MĚŘENÍ TEPLOTY TERMOČLÁNKY Úkoly měření: 1. Změřte napětí termočlánku 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. 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)? Návod Konstanta termočlánků se pohybuje v řádech desítek μv/ C. V úloze je použit termočlánek typu K (chromel-alumel), jehož konstanta je 40,8 μv/ C. Pro výpočet teploty předpokládejte teplotu srovnávacího spoje ( studeného konce ) termočlánku rovnou teplotě v laboratoři, kterou změřte pokojovým teploměrem.). 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. obr. 1), proto je nutné použít k měření přístroje s dostatečně velkým vstupním odporem.
Obr. 1: 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. 1: Přímé měření termočlánku Obr. 2: Invertující zesilovač Obr. 3: Neinvertující zesilovač Ze schémat je zřejmé, že zatímco u neinvertujícího zesilovače (obr. 3) je vstupní odpor tvořen rezistorem 100 kω, u invertujího zesilovače (obr. 4) 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 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 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/ Návod k obsluze programu AD24Control V menu Configuration zvolte položku Mode, vyberte možnost Continual a položku Time axis length nastavte na přibližně 60 s. Dále v menu Mathematics zvolte možnost Thermocouple, čímž zapnete výpočet teploty, Program bude jinak jen měřit napětí.
V menu Input vyberte položku Input 0, na který je připojen 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 termočlánek typu K. Samotné měření spustíte kliknutím na Start ve stavovém řádku hlavního okna, nebo stisknutím F2. Měření ukončíte stisknutím F3.