroje je nejméně vhodný aperiodický pohyb, protože má velmi dlouhý čas ustálení. O něco lepší je pohyb slabě tlumený, u něj počítáme s ustálením přístroje asi po 4 až 5 kmitech, u laboratorních přístrojů vyšších tříd přesnosti pak po 5 až 10 kmitech. 1.4 Rychlostní lineární charakteristika Rychlostní lineární charakteristika je odezva na vstupní veličinu měnící se konstantní rychlostí a popisuje ji rychlostní funkce. Tato charakteristika nám udává, jaký je průběh údajů přístroje, při změně měřené veličiny, která se mění lineární rychlostí. Tento typ časové charakteristiky se vyskytuje např. při ověřování teploměrů srovnávacím způsobem. Tepelná lázeň nebo jiná tepelná prostředí, v nichž mohou být umístěny teploměry, se ohřívají a jejich teplota roste konstantní rychlostí.

19 Strana 19 ϑ = v t [ C] (18) c kde : t je čas [s] v = konst. Změna měřených hodnot na teploměru (diferenciální rovnice 1. řádu) je závislá od rovnice (6) Dynamická chyba měření teploty : t = T1 ϑ t v t T1 1 e (19) 1 t ϑ = d = ϑt ϑc = v t T1 1 exp v t v T1 1 exp (20) T1 T 1 Průběh nárůstu teploty u teploměrů se exponenciálně blíží k asymptotě vedené rovnoběžně s nárůstem teploty lázně nebo jiného tepelného prostředí ve vzdálenosti rovné časové konstantě. U přístrojů popsaných diferenciálními rovnicemi vyšších řádů se dá maximální dynamická chyba vyjádřit vztahem : d max = v n i= 1 T ; d max = v n T i i (21) kde : n je řád diferenciální rovnice 1.5 Frekvenční charakteristika Frekvenční charakteristika je vyjádření chování přístroje při harmonické změně vstupní veličiny a popisuje ji frekvenční přenosová funkce. U takových přístrojů, které měří periodicky proměnné veličiny nebo u kterých je pružný systém kmitání, musíme znát jejich frekvenční charakteristiky nebo alespoň frekvenční přenos. U těchto přístrojů totiž velmi často dochází k amplitudovému zkreslení a k fázovému posuvu výstupního signálu vzhledem ke vstupnímu signálu, jak je patrno z Obr.5 b). Pro měřicí přístroje jako takové je rozhodující amplitudové zkreslení v závislosti na frekvenci, protože toto zkreslení nám zavede do výsledků měření dynamickou chybu. Zpoždění zdrojů za vstupním signálem se dá zpětně vypočítat z úhlu fázového posunu. Jestliže se to týká přístrojů pro regulační úlohy, pak je u nich důležité jak amplitudové, tak i fázové zkreslení. Jako zkušební signál se používá signál harmonický. Odvozením z diferenciálních rovnic získáme frekvenční charakteristiky, které určují chování přístroje s mechanickým pružným systémem, který je popsán diferenciální rovnicí druhého řádu. Tvar rovnice (8) nyní přepíšeme na tvar charakterizující mechanický pružný systém se zavedením budícího harmonického signálu.

20 Strana 20 m& y + by& + cy = x sinωt (22) 0 kde : m je hmotnost b je tlumicí konstanta c je konstanta pružiny x 0 je budicí amplituda ω je budicí kruhová frekvence y je odezva přístroje na budicí signál Řešením rovnice (22) po odeznění vlastních kmitů je : ( ω +ψ ) y = y0 sin t (23) kde : y 0 je výstupní amplituda ψ je fázový posuv Porovnáme-li výše uvedené rovnice zjistíme, že výstupní amplituda y 0 se liší od amplitudy vstupní. Jelikož kmitající systémy nejsou jen mechanické, i přestože chování všech systémů druhého řádu je ve výsledku stejné, uvádí se jako konečné řešení v proměnných hodnotách. Jako poměr výstupní a vstupní amplitudy byla odvozena závislost : x y [( 1 η ) + ( ϑ ) ] m 2 0 = η (24) a úhel fázového posuvu ψ : kde : 2ϑη ψ = arctg (25) 2 ( 1 η ) ω η = je poměr kruhových frekvencí ω 0 ϑ je poměrný útlum 2 c ω 0 = je kruhová frekvence netlumeného kmitání m Závislost na frekvencích je zřejmá v obou případech. Amplitudo frekvenční charakteristikou, nazýváme poměr amplitud v závislosti na poměru frekvencí. Její průběh s rozdílnou hodnotou poměrného tlumení je na Obr.6 a) pracovní oblastí pro η < 1. Na Obr.6 b) je pracovní oblast daná pro η < 1. Oblasti s rozsahem η < 1 a η < 1 jsou pro měřicí účely nevhodné, poněvadž u nich dochází k velkým nelinearitám při změně frekvencí. Výstupní signál je zkreslen, vzhledem k vstupnímu signálu přímo úměrně, a to poměrem y 0 /x 0. Při zvolení relativní chyby δ d, pak linie v hodnotě 1- δ d udává rozsah frekvencí, v nichž lže měřit s danou chybou. Jestliže chceme zvětšit rozsah měřicích frekvencí, volíme poměrné tlumení v rozsahu 0,6 0,7 ( Obr.7 ). Pro daný poměr tlumení lze zjistit úhel fázového zpoždění, a to úpravou rovnice (24), která představuje fázově frekvenční charakteristiku. Známe-li úhel fázového posuvu, pak doba zpoždění se určí ze vztahu :

21 Strana 21 ψ t = (26) ω Amplitudo fázová charakteristika je spojení amplitudové a fázové frekvenční charakteristiky do jedné, při stejných budoucích frekvencích. Frekvenční přenos se řeší v oboru komplexních čísel. Pro frekvenční přenos můžeme obecně napsat, že : S ( jω) r y0 y0 sin = r = = A exp x x sin 0 0 ( ωt + ψ ) y0 exp( jωt + ψ ) = ωt x exp( jωt) 0 ( jψ ) (27) kde : y r a x r jsou vektory vstupní a výstupní veličiny j je imaginární jednotka A je poměr amplitud y 0 a x 0 Abychom mohli graficky znázornit rovnici (27) v komplexní ( Gaussově ) rovině, musíme přenos rozdělit na reálnou a imaginární část : ( jω) P( ω) jq( ω) S = + (28) x/x stat x/x stat Ω/ω η a) b) Obr.6 Frekvenční charakteristiky Ω/ω η A Pracovní oblast 1 η Obr.7 Frekvenční charakteristika

22 Strana 22 Přenos přístrojů, jež jsou popsány diferenciální rovnicí druhého řádu, v oboru komplexních čísel je dán rovnicí : 2 1 η 2δη S = z + jz (29) ( jω) ( 1 η ) + ( 2δη ) ( 1 η ) + ( 2δη ) 2 Tato frekvenční charakteristika i její průběh je ovlivněna mimo změn poměru frekvencí také změnou poměrových tlumení a je znázorněna pro dané ϑ na Obr.8 a). Přístroj popsaný diferenciální rovnicí 1. řádu má frekvenční přenos v komplexním oboru : S ( jω) k = (30) 1+ jωt 1 tento přenos je znázorněn na Obr.8 b). Změna modulu fázového zpoždění ( časové zpoždění výstupního signálu ) je patrná z grafických řešení uvedených charakteristik. Im Im Rov. 2 řádu Re Rov. 1řádu Re Ai ψ Ai ψ a) b) Obr.8 Frekvenční charakteristiky Impulsní charakteristika získáme ji při zavedení impulsu ( např. Diracova ) na vstup do přístroje či systému. Jelikož je experimentální provedení daného impulsu těžko realizovatelné, tak se od požadování těchto charakteristik upustilo. Byla nahrazena přechodovou charakteristikou.

23 Strana Teploměry elektrické U všech snímačů teploty, se odvozuje teplota z citlivosti na změnu fyzikální veličiny. U teploměrů elektrických se využívá pro měření teploty přesné definice teplotní závislosti některé z elektrických veličin na teplotě. Jako měronosná veličina je elektrická veličina, která může být : - aktivní ( napětí, proud ) - pasivní ( odpor, kapacita, indukčnost ) Převod měronosné veličiny na elektrický signál má před ostatními převody řadu výhod : - technika měření elektrického signálu je nejpropracovanější - zesílením lze jednoduše ovlivňovat citlivost a přesnost měření - dálkový přenos bez omezení vzdálenosti - záznam i zobrazení i rychle se měnících veličin - možnost soustředění mnoha měřících bodů do jednoho místa a tím získat celkový přehled o chování objektu ( měřící ústředna ) nebo řídit objekt (řídícím počítačem ) - snadný převod analogového signálu na číslicový - pro úpravu signálu lze používat jednoduché analogové obvody nebo počítač - možnost měření bez dotyku snímače s měřeným objektem Teploměry využívající teplotní změny odporu odporové teploměry, a teploměry využívající jevu termoelektrického termočlánky, i některé infračervené snímače teploty a některé speciální typy teploměrů, využívají teplotní závislosti některé elektrické veličiny na teplotě. Díky svému elektrickému výstupu jsou elektrické teploměry všech typů nejrozšířenějšími teplotními snímači v automatizačních a v počítačem řízených technologických procesech. Jejich nejhlavnější výhodou je jejich malá velikost, přesnost a sjednocený výstup. 2.1 Teploměry odporové Měření teploty odporovými teploměry je založeno na teplotní závislosti elektrického a nebo polovodičového odporu čidla ( Obr.9 ). Odpor snímače pro stanovení teploty se zjišťuje podle Ohmova zákona. Při měřicím proudu I je měřen úbytek napětí na měřicím rezistoru ( snímači ) U, odpor snímače potom je : R=U/I (31) Ze vztahu je jasné, že odpor R nelze změřit bez proudu I, průchodem proudu I se však měřicí odpor zahřívá elektrickým ( ztrátovým ) výkonem P : P=R*I 2 (32) Snímač má vyšší teplotu, než je teplota měřená, což znamená systematickou nejistotu vlivem měřícího proudu. Oteplení snímače je závislé : - na tepelné vodivosti materiálu snímače a pouzdra snímače - vnější ploše snímače a součiniteli přestupu tepla ze snímače do měřeného prostředí - na fyzikálních vlastnostech prostředí a rychlosti proudění U dotykových snímačů je závislé na tepelné vodivosti spojení s tělesem a jeho teplotní vodivosti.

24 Strana 24 K odporu snímače se přičítá odpor přívodů. Je-li snímač vzdálen od měřicího přístroje, je nutné údaj na odpor vedení upravovat, i odpor přívodních vodičů má však také svojí teplotní závislost. Pro přesnější měření je lepší nahradit dvouvodičové zapojení třívodičovým zapojením s Wheatstoneovým můstkem, které částečně vylučuje vliv přívodů. Nejvýhodnější je varianta - zapojení čtyřvodičové. U této varianty zapojení se vliv přívodů neprojeví vůbec. Je však nutné úplné elektrické oddělení voltmetru od proudového zdroje. Čidlo měřící odpor bývá z čistých kovů a polovodičů. Materiál odporového čidla určuje jeho rozsah a přesnost. Na použití materiálu k výrobě odporového čidla se kladou některé všeobecné podmínky : - teplotní koeficient odporu musí být co největší a nejstálejší - skutečný odpor, tedy odpor čidla, které má referenční teplotu, má být co největší ( při velkém skutečném odporu, prochází čidlem malý proud, ten způsobuje malý ohřev čidla) Splnění těchto výrobnětechnologických požadavků je dosti složité a díky tomu mají odporové čidla ve všeobecném měřítku převážně nelineární charakteristiku, která se nelineárními údaji linearizuje, ( Obr.10 ). I když jejich použití je v omezeném teplotním rozsahu, patří k základním, i dokonce k etalonovým měřidlům v rozsahu -259 C až C ( rozmezí mezi trojným bodem vodíku a bodem tuhnutí stříbra ). Obr.9 Teplotní závislost odporových kovových teploměrů Obr.10 Nelinearita Pt 100

25 Strana 25 Tuto skupinu teploměrů můžeme dále rozdělit na teploměry : - kovové - polovodičové - polykrystalické - monokrystalické Teploměry odporové kovové Kovové odporové teploměry využívají změnu elektrického odporu kovových vodičů v závislosti na teplotách. Jestliže se zvětšuje měřená teplota, pak roste hodnota elektrického odporu. Tato změna je charakterizována teplotním koeficientem odporu α. Podle definice DIN ( v roce 1983 přijaté IEC ) se teplotní koeficient odporu definuje jako průměrný přírůstek odporu při změně teploty o 1 K ( resp.o 1 C ) v rozsahu C: α = 1/R 0 * R/ t (33) kde: α je teplotní koeficient odporu R = R 100 R 0 R 0 je odpor při 0 C R 100 je odpor při 100 C t je teplotní změna rovná 100 C Za světový průmyslový standart kovových odporových teploměrů se považuje platinový odporový drát Pt 100 ( při teplotě 0 C má odpor 100 Ω a po zahřátí na 100 C má odpor 138,5 Ω ). Výpočtem z těchto údajů zjistíme,že teplotní koeficient odporu standardního kovového odporového teploměru Pt 100 je α = 0,00385 Ω/ ( Ω* C ). Se měnící se teplotou při velkém rozsahu měřících teplot se mění i teplotní koeficient odporu α ( α není konstantní ), ale dá se vypočítat ze vztahu : R t = R 0 ( 1+ αt ) (34) kde: R t je elektrický odpor vodiče při měřené teplotě R 0 je elektrický odpor vodiče při referenční teplotě 0 C α je průměrný teplotní koeficient odporu t je teplota vodiče Abychom dosáhli co největší přesnosti i u velkého rozpětí materiálových teplot je zapotřebí bezpodmínečně vyjádřit funkční závislost teploty od teploty, která je v polynomním tvaru.v oblasti kladných teplot Celsiovy stupnice, do 630 C, platí vztah : R t = R 0 ( 1+ At + Bt 2 ) (35) kde: A a B jsou konstanty odporového materiálu

26 Strana 26 V oblasti záporných teplot Celsiovy stupnice, platí vztah : R t = R 0 ( 1+ At + Bt 2 + C( t 100 )t 3 ) (36) kde: hodnoty konstant odporového materiálu A, B, C udává jejich výrobce, t je teplota vodiče Platinové měřící odpory jsou právě nejčastěji používané v provozním měření,v rozsahu od 200 do až do C. Je to z důvodu, že platina, jako jeden z mála kovových prvků, má vlastnosti, které jsou důležité pro rozsah, přesnost a opakovatelnost měření.materiál na výrobu kovového odporového snímače nesmí oxidovat a reagovat s izolačním a ochranným pouzdrem, musí být fyzikálně a chemicky stálý a to v celém měřícím rozsahu.teplotní koeficient odporu musí být co největší a to i s měnícím se časem. Čistota kovu by měla být co nejvyšší. To jsou vlastnosti, které platina většinou splňuje.je chemicky stálá, vysoká teplota tavení, čistota je téměř až 99,999 % (čistota platiny je poměr R 100 / R 0 ), dlouhodobá stálost odporu.v rozsahu teplot od - 259,3467 C do 961,781 C se platina používá jako etalonový snímač teplot. Platinová čidla, kromě základní hodnoty odporu R 100, se vyrábějí i se základní hodnotou odporu 200, 500, 1000 a 2000 ohmů. Maximální dovolené odchylky od základních hodnot odporu platinového odporového snímače Pt 100 a z nich vyplývající dovolené odchylky naměřených teplot uvádí tabulka 3. Podle dosažené přesnosti, se odporové platinové snímače dělí do dvou tříd přesnosti. Teplota ±0,24 ±0,14 ±0,06 ±0,13 ±0,20 ±0,27 ±0,33 ±0,38 ±0,43 ±0,46 Třída přesnosti A Třída přesnosti B Odchylka Odchylka Ω C Ω C ±0,55 ±0,35 ±0,15 ±0,35 ±0,55 ±0,75 ±0,95 ±1,15 ±1,35 ±1,45 ±0,56 ±0,32 ±0,12 ±0,30 ±0,48 ±0,64 ±0,79 ±0,93 ±1,06 ±1,13 ±1,17 ±1,28 ±1,34 ±1,30 ±0,80 ±0,30 ±0,80 ±1,30 ±1,80 ±2,30 ±2,80 ±3,30 ±3,60 ±3,80 ±4,30 ±4,60 Tab.3 Dovolené odchylky Jako další materiál vhodný pro měřící odpor čidlo je nikl, který se používá v nižším rozsahu měřených teplot, od -70 C do 200 C. Jeho hlavní výhodou je velký teplotní koeficient odporu α, velká citlivost, rychlá odezva a malé rozměry. Nevýhodou je menší dlouhodobá stálost odporu,omezený teplotní rozsah, vůči platině značná nelinearita. Niklová čidla teploty jsou většinou vyráběny tenkovrstvou technologií. Podobně jako platinová čidla, kromě základní hodnoty odporu R 100, se vyrábějí i se základní hodnotou odporu 200, 500,1000 a 2000 ohmů.

27 Strana 27 Obr.11 Tolerance Ni měřícího odporu Jako další materiál vhodný pro měřící odpor čidlo je měď. Odporové měděné snímače teploty se používají v teplotním rozsahu od -200 C do +200 C. Závislost odporu měděného čidla na teplotě lze v rozsahu teplot od -50 C do +150 C považovat za lineární. Vzhledem k malému odporu mědi ( 6 x menší než u platiny ) a snadné oxidaci mědi se měděné snímače teploty běžně nevyrábějí. Výhodnou aplikací teplotní závislosti mědi je např. přímé měření teploty měděného vinutí elektrických strojů prostřednictvím měření odporu vinutí. Ve speciálních případech se pro výrobu měřících čidel teploty používají palladium, stříbro, zlato. Pro měření středních a nízkých teplot se používají slitinové kovové snímače. V rozsahu 0,5 K až 500 K se používá slitina rhodium-železo ( na zvýšení citlivosti při teplotách pod 30 K se podílí příměs železa ), nebo fosforový, eventuálně křemíkový bronz ( 2 až 300 K ). Tak jako v případě platiny, je výhodou slitinových kovových snímačů dlouhodobá stálost odporu, nevýhodou je závislost výstupního signálu od rušivého magnetického pole. Pro měření velmi nízkých teplot se používá germanium. Teplotní čidla se vyrábějí nejčastěji ve dvou variantách : Čidla vinutá mají spirálově stočený odporový drátek o průměru 0,01 až 0,05 mm, vinutí je bud uloženo v kapilárách válcových keramických nosných tělísek, nebo je navinuto na povrchu tělísek a přeskleno keramickým smaltem. Vyrábí se s odporem R 0 = 100 a 500 Ω. Obr.12 Vinuté čidlo čidla vrstvová vinutí je nahrazeno odporovou vrstvou z platiny nebo niklu, která se nanese na nosnou destičku z korundové keramiky. Při tlustovrstvé technologii je nanášení platinové vrstvy na substrát prováděno sítotiskem, následuje tepelná stabilizace vrstvy, a následně je laserové nastavení požadované hodnoty R 0, rozřezání na jednotlivá čidla a připevnění vývodů. Při tenkovrstvé technologii se platinová vrstva nanáší naprašováním nebo napařováním ve vakuu. Vyrábí se také pro SMT technologii.

28 Strana 28 Obr.13 Vrstvové čidlo Odporové snímací čidlo se velmi často zapojuje do Wheatstonova můstku. V něm se k měření teploty používají odchylkové můstkové a nulové kompenzační snímací prvky. K můstku se snímací prvek připojuje dvěmi, třemi a čtyřmi vodiči ( Obr.14 ). Měřicí obvod s vyhodnocovacím zařízením vykonává různé úpravy signálu z odporového čidla například unifikaci, zesílení, linearizaci, korekci a podobně. Volba určitého vhodného typu měřicího obvodu závisí na požadované přesnosti měření, počtu měřicích míst, možnosti obsluhy, ceně a podobně. Dvouvodičové zapojení ( Obr.14 a) ) nám vnáší do měření vlivem odporu přívodních vodičů zkreslení naměřených údajů. Místo odporu R S se naměří odpor o něco větší. Předpokládejme stejnou délku obou přívodních vodičů a jejich stejnou homogenitu, s ohledem na fyzikální vlastnosti, pak R v1 = R v2 = R v, celkový odpor přívodních vodičů R c bude : R c = 2R v + R n (37) kde : R v je odpor přívodního vodiče R n je nastavovací odpor, který se používá na doladění odporu vedení na určitou definovanou hodnotu ( například 20 Ω ) Na vyvážení měřicího můstku při teplotě t = 0 C je třeba splnit podmínky : R 1 = R 2 = R R 3 = R s0 + 2 x R v0 + R n (38) kde : R s0 je nominální odpor snímacího prvku při teplotě 0 C R v0 je odpor přívodního vodiče při teplotě 0 C Při neznámé teplotě t se dá velikost výstupního napětí U v vypočítat podle vztahu: U V = A U S R S + 2 R V RS + 2 RV R + R + R3 R S R3 + R + 2 (39) kde : U s je napájecí napětí můstku R s je změna odporu snímacího prvku při změně teploty z 0 C na měřenou teplotu t

29 Strana 29 R v A je změna odporu přívodního vodiče při změně teploty z 0 c na měřenou teplotu t je zesílení zesilovače Obr.14 Zapojení můstků a) dvouvodičové b) třívodičové c) čtyřvodičové Nejpřesnější je čtyřvodičové zapojení ( Obr.14 c) ). Na obou koncích snímacího prvku se připojí další dva přívodní vodiče. Na vývody R v1 a R v4 se ze zdroje přivede konstantní proud I s. Na vývodech R v2 a R v3 se snímá úbytek napětí. Z Ohmova zákona potom vyplývá, že : kde : R s je naměřený odpor snímače teploty U v je odčítaný úbytek napětí je přivedený konstantní proud I s R s = U v /I s (40) Teploměry odporové polovodičové Odporové polovodičové teploměry podobně jako kovové odporové teploměry využívají tepelnou závislost odporu na teplotě. Změna odporu je způsobena teplotní závislostí koncentrace nosičů náboje. Rozdělují se na termistory a monokrystalické odporové teploměry. Elektrické vlastnosti citlivého prvku, na rozdíl od kovových odporových teploměrů, se mohou měnit dvěma způsoby : - negativní koeficient odporu nastane, jestliže při změně teploty jejich odpor ( se vzrůstající teplotou ) může klesat - pozitivní koeficient odporu nastane, jestliže při změně teploty jejich odpor (se vzrůstající teplotou ) může narůstat Podle těchto způsobů se termistory rozdělují na : - negastory ( NTC ) hodnota elektrického odporu klesá s rostoucí teplotou - pozistory ( PTC ) hodnota elektrického odporu roste se vzrůstající teplotou

30 Strana 30 V porovnání s kovovými odporovými teploměry jsou termistory velmi citlivé na změny teploty, protože jejich teplotní koeficient odporu je 5 až 50x vyšší. Negativem termistorů je naopak jejich nelinearita ( Obr.15 ). Obr.15 Porovnání charakteristik Teplotní závislost negastoru popisuje exponenciální funkce : 1 1 B T T0 kde: R je odpor termistoru při teplotě T R 0 je odpor termistoru při teplotě T 0 B je materiálová konstanta R = R e (41) 0 Materiálová konstanta B závisí od teploty termistoru T a od složení a zpracování materiálu termistoru. Pro úzký teplotní rozsah se dá vztah (x.y) linearizovat přičemž platí: R = R 0 (1 - α T (T T 0 )) (42) kde: α T je teplotní koeficient odporu termistoru pro který platí : α T = -B/T 0 2 (43) Negastor se vyrábí práškovou technologií ze směsi oxidů kovů (Fe 2 O 3 +TiO 2, MnO+CoO..), případně karbidů ( SiC ). Lisují a formují se do různých tvarů ( Obr.16 ). Jeho teplotní rozsah je 50 až 200 C, a speciální typy 250 až 1000 C. Hlavní výhodou negastorů je teplotní záporný koeficient a o řád vyšší než u kovů ( α = -0,03 až -0,06 K -1 ), jsou vhodné pro měření malých změn teploty. Jsou i v provedeních v malém rozměru ( perličkový

31 Strana 31 termistor bodové měření, malá časová konstanta ). Negastory jsou laciné a pro svoje minimální rozměry se mohou použít i na těžko dostupných místech. Jejich nominální odpor bývá poměrně velký, v rozsahu 0,1kΩ až 200kΩ. Nevýhodou je nelineární závislost odporu na teplotě, menší časová stálost, může dojít k poškození negastoru při přehřátí, a použití pro méně náročné aplikace například dvoustavová regulace. Obr.16 Různé tvary negastorů a) tyčinkový b) plochý c) perličkový Velmi citlivou část tyčinkového negastoru ( Obr.16 a) ) tvoří polovodičová tyčinka (1), která je zalisovaná do dvou držáků (2). Ty zároveň tvoří přívody na připojení termistoru k vedení. Polovodičovou tyčinku chrání fólie (3). Celá sestava je vložená do ochranného obalu (4) a utěsněna hmotou (5). Deskový termistor ( Obr.16 b) ) se používá nejvíce na dotykové měření teploty. Perličkový termistor ( Obr.16 c) ) má velmi malé rozměry. Skládá se z polovodičového jádra (1), přívodních vodičů (2) a ochranného obalu (3). Pozistory se vyrábí z polykrystalické feroelektrické keramiky ( BaTiO 3 ). Jsou to termistory s kladným teplotním koeficientem odporu. Odpor pozistoru se stoupající teplotou nejdřív mírně klesá. Nad Curieovou teplotou se projevuje velmi prudký nárůst rezistivity materiálu v závislosti od teploty ( Obr.15 ). Teplotní charakteristika závislosti od takzvané jmenovité teploty t j, při které se odpor skokem zvětší. Pro oblast nárůstu odporu platí vztah : R 0 At j = R e (44) kde: R 0 je odpor termistoru při teplotě T 0 A je referenční hodnota, A=0,16K -1 Pozistory se používají v měření v úzkém rozsahu teplot. Dvoustavové snímače při signalizaci překročení maximální přípustné teploty, např. jako teplotní pojistka na vinutí elektrického motoru, ke kontrole teploty ve spalovacích motorech, k ochraně žhavicích vláken elektronek, ke stabilizaci napětí a podobně. Termistory se stejně jako odporové kovové teploměry, zapojují do Wheatstonova můstku. Rozdíl je v tom, že s ohledem na mnohem vyšší měrný odpor a podstatně vyšší citlivost není třeba kompenzovat vliv odporu přívodních vodičů.

32 Strana 32 a) b) c) Obr.17 Zapojení a využiti termistorů Na Obr.17 jsou uvedeny některé příklady využití a zapojení termistorů. Zapojení podle Obr.17 a) znázorňuje použití termistorů Te 1 až Te 4 na měření teploty na různých místech. Ve třech větvích Wheatstonovova můstku se nachází odpor 0. Do čtvrté větve se pomocí přepínače P zařazuje jeden z pěti termistorů. Na Obr.17 b) se používá termistor na kompenzaci ohřevu cívky měřeného přístroje. Odpor cívky měřícího přístroje C se vlivem teploty zvyšuje. Na kompenzaci se používá termistor Te, kterého odpor se naopak se stoupající teplotou zmenšuje. Proto se celkový odpor nemění a přístroj se může použít v širokém rozsahu teplot. Zapojení podle Obr.17 c) se používá na řízení teploty. Termistor Te se nachází v prostředí, kde je regulovaná teplota. Pomocí nastavitelného odporu VO nastavíme požadovanou teplotu. Když hodnota odporu VO se nerovná odporu termistoru Te, Wheatstonův můstek není v rovnováze. Výsledný signál se zesílí pomocí zesilovače Z a je přiveden na kontakt relé. Relé podle potřeby zapne ohřívač nebo chladič. V posledních letech se rozšiřuje používání monokrystalických polovodičových odporových teploměrů. Jejich charakteristiky ( Obr.18 ) mají vysokou stálost a v určitém rozsahu se dají považovat za lineární. Jsou vyrobené z monokrystalu křemíku, india, galium-arzenidu, jejich teplotní rozsah použití je v rozmezí -50 až 150 C, a α = 9,898*10-3. Obvyklá základní hodnota R25 = 2000Ω. Typickým představitelem je snímač KTY 6 až KTY 10 v plastovém pouzdru TO92, jehož parametry jsou R25= 2000,2 Ω; R 0 = 1645,27 Ω; W 100 = 1,9898 a I m = 1 ma. Pracují na principu kuželovitého rozptylu nosičů elektrického proudu mezi dvěma elektrodami, přičemž odpor struktury závisí na pohyblivosti volných nosičů náboje a je proto funkcí teploty. Snímač, jehož konstrukce je znázorněna na Obr.19, je proveden z nevlastního polovodiče typu N. Z důvodu nezávislosti na směru elektrického proudu obsahuje struktura snímače dva sériově řazené kontakty kov - polovodič spojené na spodní straně krystalu zpětným kontaktem, takže odpor nezávisí na polaritě kontaktního napětí. Z náhradního schématu monokrystalického snímače, které lze nakreslit podle Obr.19, vyplývá, že celkový odpor R krystalu je dán výrazem R = R1 + R2. Za předpokladu, že pro průměr kontaktu d platí vztahy d «D a d «H je odpor snímače R = ρ/d, tj. nezávisí na vnějších rozměrech snímače. Při zvyšování teploty lze závislost odporu snímače RT na teplotě υt vyjádřit kvadratickým vztahem: R = R 0 + k(j - J 0 ) 2 (45) kde: R 0 je odpor při vztažné teplotě υ 0 k k = 2,7931 *10-2

33 Strana 33 Obr.18 Teplotní závislost odporu Obr.19 Řez monokrystalickým snímačem a jeho náhradní schéma Monokrystalické odporové senzory můžeme rozdělit podle PN přechodu do dvou skupin: - Snímače bez PN přechodu: Používají se většinou na měření velmi nízkých teplot. Pro realizaci se používá především germanium, křemík, indium, galiumarsenid a jejich slitiny. V průmyslové praxi se sériově vyrábějí Si senzory pro měření teploty v rozsahu od -190 C do +100 C. - Snímače s přechodem PN (diody, tranzistory): Jsou založeny na teplotní závislosti napětí PN přechodu v propustném směru. Vyrábějí se z výše uvedených materiálů a běžně se používají v teplotním rozsahu 100 až 200K. Výhodou použití polovodičové diody jako čidla teploty je její lineární závislost výstupní termodynamické veličiny (úbytku napětí na diodě) na teplotě. 2.2 Teploměry termoelektrické ( termočlánky ) Termočlánek je elektrický teploměr, využívající vznik termoelektrického napětí vlivem teploty. Čidlem termoelektrického teploměru je termoelektrický článek, jehož funkční částí jsou dva různé materiály, obyčejně kovy. Hlavní termoelektrické jevy lze charakterizovat takto : 1. Seebeckův jev (1821) v obvodě ze dvou vodičů, vyrobených z různých materiálů, které jsou na obou koncích spojené, způsobí rozdíl teploty na koncích těchto vodičů vznik elektromotorického napětí.

34 Strana Peltierův jev (1845) elektrický proud, tekoucí obvodem ze dvou různých materiálů, působí rozdíl teplot mezi dvěma místy, v nichž se oba kovy spojují. 3. Thomsonův jev (1854) v obvodě z jednoho materiálu nezpůsobí procházení elektrického proudu změny teploty. V kovových materiálech není zjištěn vznik elektromotorického napětí v jednom vodiči, na který v různých místech působí rozdílné teplotní gradienty. 4. Duální jev k Thomsonovu vznik elektromotorického napětí v jednom vodiči vlivem různých teplotních gradientů podél vodiče nebyl u kovových materiálů zjištěn. Termočlánek používá ke své činnosti Seebeckův jev. Skládá se ze dvou elektrických vodivých kovových vodičů různého chemického složení, které jsou na obou koncích vodivě spojeny do uzavřeného odvodu. Když se oba konce článku vloží do míst, kde je rozdílná teplota, v obvodě vzniká termoelektrické napětí. Jeho velikost a polarita závisí na materiálu obou kovů termočlánku. Termočlánek tedy představuje generátor napětí, který se dá měřit citlivým voltmetrem. Je zapotřebí si uvědomit, že termoelektrické napětí je úměrné rozdílu teplot na obou koncích obvodu. Tato závislost není lineární, ale ve velmi malém rozsahu se dá termoelektrické napětí linearizovat a vyjádřit vztahem : U Te = α* T (46) kde: U Te je termoelektrické napětí, generované termočlánkem α je koeficient úměrnosti (Seebeckův koeficient) T je rozdíl teplot na obou koncích obvodu Seebeckův koeficient není konstantní a jeho hodnota se ze změnou teploty mění. Ve všeobecném měřítku se na přesné určení závislosti termoelektrického napětí a teploty používá normalizační tabulka pro každý typ termočlánku ( Tab.4 ). V každém určitém teplotním intervalu se dá měřená hodnota odvodit od naměřeného termoelektrického napětí podle polynomní rovnice : t = n i= 0 i a i U te (47) kde: t je neznámá teplota a je příslušný koeficient (pro daný typ termočlánku) i U n i te je termoelektrické napětí, naměřené na termočlánku je řád polynomu

35 Strana 35 Typ J K T E R S Roz. 0 C až 760 C 0 C až 370 C -160 C až 0 C -100 C až 1000 C 0 C až 1000 C 0 C až 1750 C a 0 a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 a 9-0, , , , , , , , , ,9 4,83506* ,18452* ,38690* ,33708* , , , ,97688* ,66192* ,94078* , , , , ,6 1,10866* ,76807* ,71842* ,19278* ,06132* , , ,37 1,90002* ,82704* ,62091* ,20026* ,71496* ,03104* , , , ,63565* ,88027* ,37241* ,17501* ,566105* ,69535*10 20 Tab.4 Normalizační tabulka Statické charakteristiky základních typů termočlánků jsou uvedeny na Obr.20. Obr.20 Statické charakteristiky základních typů termočlánků Měřící spoje termočlánků jsou na Obr.21. Tvoří ho dva kovové vodiče, vyrobené z různých materiálů, které jsou vodivě spojeny. Tento spoj se v závislosti od měřené teploty nejčastěji vytváří spájením nebo svařením. Do teploty 150 C se může použít měkké pájení ( pájení např.cínem ), od teploty 700 C se používá tvrdé pájení ( pájení např.mosazí ). Při svařování termočlánků, dochází k tepelnému ovlivňování obou vodičů termočlánku, což může výrazně snížit jeho měřící vlastnosti. Průměr vodičů by měl být kvůli malému odporu snímače co největší, kvůli minimalizování ztrátového tepla naopak co nejmenší. Proto se průměry vodičů pro kovy běžné volí od 0,5 do 4 mm, vodiče z ušlechtilých kovů mají průměr od 0,2 do 0,5mm. Nechráněný spoj ( Obr.21 c) ) se doporučuje pro měření teploty statického nebo proudícího plynu, kde se vyžaduje velmi rychlá odezva. Kontakt prodloužený za ochranné kovové pouzdro poskytuje přesnou a rychlou odezvu. Tam, kde je kontakt prodloužený, je izolace pouzdra zatavena, aby nedošlo k proniknutí vlhkosti nebo plynu, který by způsobil chybu. Neuzemněný ( Obr.21 b) )spoj se doporučuje pro měření v korozívním prostředí, kde je žádoucí, aby termočlánek byl elektricky izolován a odstíněn od pouzdra. Svařený termočlánkový vodič je od pouzdra termočlánku fyzicky oddělen MgO jemným práškem. Zemněný spoj ( Obr.21 a) ) se doporučuje pro měření teploty statického nebo proudícího plynu či kapaliny a pro aplikace při vysokém tlaku.

36 Strana 36 Kontakt je svařen s ochranným pouzdrem. Termočlánek dává rychlejší odezvu než typ s neuzemněným kontaktem. a) uzemněný b) neuzemněný c) nechráněný Obr.21 Druhy spojů termočlánků Jelikož při použití termočlánků je největší problém v tom, že se nedá samostatně odměřit pouze termoelektrické napětí, které vzniklo zahřátím jednoho konce obvodu, tak proto je zapotřebí k termočlánku připojit voltmetr a přívodní vodiče sami začnou generovat elektromotorické napětí. Vliv tohoto cizího napětí je třeba určitým způsobem kompenzovat, a to tak, že voltmetr připojíme k termočlánku typu T (měď- konstantan ( Cu Ni ) ). Voltmetr, který má přívodní vodiče z mědi, by měl odečítat pouze napětí U 1, které vzniká v bodě J 1 s teplotou t J1. Tím, že jsme připojili voltmetr, jsme ovšem vytvořili dva nové spoje J 2 a J 3. Jestliže spoj J 3 je materiál měď-měď, nevzniká v něm žádné přídavné termoelektrické napětí. Ve spoji J 2 ( měď-konstantan ) s teplotou t J2 se vytváří přídavné termoelektrické napětí U 2. Voltmetrem pak naměříme výsledné termoelektrické napětí U = U 1 U 2, které je úměrné rozdílu teplot bodů J 1 a J 2. Logicky správným postupem je vložení bodu J 2 do prostředí s teplotou 0 C. Tím by se bod J 2 stal referenčním bodem nebo studeným spojem. Následně změříme voltmetrem napětí, které odpovídá naměřené teplotě bodu J 1. Nyní můžeme na voltmetru odečítat napětí podle Obr.22 a). U ( U U ) = ( t J t ) = α (48) J 2 Jestliže na místo teploty t j ve stupních Celsia, budeme používat teplotu T j v Kelvinech, pak ( K ) = t ( C) + 273, 15 Tj j (49) Nyní můžeme na voltmetru v tomto případě odečítat elektromotorické napětí : U = U [( TJ ,15 ) + ( TJ ,15 )] = α( TJ1 TJ 2 ) = α( TJ 1 ) αtj1 1 U 2 = 0 α = (50) Fakt, který zdůrazňuje tento úplný výpočet, že termoelektrické napětí U 2, které vzniká v bodě J 2 s teplotou 0 C není roven nule. Je funkcí absolutní teploty. Vložení studeného spoje do ledu je přesná metoda, ale při nejpřesnějších měřeních se používá trojný bod vody. Studený spoj s teplotou 0 C se pro termočlánky používá jako základní referenční bod. Od něho se odvozují normalizované tabulky závislosti napětí teplota pro jednotlivé typy termočlánků, takže se v nich pro naměřené napětí dá odečítat odpovídající měřená teplota. Tři základní pravidla pro zapojování termočlánků : 1. pravidlo vloženého vodiče třetí kov ( v tomto případě železo ), který se vloží mezi dva rozdílné kovy ( v tomto případě měď a konstantan ), nemá na výstupní termoelektrické

37 Strana 37 napětí žádný vliv, pokud mají jeho připojovací body ( v tomto případě J 4 a J ref ) stejnou teplotu ( Obr.22 e) ). 2. pravidlo homogenity obvodu pokud se mezi dva vodiče ze stejného materiálu vloží třetí vodič z toho samého materiálu, nemá na výstupní termoelektrické napětí žádný vliv, i pokud by měly jeho připojovací body různou teplotu. Podmínkou je, že vložený vodič musí být ze stejného materiálu a musí mít také stejnou vnitřní strukturu jako vodiče, mezi které se vkládá. Při dlouhodobém používání totiž může materiál termočlánku měnit svoji strukturu a tak vnášet do obvodu parazitní termoelektrické napětí. 3. pravidlo superpozice pokud se změní teplota referenčního bodu, posune se o stejnou hodnotu celá křivka závislosti termoelektrického napětí na teplotě. Zapojení termočlánku podle Obr.22 a) je zvláštní v tom, že přívodní vodiče jsou ze stejného materiálu jako je jeden z vodičů termočlánku. V praxi je situace komplikovanější. Obr. 22 b) znázorňuje termočlánek typu J ( železo Fe konstantan Ko ), který se připojuje k voltmetru měděnými vodiči. Tím se zvyšuje počet kovových spojů ( J 3 a J 4 ), a tím i vnesených cizích termoelektrických napětí. Další nepřesnost vzniká, jestliže oba připojovací body na čelním panelu voltmetru nemají stejnou teplotu. Proto se při přesnějších měřeních prodlužují přívody voltmetru a vyúsťují v takzvaném izotermickém bloku ( Obr.22 c) ). Izotermický blok je elektrický izolátor, jenž dobře vede teplo, takže body J 3 a J 4 mají stejnou teplotu. Absolutní teplota izotermického bloku není důležitá, protože oba spoje J 3 a J 4 působí proti sobě. Proto je termoelektrické napětí, naměřené na voltmetru, úměrné rozdílu teplot bodu J 1 a referenčního bodu. Nahradíme-li ledovou lázeň dalším izotermickým blokem, dostaneme zapojení podle Obr.22 d). Tento blok budeme udržovat na referenční teplotě T ref. Jestliže body J 3 a J 4 mají stále stejnou teplotu, naměřené elektromotorické napětí se nezmění. a) b) c) d)

38 Strana 38 e) Obr.22 Zapojení termočlánků Konstrukce termoelektrických článků je obyčejně upravena pro použití v jímce. Jiné provedení ve tvaru pásku se používá k měření teplot na povrchu měřeného předmětu. Trubkové termoelektrické články mají jednu větev termoelektrické dvojice tvořenu trubkou. Jsou výhodné např. při měření teploty roztavených solí. Plášťový termoelektrický článek se skládá z vlastního termočlánku, který je izolován keramickým práškem a je chráněn ochranou trubkou ( pláštěm ) z korozivzdorné oceli. Plášťové termočlánky se používají zejména k měření, při němž se požaduje dlouhodobá stabilita signálu a malé zpoždění údajů. Vpichovací termoelektrické články mají spoj ve tvaru hrotu. Rozsahy teplot pro než se dají použít jednotlivé druhy termoelektrických článků, jsou patrny z Obr.20. K ochraně před mechanickými a chemickými vlivy se články umisťují do ochranných trubek. Snímače termoelektrických teploměrů mají být konstrukčně uspořádány tak, aby bylo možno měřící vložky snadno vyměňovat i za provozu. Délka prodlužovacího krku snímače se volí tak, aby teplota svorkovnice v hlavici nebyla vyšší než 200 C. Termoelektrické články před zabudováním do snímačů musí být vyžíhané a vyzkoušené na nehomogennost ( tj. nestejnorodost materiálu mechanickou nebo chemickou ). Během provozu se musí chránit před škodlivými vlivy. Především jsou škodlivé plyny obsahující síru. Většina dvojic se má chránit před redukčními plyny ( mimo typ J a T ). Životnost termoelektrických článků se prodlouží zvětšením průřezu drátů, poněvadž hloubka povrchového působení ( oxidace, koroze, odpařování, difúze ) nezávisí na průměru. Zvětšování průřezu je však omezeno vzhledem k obvodu tepla a k pořizovacím nákladům. Spojovací a kompenzační vedení mají mít dobrou izolaci a je nutno omezit u nich vlivy silnoproudých vedení. Je vhodné stínit je proti magnetickým a elektrickým polím. Volba izolace se řídí zřetelem na vliv okolní teploty, vlhkosti, chemicky agresivních látek a mechanického namáhání.

39 Strana Sériové rozhraní RS 232 RS 232 dříve také známý pod označením V.24 ( evropská obdoba amerického rozhraní RS 232 ANSI/EIA 232 Standard ) je nejstarším rozhraním. Vzhledem k sériovému přenosu dat (bit za bitem) je pomalejší než paralelní rozhraní, ale za to je však univerzálnější a lze jej proto považovat za standardní rozhraní hlavně pro připojení měřicích přístrojů k PC. Význam využití RS 232 v současné době, samozřejmě u PC, poklesl. Myš se již připojuje přes PS2 nebo USB sběrnici, modemová karta pro připojení k síti přes telefonní linku se stává součástí základní desky PC. Zvláště u přístrojů vyžadujících rychlý přenos objemných dat se stává vážným konkurentem rozhraní RS 232 sběrnice FireWire. Avšak připojení měřicích přístrojů a zařízení prostřednictvím RS 232 zůstává stále aktuální a je využíváno hlavně u levnějších variant měřících přístrojů, zejména pro přenos naměřených dat do PC. Řada přístrojů s GPIB rozhraním je vybavena také rozhraním RS 232, které představuje sice pomalejší, zato ale výrazně levnější alternativu. Původní koncepce rozhraní RS 232 počítala s připojením PC ( data terminal equipment DTR) k modemu (data communication equipment DCE ), zajišťujícím přenos dat k připojovanému zařízení přes telefonní linku. Přitom připojované zařízení muselo být také připojeno prostřednictvím modemu. V tomto případě jsou příslušné špičky obou konektorů vodiče pro připojení počítače resp. připojovaného zařízení k modemu propojeny přímo špička 1 na špičku 1, špička 2 na špičku 2 atd. Pro připojení zařízení na kratší vzdálenost ( do 15 m ) je přenosový okruh realizovaný telefonní linkou zbytečný a zařízení se připojuje k PC přímo, bez využití modemů. Takové propojení se nazývá - nulový modem. Potom je ale zapotřebí použít upravený propojovací vodič, který vlastně křížovým propojením příslušných špiček nahrazuje modemy na obou stranách přenosového okruhu, viz Obr.23. Verze nulový modem představuje v současné době standardní způsob propojení měřicího přístroje s PC. Pro propojení na velkou vzdálenost se v současné době využívá převážně služeb www sítě. a) b) Obr.23 a) třídrátový nulový modem b) úplný nulový modem