2. MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY Úkoly měření: 1. Změřte napětí předložených termočlánků a) přímo pomocí ručního multimetru a stolního multimetru U3401A. Při výpočtu teploty uvažte skutečnou teplotu srovnávacího spoje termočlánku, kterou zjistíte pokojovým teploměrem; b) stejnými přístroji jako v bodě a), ale s připojenou kompenzační krabicí OMEGA CJ (pouze termočlánek typu K). 2. Navrhněte vhodné zapojení s OZ, pomocí kterého zesílíte napětí termočlánku (bez zapojení kompenzační krabice). Požadované zesílení je 100. Korigujte případnou chybu metody. Opakujte měření z bodu 1 a). Zjistěte offset zesilovače měřením při komutovaném výstupu termočlánku a korigujte ho. 3. Změřte teplotu pomocí USB modulu s izotermální svorkovnicí. Nepovinná část: Určete rozšířenou nejistotu měření napětí termočlánku (koeficient rozšíření k r = 2) jak pro přímé měření číslicovým voltmetrem, tak pro měření napětí termočlánku po zesílení zesilovačem napětí. Při určení celkové nejistoty typu B měření zesíleného napětí termočlánku uvažujte i nejistotu způsobenou vstupní napěťovou nesymetrií operačního zesilovače. Nejistoty způsobené vstupními klidovými proudy zesilovače zanedbejte. Otázky: 1. Porovnejte výsledky naměřené v jednotlivých bodech. 2. Jaká je teplota kompenzačního spoje ( studeného konce ), na kterou koriguje kompenzační krabice? Dá se to zjistit jednoduchým měřením? 3. Lze nějak kompenzovat offset zesilovače (např. komutací termočlánku)? Teorie Termoelektrické seznory jsou založené na Seebeckovu jevu, tj. na jevu převodu tepelné energie na elektrickou. V každém vodiči, jehož teplota není konstantní, vzniká termoelektrické napětí, prokteré platí du = (T)dT. Omezíme naše uváhy na situaci, kdy vodičem neprotéká žádný proud (a nemůže se tedy uplatnit Thomsonův ani Peltierův jev). Napětí U a,b mezi konci vodiče A, B je potom závislé pouze na rozdílu teploty těchto konců a nikoli průběhu teploty po délce vodiče, přestože vzniká v celé oblasti teplotní změny (to platí, jsou-li vodiče vyrobeny z homogenního materiálu). T A U B, A (T)dT T B Toto termoelektrické napětí opravdu existuje, ale není přímo měřitelné. Spojíme-li ale dva dráty z materiálů s rozdílnými Seebeckovými koeficienty 1 a 2, bude mezi jejich rozpojenými konci B, C napětí T A T C U B,C U B, A U A,C (T)dT 1 (T)dT 2 T B Jestliže jsme schopni konce B a C držet na shodné známé teplotě T B (srovnávací nebo referenční teplota), můžeme T A Str. 1/9
pak tuto dvojici drátů použít k měření teploty spoje A (měřená teplota) a nazýváme ji termočlánkem. Pro napětí termočlánku pak můžeme psát: T A T C T A T A U B,C U B, A U A,C 1 (T)dT 2 (T)dT 1 (T) - 2 (T) dt 12 (T)dT T B T A T B T B V technické praxi se místo relativního Seebeckova koeficientu 12 používá pojmu termoelektrický koeficient α. Napětí termočlánku tedy nevzniká na měřicím spoji, ale v těch místech, kde se mění teplota po délce celého termočlánku až po srovnávací spoj. Je proto třeba dbát na kvalitu celého termočlánku, zejména na homogenitu jeho materiálu. Mezi senzory teploty vynikají termočlánky především velkou odolností a rozsahem měřených teplot. V praxi se využívají různé kombinace kovů, podle použitých materiálů je dle doporučení IEC označujeme velkými písmeny. Různé typy termočlánků se liší rozdílným rozsahem měřitelných teplot a velikostí Seebeckova koeficientu, viz. následující tabulka. Typ TČ Citlivost µv/ C Rozsah měřených teplot Materiál E 68-100 +1000 Chromel-Konstantan J 55 0 760 Železo-Konstantan K 40,8-200 +1370 Chromel-Alumel T 43-160 +400 Měď-Konstantan Jedním z praktických problémů spojených s termočlánky je závislost Seebeckova koeficientu na teplotě, jak je vidět z obrázku 1. Str. 2/9
Obr. 1: Závislost výstupního napětí termočlánku a Seebeckova koeficientu na teplotě[zdroj: www.omega.com, pdf v příloze] V praxi se tento problém řeší několika způsoby. 1) V malém rozsahu teplot se předpokládá, že Seebeckův koeficient je konstantní, 2) Seebeckův koeficient se aproximuje polynomem (viz. obrázek 2), 3) Místo výpočtu ze vztahu se ke zjištění teploty používá tabulka udávaná výrobcem Obr. 2: Polynomy pro výpočet teplot z napětí termočlánku [zdroj: www.omega.com, pdf v příloze] Termočlánky mimo jiné používají i jako zdroje elektrické energie např. v kosmických sondách (Voyager 1 a naposledy Curiosity) se spojením generování tepla radioizotopem. Tyto zdroje vynikají vysokou spolehlivostí a mají dlouhou životnost (u sondy Voyager se odhaduje 80 let, sonda ještě po 35 letech stále pracuje). Kromě kovů se pro výrobu termočlánku mohou použít i polovodiče, které umožňují dosažení vyšších Seebeckových koeficientů (přes 100 mv/ C). Kovové termočlánky se nejčastěji používají k měření teploty, zatímco polovodičové k výrobě elektrické energie. Str. 3/9
Návod Konstanta termočlánků se pohybuje v řádech desítek μv/ C. V úloze je použit termočlánky typu K, J, T a E. Pro výpočet teploty předpokládejte teplotu srovnávacího spoje ( studeného konce ) termočlánku rovnou teplotě v laboratoři, kterou změřte pokojovým teploměrem, případně pomocí modulu AD24USB při skratovaném vstupu). Ad 1) Kompenzační krabice slouží ke kompenzaci termoelektrických napětí srovnávacího spoje. Je tvořena můstkem s teplotně závislým prvkem napájeným ze zdroje stabilizovaného napětí. Pokud se teplota srovnávacího spoje liší od vztažné teploty 0 C, dojde k rozvážení můstku a korekční napětí se přičte k napětí termočlánku. Vzhledem k parametrům obvodu kompenzační krabice je její vnitřní odpor přibližně 250 Ω (a nepatrně se mění s teplotou, viz. obrázek 3), proto je nutné použít k měření přístroje s dostatečně velkým vstupním odporem. Obr. 3: Kompenzační krabice Omega CJ a její vnitřní zapojení Kompenzační krabice použitá ve cvičení je napájena lithiovou baterií. Po ukončení měření je nutné ji vypnout, aby nedocházelo ke zbytečnému vybíjení. Ad 2) Termočlánek je zdrojem napětí s vnitřním odporem. Tento odpor je v řádu jednotek ohmů, tudíž při měření číslicovými voltmetry je tímto způsobená chyba metody velmi malá (vstupní odpor voltmetru 10 MΩ). Při použití zesilovače s OZ závisí jeho vstupní odpor na použitém zapojení. Obr. 4: Přímé měření termočlánku Str. 4/9
Obr. 5: Invertující zesilovač Obr.6: Neinvertující zesilovač Ze schémat je zřejmé, že zatímco u neinvertujícího zesilovače (obr. 5) je vstupní odpor tvořen rezistorem 100 kω, u invertujího zesilovače (obr. 6) je to jen 1 kω. Poznámka: Výrazně vyšší hodnotu R 1 než cca 10 kω nelze použít, protože by pak vycházela příliš velká hodnota odporu R 2, což je nevhodné ze dvou důvodů: 1. na velkém odporu vzniká příliš vysoké šumové napětí 2. příliš se projeví vstupní proudy operačního zesilovače Kontrola vstupní napěťové nesymetrie Vstupní napěťovou nesymetrii invertujícího zesilovače zjistíme změřením výstupního napětí při komutaci měřeného zdroje. Druhým možným způsobem je změřit výstup zesilovače při zkratovaném vstupu. V obou případech je třeba změřené napětí přepočítat na vstup operačního zesilovače, tedy vydělit ho zesílením zesilovače pro napěťovou nesymetrii. Toto zesílení je v případě obou uvedených zapojení rovno 101 (pro odpory R 1 = 1 kω a R 2 = 100 kω a při uvážení skutečnosti, že napětí napěťové nesymetrie je zesilováno neinvertujícím zesilovačem). Ad 3) Použitý USB modul obsahuje A/D převodník a izotermální svorkovnici. Izotermální svorkovnice je opatřena čidlem teploty (v našem případě polovodičovým odporovým senzorem Siemens), které nám umožní přesně změřit teplotu srovnávacího spoje termočlánku a pak tuto teplotu kompenzovat softwarově Ad 4) Pro měření spusťte program AD24Control, který je na ploše. Modul lze použít i pro změření teploty v laboratoři zkratováním vstupu. Parametry použitých přístrojů 1. ruční multimetr Mastech MY-64 Str. 5/9
úplný návod je v příloze. 2. stolní multimetr Agilent U3401A úplný návod je v příloze. 3. Kompenzační krabice OMEGA CJ. Přesnost kompenzace teploty srovnávacího spoje: 0,25 C při 25 C 0,5 C od 15 do 35 C 0,75 C od 10 C do 50 C Napájení: lithiová baterie 3,6 V 4. operační zesilovač OP 07 Str. 6/9
5. USB měřicí modul AD24USB Technické parametry AD část - galvanicky oddělený integrační převodník s programovatelným rozlišením 22 až 26 bitů, 8 diferenčních vstupů nebo 16 SE, vst. rozsah 0-10 V/ ± 5 V, programovatelné zesílení 1 až 128 (1 až 512 pro diferenciální verzi), šum 15 nv šš pro 1 měření/s, expandery pro připojení termočlánků, tenzometrů nebo odporových teploměrů Pt100. DA část - rozlišení 14 bitů, rozsahy 0-5 V(10 V) nebo jako zdroj proudu 0-20 ma (100 ma), Číslicové vstupy/výstupy - 2 dig. vstupy/4 dig. výstupy. Software - driver pro systémy Win95/98/NT/2000/XP/Vista/Win7 a obslužná knihovna v DLL tvaru umožňující obsluhu karty z prostředí Delphi, Visual Basic, C++,LabView atd. Pro LabView rovněž existují VI. Součástí dodávky je rovněž obslužný program AD24control umožňující odměr dat, jejich zobrazení, a uložení na disk. Teplotní kompenzace a linearizace se provádí programově v programu AD24control, který dovoluje i zadání vlastního linearizačního polynomu. Manuál je v příloze nebo ke stažení přímo z http://www.janascard.cz/ Str. 7/9
Návod k obsluze programu AD24Control V menu Configuration zvolte položku Mode, vyberte možnost Continual a položku Time axis length nastavte na přibližně 60 s. Ve stejném jmenu zvolte položku Input a vyberte příslušný vstup pro měřený termočlánek. Termočlánky jsou připojeny ke vstupům 0, 2, 4 a 5, číslováno po směru hodinových ručiček. Vždy měřte pouze s jedním připojeným termočlánkem! Dále v menu Mathematics zvolte možnost Thermocouple, čímž zapnete výpočet teploty, Program bude jinak jen měřit napětí. Str. 8/9
V menu Input vyberte položku Input X, na kterou je připojen měřený termočlánek. V části Range nastavte nejvyšší citlivost, tedy 78 mv. V části Display můžete vybrat typ zobrazení ve formě textového okna, nebo grafu. Stiskněte tlačítko Thermocouple a vyberte typ termočlánku. Samotné měření spustíte kliknutím na Start ve stavovém řádku hlavního okna, nebo stisknutím F2. Měření ukončíte stisknutím F3. Str. 9/9