11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr

Transkript

1 11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr Otázky k úloze (domácí příprava): Pro jakou teplotu je U = 0 v případě použití převodníku s posunutou nulou dle obr. 1 (senzor Pt 100, R 0 = 100? U Z R 0 R 0 R 0 U z / R 0 + R + U U U U Z R R R Z 0 U 0 U Z R R 0 Obr. 1. Schéma teploměru se senzorem Pt 100 Jaké referenční napětí U Z je třeba nastavit, aby na výstupu bylo napětí U = 100 mv pro teplotu 100 C (platinový odporový teploměr, R 0 = 100 )? Lze korigovat v tomto případě vliv odporu přívodních vodičů? Jak velká bude chyba měření teploty vzniklá vlivem odporu přívodů 0,1 Ω (odpor jednoho vodiče)? Jak velká bude chyba způsobená nelinearitou teplotní závislosti odporu platiny? Jaký proud prochází měřicím odporem? Závisí tento proud na měřené teplotě? Úkol měření 1. Proveďte kalibraci bezkontaktního teploměru pomocí vyhřívaného etalonu BB-A. Spočtěte, jakou chybu způsobí špatné nastavení emisivity (např. 0,88 místo 0,95). Tento výsledek experimentálně ověřte. Teplotu etalonu měřte odporovým snímačem teploty s čtyřvodičovým připojením k multimetru. Teplotu vypočítejte podle vzorce (), při výpočtech používejte teplotu v K!. Použijte dvouvodičové připojení téhož odporového snímače teploty a zjistěte, jakou chybu to způsobí. Z technické dokumentace k multimetru zjistěte, jaký měřicí proud je v obou případech použit. 3. Teplotu vyhřívaného etalonu BB-A dále změřte týmž odporovým teploměrem připojeným k převodníku R/U s posunutou nulou (viz obr. 1). 4. Na závěr změřte teplotu vyhřívaného etalonu BB-A týmž odporovým teploměrem připojeným modulu s USB rozhraním DT1010. Ověřte, jaký měřicí proud převodník používá. Zaznamenejte přechodový děj při skokové změně nastavení požadované teploty etalonu. Odhadněte dynamické parametry této soustavy. Zjistěte, zda se mění proud snímačem PT100 při změně teploty (v grafickém uživatelském rozhraní odečtěte R, změřte napětí na napěťových svorkách PT100 a dopočítejte proud) a zda se komutuje proud během měřeni (voltmetr nastavte na měření střídavého napětí a pak na měření stejnosměrného napětí). 1

2 Nepovinná část: 5. Změřte povrchovou teplotu lidské kůže kontaktním teploměrem a pyrometrem při nastavené emisivitě = 1. Vypočtěte emisivitu kůže, tuto hodnotu zadejte do pyrometru a opakujte měření. Ověřte správnost svého výpočtu. 6. Teplotu vyhřívaného etalonu BB-A změřte týmž odporovým teploměrem v 4-svorkovém zapojení dle obr.. Dále místo PT100 použijte odporovou dekádu, odpor nastavuje podle tabulky a porovnejte výstupní napětí vypočtené v tabulce s naměřenými hodnotami. t ( C) T (K) 73,15 93,15 313,15 333,15 353,15 373,15 R () U vypočtené (mv) 0 1,1 4,1 60,6 81,6 100 U změřené (mv) UPT Obr. Obvod pro 4 svorkové připojení PT100 (= R1) Poznámky k měření: K bodu 1: Použitý bezkontaktní teploměr pracuje na principu úhrnného radiačního pyrometru. Teplotu tedy vypočítává podle Stefan-Boltzmannova zákona: I = ( T 4 - T A 4 ) (1) kde I je intenzita tepelného záření [W/m ], je emisivita objektu [-], je Stefan-Boltzmannova konstanta 5, W m - K -4, T je teplota objektu [K], je teplota okolí [K]. T A Úhrnné pyrometry jsou citlivější než úzkopásmové, avšak jejich údaj silně závisí na správném určení emisivity. Přístroj měří intenzitu tepelného záření I pomocí IR čidla a teplotu T A pomocí senzoru vestavěného v přístroji. Emisivitu nastavuje uživatel. Rovnice (1) je pak vztahem použitým v přístroji pro výpočet teploty T.

3 Pro velikost odporu platiny platí pro teploty t > 0 C přibližný vztah: kde A = 3, K -1 B = -5, K - R t = R 0 (1 + At + Bt ) () Etalon BB-A Max. teplota 343 C Emisivita 0,95 K bodu 4: Převodník odporu nebo Pt100 na unifikovaný výstup Obr. 3. Převodník R/U DT1010 DT1010 umí převádět hodnoty naměřené senzory Pt100 a odpor nebo aktuální nastavení potenciometru na unifikovaný signál pro další zpracování v řídících jednotkách. Zařízení obsahuje třícestné galvanické oddělení. Vstupní část, výstupní část i zdroj jsou od sebe vzájemně oddělené. Výstupem ze zařízení je signál 0 až 10 V. Měřicí prvek (Pt100, Pt500, Pt1000, rezistor nebo potenciometr) může být připojen dvou-, tří- nebo čtyřvodičově. Modul umožňuje kompletní konfiguraci parametrů měřicího prvku a také konfiguraci výstupních hodnot. Konkrétně je možné nastavit například tyto parametry: typ senzoru, rozsah odporu, přepočet výstupní hodnoty, způsob měření (, 3, 4 vodiče), filtrování signálu, úprava kalibrační křivky měřicího prvku. Konfigurační software umožňuje uložit nastavené parametry do PC, pro případnou pozdější opětovnou konfiguraci. Aktuální konfiguraci zařízení je možné také načíst do softwaru. Konfigurační software je distribuován zdarma. Nastavení zařízení se provádí přes USB rozhraní. Přesnost měření je lepší než 0,1 % v celém měřícím rozsahu. Teplotní koeficient je lepší než 50 ppm / C. DT1010 má napájení: V AC/DC. Technické parametry 3

4 Vstup: Vstupy pro: senzor: Pt100 nebo rezistor či potenciometr Způsob připojení: / 3 / 4 vodiče Měřicí rozsah: -00 C až 800 Pt100 0 až 400 rezistor / potenciometr Výstup: Typ výstupu: DC napětí nebo DC proud Rozsahy: viz tabulku na předchozí straně Zátěž (proudový výstup): 700 (max.) Zátěž (napěťový výstup): 500 (min.) Přesnost: 0,1 C + 0,05 Ta = 3 C ± C Teplotní koeficient: 50 ppm / C (max.) Indikace: Kontrolky: LED (napájení, konfigurační režim) Konfigurace: Způsob: USB port Připojení snímače Obr. 4. DT svorkové připojení platinového snímače Obr. 5. DT svorkové připojení platinového snímače 4

5 V Obr. 6. DT1010 unifikovaný výstup 0 10V, Svorky 1,: napájení: V Aplikace převodníku: Na obr. 7. je ukázka možného uspořádání měřicího systému s DT1010 s napěťovým výstupem 0 až 10 V. Napájecí zdroj IN1 IN IN3 IN4 GND + - AD4 Měřicí převodník se 4 vstupy 0-10V Obr. 7. Aplikace převodníku Ovládání převodníku a měření teploty přes USB rozhraní K převodníku se připojíme přes virtuální sériový port (COM3). Převodník lze nakonfigurovat pro -, 3- a 4-vodičové zapojení. Výstup je nakonfigurován na rozsah 0 až 10 V pro odpor 0 až 400. Lze zvolit průměrování až ze 64 vzorků. Lze provést korekci nelinearity či korigovat odpor přívodů u -vodičového připojení. Budící proud, snímané napětí a vypočtenou teplotu lze též sledovat přímo tímto programem. 5

6 Obr. 8. Grafické uživatelské rozhraní K bodu 8: PT100 je v tomto případě buzen proudovým zdrojem, který je realizovaný operačním zesilovačem OZ1. Operační zesilovače OZ OZ4 tvoří symetrický přístrojový zesilovač. Tento obvod si lze představit jako speciální zesilovač se ziskem K. Skládá se ze vstupních zesilovačů napětí OZ a OZ3 a výstupního rozdílového zesilovače OZ4. Rozdílové zesílení přístrojového zesilovače je dáno součinem rozdílového zesílení vstupních zesilovačů a výstupního rozdílového zesilovače. Posun nuly je realizován zdrojem U = 63, mv. Obvod tedy realizuje funkci U OUT = -K*U PT +U, kde UPT=I 1 *R PT, I 1 = U 1 /R 1, R PT je čtyřsvorkově zapojený PT100 snímač a U 1 = 6,58 V. 6