Verze 2. Měření teploty - 1. Doplněná inovovaná přednáška. Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL

Transkript

1 Verze 2 Měření teploty - 1 Doplněná inovovaná přednáška Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

2 In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu:

3 Teplota je fyzikální veličina vyjadřující tepelný stav tělesa Teplotní stupnice jsou dvě: Termodynamická (Kelvinova, založená na Carnotově cyklu) je určena dvěma pevnými body: absolutní nula (ustává termický pohyb elementárních částic) - 0 K trojný bod vody (rovnovážný stav mezi skupenstvími) - 273,16 K základní jednotkou je Kelvin (K), 273,16-tá část termodynamické teploty trojného bodu vody Mezinárodní teplotní stupnice ITS-90 (International Temperatur Scale) definována 17-ti pevnými body látek (trojné body, body tání nebo tuhnutí) označována někdy jako Celsiova, vznikla v roce 1927, postupně byla upravována (naposledy v roce 1990). Jednotkou je, vedle K, i o C, definovaný vztahem: T T 0, C; K, K kde T 0 je 273,15 K Stanovení teploty trojného bodu bylo zvoleno tak, aby platilo: ΔT Δ C;K

4 Poznámka 1: Pro obtížnou realizaci termodynamické stupnice byla zavedena mezinárodní teplotní stupnice. Ta je tvořena tak, aby jednotlivé rozsahy měřeni ITS-90 těsně vyjadřovaly číselné hodnoty termodynamické teploty a měly vysokou reprodukovatelnost. (V tabulce pevných definičních bodů ITS-90 odpovídá teplotě 273,16 K teplota 0,01 C) Poznámka 2: Někdy se vyskytují problémy s převody mezi různými teplotními stupnicemi, dále jsou uvedeny převodní vztahy: a) ze stupňů Fahrenheita na stupně Celsia C = 5/9. ( F - 32) b) ze stupňů Celsia na stupně Fahrenheita F = (9/5 C) + 32 c) ze stupňů Celsia na Kelviny K = C + 273,15

5 Měření teploty: Teplota může být měřena řadou rozmanitých snímačů. U všech snímačů se odvozuje teplota z teplotní závislosti fyzikální veličiny. Nejčastěji se používají tyto snímače teploty: termoelektrické snímače (termočlánky), odporové teploměry a termistory, infračervené teploměry, bimetalové teploměry, snímače s roztažitelnými kapalinami, snímače se změnou stavu

6 Termoelektrické snímače (termočlánky) Měření teploty - 1 Základem jsou dva vodiče s různými termoelektrickými vlastnostmi, na jednom konci vodivě spojené (svařené). Pracují na principu Seebeckova jevu (převod tepelné na elektrickou energii): POZNÁMKA: K Seebeckovu jevu existuje jev opačný, který se nazývá Peltierův jev. Ten se projevuje tak, že při průchodu elektrického proudu zmíněným elektrickým obvodem se jeden z jeho spojů zahřívá a druhý naopak ochlazuje.

7 Přeruší-li se elektrický obvod, je na jeho svorkách termoelektrické napětí, úměrné rozdílu teplot na jeho koncích DŮLEŽITÉ: V technické praxi platí pro velikost termonapětí vztah (nelinearita charakteristiky): TERMOČLÁNEK MĚŘÍ ROZDÍL TEPLOT MEZI PRACOVNÍM A STUDENÝM (SROVNÁVACÍM) KONCEM!!! E A, B 12 (T A -T kde termoelektrický koeficient α 12 je: u vodičů řádově jednotky až desítky V/ C, u polovodičů více než 100 V/ C B )

8 Měřící obvod pro měření teploty termočlánkem POZNÁMKA: prodlužovací (kompenzační) vedení je vyrobeno z jiných (levnějších) materiálů než termočlánek, ale se shodnými termoelektrickými vlastnostmi, pouze v užším rozsahu teplot POZOR při zapojování kompenzačního vedení - POLARITA

9 Způsoby kompenzace teploty studených (srovnávacích) konců: Termočlánek měří rozdíl teplot mezi měřícím a srovnávacím koncem. Aby bylo možno měřit teplotu v místě měřícího konce, musí být teplota srovnávacího konce konstantní (v laboratoři 0 C v praxi obtížně) Korekce termoelektrického napětí termočlánku dvěma způsoby: 1. přičtením (odečtením) kompenzačního napětí úměrného teplotě okolí srovnávacích konců k termoelektrickému napětí termočlánku kompenzační krabice Příklad: Termočlánek K (NiCr-Ni) měřená teplota +800 C srovnávací teplota +20 C (teplota studeného konce termočlánku) termoelektrické napětí při +800 C 33,277 mv (z tabulek) termoelektrické napětí při +20 C 0,798 mv (odečíst) výsledné termoelektrické napětí 32,479 mv

10 Pohled na kompenzační krabici ZEPABOX (ZPA Nová Paka, 1998, rozměry 185 x 120 x 70) Vnitřní schéma zapojení (čidlem okolní teploty je dioda zapojená ve zpětné vazbě OZ)

11 2. udržováním teploty srovnávacích konců termočlánku na konstantní (definované) teplotě termostat srovnávacích konců termočlánku V místě připojení konců termočlánků (nebo kompenzačních vedení) uvnitř termostatu se udržuje konstantní teplota vyšší než okolní teplota (ohřev je jednodušší a levnější než chlazení) Jmenovité konstantní teploty v termostatech: +20 C, +50 C, +70 C (proč?) Pohled a rozměrový náčrt termostatu srovnávacích spojů ZEPAFIX (ZPA Nová Paka, 1998)

12 Principiální schéma zapojení termostatu ZEPAFIX s kolektorem 1 zesilovač 2 řízený napáječ topení R u kontrolní rezistor Svorkovnice termostatu s označením svorek modře pro J zeleně pro K bíle - pro S

13 V současné době se kompenzační krabice ani termostaty srovnávacích konců termočlánků fyzicky (jako výrobky) nepoužívají, ale používá se princip kompenzační krabice měří se teplota připojovacích svorek vyhodnocovacího přístroje (teplota okolí), podle které se vytváří korekční napětí přičítané (odečítané) k termoelektrickému napětí termočlánku. Velmi často se používají převodníky termoelektrického napětí na (unifikovaný) elektrický signál, montované do hlavice armatury termočlánku, které obsahují elektroniku pro kompenzaci teploty okolí (viz. ilustrační obrázek) Výhoda: ušetří se za kompenzační vedení Podmínka: teplota v hlavici nesmí překročit 80 C

14 Typy termočlánků určují normy IEC nebo ČSN EN , případně DIN Základní informace o termočláncích dle zmíněných norem jsou v následující tabulce: V České republice se nejčastěji používají termočlánky z obecných kovů "J" a "K" a z drahých kovů "S" a "B", čímž je pokryt rozsah teplot cca -200 až C

15 Typy kompenzačních vedení a jejich značení určuje norma ČSN Barevné značení je uvedeno v tabulce: Při zapojování měřícího obvodu je třeba dbát na vliv třetího (resp. dalšího) kovu v obvodu, který se uplatňuje, když srovnávací spoje nemají stejnou teplotu a na vliv změny elektrického odporu obvodu na přesnost měření (justážní rezistory)

16 Poznámka k justážním rezistorům: Měření teploty - 1 Pokud se na místě vyhodnocovacího přístroje použije přístroj s malým vstupním odporem (na př. Deprézský přístroj) musí se elektrický odpor měřícího obvodu dostavit na definovanou hodnotu (20 Ω) pomocí justážního rezistoru R j úbytky napětí procházejícím proudem Při měření odporu celé měřící smyčky (termočlánek, vedení i kompenzační, kompenzační krabice nebo termostat) v provozním stavu je na svorkách ohmetru termoelektrické napětí, které ovlivňuje výsledek měření. Proto je nutné měřit odpor smyčky při obou polaritách a skutečný odpor smyčky stanovit jako aritmetický průměr obou měření Při použití vyhodnocovacího přístroje s vysokým vstupním odporem (desítky MΩ) se odpor smyčky nedostavuje

17 Statické charakteristiky termočlánků Měření teploty - 1

18 Třídy přesnosti a tolerance termočlánků Měření teploty - 1 Z určených hodnot tolerancí platí vždy ta větší t = absolutní hodnota teploty ve C Dovolené odchylky (tolerance) termočlánků uvádí norma IEC 584-2, respektive ČSN IEC 584-2

19 Použití termočlánků: Pro výběr termočlánku se používají nejčastěji tato kriteria: - teplotní rozsah - rychlost působení (časová konstanta malá tepelná kapacita) - přesnost (třída přesnosti) - chemická odolnost termočlánku nebo materiálu pláště - odolnost proti abrazi a vibracím - požadavky instalace (potřeba kompatibility s existujcím přístrojem, existující otvory mohou určovat průměr sondy) - a další (cena, kalibrace termočlánku, použití jako stanovené měřidlo...) Případy, kdy není vhodné použít termočlánek: - měření nízkých teplot (- 200 C) značná nelinearita - pro úzký rozsah měřených teplot (př. 0 až 40 C) - je-li třeba použít dlouhé (a drahé) kompenzační vedení (řeší se na př. použitím převodníku v hlavici armatury)

20 Provedení měřícího konce plášťových termočlánků: Izolované provedení jednoduché dvojité

21 Uzemněné provedení Otevřené provedení

22 Příklad armatur dodávaných snímačů teploty a jímek (JSP, s.r.o., Jičín)

23 Příklady montáže snímačů v provozu Snímače s jímkou: Měření teploty - 1 přímý návarek šikmý návarek v koleně potrubí

24 Snímače do jímky: jímka s přírubou kuželová jímka válcová jímka v návarku v návarku

25 Některé zásady pro správné umístění snímačů teploty: Nevhodná hloubka ponoření snímače v měřeném médiu může způsobit chybu měření, jejíž příčinou je odvod tepla stonkem snímače a jeho procesním připojením. Aby se tato chyba omezila, doporučují se hloubky ponoření: - pro kapaliny 8 až 10 násobek průměru měřicího konce jímky, - pro plyny 10 až 15 násobek průměru měřicího konce jímky. V případě nutnosti montáže snímače do potrubí malých průměrů se doporučuje namontovat snímač do potrubí šikmo nebo do kolena, s měřicím koncem jímky proti směru proudění média. Montážní poloha snímače je libovolná, s kabelovou vývodkou pokud možno dolů. Za základní se považuje poloha svislá s hlavicí nahoře.