DYNAMICKÉ CHARAKTERISTIKY ELEKTRICKÝCH TEPLOMĚRŮ DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ELEKTRICAL THERMOMETERS

DYNAMICKÉ CHARAKTERISTIKY ELEKTRICKÝCH TEPLOMĚRŮ DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ELEKTRICAL THERMOMETERS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS

AUTOR PRÁCE

MARIÁN TIŽEK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2007

ING. DANIEL ZUTH

Strana 3

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

Strana 5

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

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.

Strana 9

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

Strana 10

OBSAH

1. Úvod............................................................................................................................................13 1.1 Dynamické charakteristiky snímačů...........................................................................13 1.2 Diferenciální rovnice..................................................................................................14 1.3 Přechodová charakteristika.........................................................................................16 1.4 Rychlostní lineární charakteristika.............................................................................18 1.5 Frekvenční charakteristika..........................................................................................19 2. Teploměry elektrické.................................................................................................................23 2.1 Teploměry odporové....................................................................................................23 2.1.1 Teploměry odporové kovové.........................................................................25 2.1.2 Teploměry odporové polovodičové...............................................................29 2.2 Teploměry termoelektrické..........................................................................................33 3. Sériové rozhraní RS232.............................................................................................................39 3.1 Mechanické provedení RS232....................................................................................40 3.2 Programové ovládání RS232......................................................................................41 4. Realizace laboratorní úlohy.....................................................................................................45 4.1 Co je Delphi................................................................................................................45 4.2 Ovládání vytvořeného programu................................................................................47 4.3 Digitální Multimetr.....................................................................................................49 4.3.1 Přenos dat....................................................................................................49 4.4 Návrh laboratorní úlohy..............................................................................................51 4.5 Vzorový protokol........................................................................................................53 5. Závěr..........................................................................................................................................57 Použitá literatura

Strana 13

1. 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

Y Snímač 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

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

∆ys

t

∆yd φ 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 :

an y n + an−1 y n−1 + ... + a2 &y& + a1 y& + a0 y = x kde :

(1)

an – a0 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

Strana 15

Jednoduchý teplotní snímač, popsaný rovnicí : . Ttϑt + ϑt = ϑp

(2)

Platí, že časový průběh údaje teploměru ϑt při změně teploty prostředí ϑp z počáteční teploty ϑ0 na konečnou hodnotu ϑk skokem ( Obr.3 a) ), bude popsán rovnicí : ϑt = ∆ ϑ0 ( 1-e-t/Tt ) kde:

(3)

∆ ϑ0 = ( ϑk − ϑ0 ) je teplotní skok prostředí Tt (s) = časová konstanta teplotního snímače

Časová konstanta snímače Tt udává čas, za nějž dosáhne údaj teploměru ϑt 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 tu k době náběhu tn , a to : a) pro tu / tn ≤ 0,1 se provede náhrada diferenciální rovnicí druhého řádu s různými časovými konstantami Tt1 a Tt2 b) pro tu / tn >0,1 se provede náhrada diferenciální rovnicí vyššího řádu ( n-tého ) se společnou časovou konstantou Tt . Řád náhradní rovnice se určí z Tab.1 podle velikosti poměru tu / tn .

Strana 16

Tab.1 Závislost řádu diferenciální rovnice na poměru tu / tn

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 :

(4)

a1 y& + a0 y = x Po zavedení časové konstanty T1 =

a1 1 a zesílení k = a0 a0

T1 y& + y = kx

bude rovnice ve tvaru:

(5)

Řešení této rovnice udává přechodovou charakteristiku : −t   y = k ⋅ 1 − e T   

(6)

Strana 17

a její grafický průběh je znázorněn na Obr.5 a) . Charakteristika má exponenciální průběh. Časová konstanta ( T=a1/a0 ) 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 : −t −t   T y d = y − x = k ⋅ 1 − e  − k = ke T  

kde :

t

(7)

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 ( tu ), pak považujeme tu, která dosáhne 95% hodnoty změny. Tyto charakteristiky jsou obzvláště typické pro přístroje na měření teploty. t/T1 y yd

0 0 1

1 0,632 0,368

2,303 0,900 0,100

3 0,950 0,050

4,606 0,990 0,010

6,909 0,999 0,001

∞ 1 0

Tab.2 Hodnoty dynamických chyb Přechodová charakteristika přístrojů, které jsou popsány diferenciální rovnicí 2. řádu : (8)

a2 &y& + a1 y& + a0 y = x po zavedení konstant upravíme vzorec (8) na :

T22 &y& + T1 y& + y = kx kde :

T2 =

y

tu

(9)

a2 a 1 , T1 = 1 , k = a0 a0 a0

y

T 1.05 1 0.95

D=1 D›1 63.2% t Obr.5 a) přechodová charakteristika

t b) průběhy výstupních veličin

Strana 18

Abychom našli snadnější řešení charakteristické rovnice ,přepíšeme rovnici (9) pomocí nových konstant T1 a T 2 .

T1 = 1

ω kde :

ω0 D

2 0

2D

T2 =

ω0

+

2D

ω0

1

(10)

ω0

(11)

y& + y = kx

je kruhová frekvence netlumeného kmitání je činitel tlumení

Tato diferenciální rovnice má tři řešení, vyplývající z hodnot kořenů λ1,2 charakteristické rovnice. Pro : D < 1 jsou λ1,2 = α ± j. ω D = 1 jsou λ1 = λ2 = λ D > 1 jsou λ1 ≠ λ2 kde :

y = (C1 cos ωt + C 2 sin ωt )e −αt + k λt 2

y = (C1 + C2t )e + k y = C1e λ1t + C2 e λ2t + k

(12) (13) (14)

C1 a C2 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 yd = y – x a budou pro : pohyb slabě tlumený yd = (C1 cos ωt + C 2 sin ωt )eαt (15) pohyb kritický pohyb aperiodický

yd = (C1 + C2 )e λt λ1t

yd = C1e + C2 e

2

λ2t

(16) (17)

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.

Strana 19

ϑc = v ⋅ t kde :

[°C]

(18)

t je čas [s] v = konst.

Změna měřených hodnot na teploměru (diferenciální rovnice 1. řádu) je závislá od rovnice (6) −t      ϑt = v ⋅ t − T1 1 − e T1      

(19)

Dynamická chyba měření teploty :

    1    t  ∆ϑd = ϑt − ϑc = v ⋅ t − T1 1 − exp −   − v ⋅ t = v ⋅ T1 1 − exp −   T1    T1    

(20)

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 : n

∆d max = −v ⋅ ∑ Ti ; ∆d max = −v ⋅ n ⋅ Ti

(21)

i =1

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.

Strana 20

m&y& + by& + cy = x0 sin ωt kde :

m b c x0 ω y

(22)

je hmotnost je tlumicí konstanta je konstanta pružiny je budicí amplituda je budicí kruhová frekvence je odezva přístroje na budicí signál

Řešením rovnice (22) po odeznění vlastních kmitů je :

y = y0 sin (ωt + ψ ) kde :

(23)

y0 je výstupní amplituda ψ je fázový posuv

Porovnáme-li výše uvedené rovnice zjistíme, že výstupní amplituda y0 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 :

[(

x0 = m −1 ⋅ 1 − η 2 y0

) + (2ϑ ⋅η ) ] 2

2

−

1 2

(24)

a úhel fázového posuvu ψ :

ψ =− kde :

η=

arctg 2ϑη 1 −η 2

(

)

(25)

ω je poměr kruhových frekvencí ω0

ϑ

ω02 =

je poměrný útlum

c 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 y0/x0. 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 :

Strana 21

t=

ψ ω

(26)

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 :

r y0 y0 sin (ωt + ψ ) y0 exp( jωt + ψ ) S ( jω ) = r = = = A ⋅ exp( jψ ) x0 x0 sin ωt x0 exp( jωt ) kde :

(27)

r r y a x jsou vektory vstupní a výstupní veličiny j A

je imaginární jednotka je poměr amplitud y0 a x0

Abychom mohli graficky znázornit rovnici (27) v komplexní ( Gaussově ) rovině, musíme přenos rozdělit na reálnou a imaginární část :

S ( jω ) = P(ω ) + jQ(ω )

x/xstat

(28)

x/xstat

a)

Ω/ωη

b)

Obr.6 Frekvenční charakteristiky

A 1 0.6

η Pracovní oblast

1

Obr.7 Frekvenční charakteristika

Ω/ωη

Strana 22

Přenos přístrojů, jež jsou popsány diferenciální rovnicí druhého řádu, v oboru komplexních čísel je dán rovnicí :

S ( jω ) = z

1 −η 2

(1 − η ) + (2δη ) 2 2

2

+ jz

2δη

(1 − η ) + (2δη ) 2 2

2

(29)

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 1 + jωT1

(30)

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 Ai

a)

Re ψ

Rov. 1řádu Ai

Re

ψ

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.

Strana 23

2. 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*I2

(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.

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 + 961° C ( rozmezí mezi trojným bodem vodíku a bodem tuhnutí stříbra ).

Obr.9 Teplotní závislost odporových kovových teploměrů

Obr.10 Nelinearita Pt 100

Strana 25

Tuto skupinu teploměrů můžeme dále rozdělit na teploměry : -

kovové polovodičové polykrystalické monokrystalické

2.1.1 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 0 – 100°C: α = 1/R0 * ∆R/∆t kde:

(33)

α je teplotní koeficient odporu ∆R = R100 – R0 je odpor při 0°C R0 R100 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 : Rt = R0 ( 1+ αt ) kde:

Rt R0 α t

(34)

je elektrický odpor vodiče při měřené teplotě je elektrický odpor vodiče při referenční teplotě 0°C je průměrný teplotní koeficient odporu 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 : Rt = R0 ( 1+ At + Bt2 ) kde:

A a B jsou konstanty odporového materiálu

(35)

Strana 26

V oblasti záporných teplot Celsiovy stupnice, platí vztah : Rt = R0 ( 1+ At + Bt2 + C( t – 100 )t3 ) kde:

(36)

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 + 650 až do + 800 °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 R100 / R0 ), 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 R100 , 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. Třída přesnosti A

Třída přesnosti B

Odchylka

Odchylka

Teplota -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 650 700 800 850

Ω ±0,24 ±0,14 ±0,06 ±0,13 ±0,20 ±0,27 ±0,33 ±0,38 ±0,43 ±0,46

°C ±0,55 ±0,35 ±0,15 ±0,35 ±0,55 ±0,75 ±0,95 ±1,15 ±1,35 ±1,45

Ω ±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

°C ±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 R100 , se vyrábějí i se základní hodnotou odporu 200, 500,1000 a 2000 ohmů.

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 R0 = 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 R0 , 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.

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 RS se naměří odpor o něco větší. Předpokládejme stejnou délku obou přívodních vodičů a jejich stejnou homogenitu, s ohledem na fyzikální vlastnosti , pak Rv1 = Rv2 = Rv , celkový odpor přívodních vodičů Rc bude : Rc = 2Rv + Rn kde :

Rv Rn

(37)

je odpor přívodního vodiče 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 :

R1 = R2 = R R3 = Rs0 + 2 x Rv0 + Rn kde :

Rs0 Rv0

(38)

je nominální odpor snímacího prvku při teplotě 0°C je odpor přívodního vodiče při teplotě 0°C

Při neznámé teplotě t se dá velikost výstupního napětí Uv vypočítat podle vztahu:

UV = A ⋅ U S

kde :

Us ∆Rs

∆RS + 2∆RV R  ∆R  ∆RS + 2∆RV + R + R3  S + 3 + 2  R  R 

je napájecí napětí můstku je změna odporu snímacího prvku při změně teploty z 0°C na měřenou teplotu t

(39)

Strana 29

∆Rv 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 Rv1 a Rv4 se ze zdroje přivede konstantní proud Is. Na vývodech Rv2 a Rv3 se snímá úbytek napětí. Z Ohmova zákona potom vyplývá, že : Rs = Uv /Is kde :

Rs Uv Is

(40)

je naměřený odpor snímače teploty je odčítaný úbytek napětí je přivedený konstantní proud

2.1.2 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

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 :

R = R0 e kde:

R R0 B

 1 1 B −  T T0 

    

(41)

je odpor termistoru při teplotě T je odpor termistoru při teplotě T0 je materiálová konstanta

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 = R0 (1 - αT (T – T0)) kde:

αT

(42)

je teplotní koeficient odporu termistoru pro který platí : αT = -B/T02

(43)

Negastor se vyrábí práškovou technologií ze směsi oxidů kovů (Fe2O3 +TiO2, 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

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 ( BaTiO3 ). 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 tj, při které se odpor skokem zvětší. Pro oblast nárůstu odporu platí vztah :

R = R0 e kde:

R0 A

At j

(44)

je odpor termistoru při teplotě T0 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.

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 Te1 až Te4 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; R0= 1645,27 Ω; W100= 1,9898 a Im= 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 = R0 + k(J - J0)2 kde:

R0 k

je odpor při vztažné teplotě υ0 k = 2,7931 *10-2

(45)

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.

Strana 34

2. 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 : UTe = α*∆T kde:

UTe α ∆T

(46)

je termoelektrické napětí, generované termočlánkem je koeficient úměrnosti (Seebeckův koeficient) 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 :

n

t = ∑ ai ⋅ U tei i =0

kde:

t

ai U tei n

je neznámá teplota je příslušný koeficient (pro daný typ termočlánku) je termoelektrické napětí, naměřené na termočlánku je řád polynomu

(47)

Strana 35

Typ J

K

T

E

Roz 0°C až 760°C 0°C až 370°C -160°C až 0°C . a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9

-0,048868252 19873,14503 -21864,5353 1156199,78 -264917531,4 2018441314

0,226584602 24152,10900 67233,4248 2210340,683 -860963914,9 4,83506*1010 -1,18452*1012 1,38690*1013 -6,33708*1013

0,100860910 25727094369 -767345,8295 78025595,81 -9247486589 6,97688*1011 -2,66192*1013 3,94078*1014

R

S

-100°C až 1000°C 0°C až 1000°C 0°C až 1750°C 0,104967248 17189,45282 -282639,0850 12695339,5 -448703084,6 1,10866*1011 -1,76807*1011 1,71842*1012 -9,19278*1012 2,06132*1013

0,26362917 179075,491 -48840341,37 1,90002*1010 -4,82704*1012 7,62091*1014 -7,20026*1016 3,71496*1018 -8,03104*1019

0,927763167 169526,5150 -31568363,94 8990730663 -1,63565*1012 1,88027*1014 -1,37241*1016 6,17501*1017 -1,566105*1019 1,69535*1020

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.

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 U1 , které vzniká v bodě J1 s teplotou tJ1 . Tím, že jsme připojili voltmetr, jsme ovšem vytvořili dva nové spoje J2 a J3. Jestliže spoj J3 je materiál měď-měď, nevzniká v něm žádné přídavné termoelektrické napětí. Ve spoji J2 ( měď-konstantan ) s teplotou tJ2 se vytváří přídavné termoelektrické napětí U2. Voltmetrem pak naměříme výsledné termoelektrické napětí U = U1 – U2, které je úměrné rozdílu teplot bodů J1 a J2. Logicky správným postupem je vložení bodu J2 do prostředí s teplotou 0°C. Tím by se bod J2 stal referenčním bodem nebo studeným spojem. Následně změříme voltmetrem napětí, které odpovídá naměřené teplotě bodu J1. Nyní můžeme na voltmetru odečítat napětí podle Obr.22 a) .

U = (U 1 − U 2 ) = α (t J 1 − t J 2 )

(48)

Jestliže na místo teploty tj ve stupních Celsia, budeme používat teplotu Tj v Kelvinech, pak

T j (K ) = t j (°C ) + 273,15

(49)

Nyní můžeme na voltmetru v tomto případě odečítat elektromotorické napětí :

U = U 1 − U 2 = α [(TJ 1 + 273,15) + (TJ 2 + 273,15)] = α (TJ 1 − TJ 2 ) = α (TJ 1 − 0 ) = αTJ 1

(50)

Fakt, který zdůrazňuje tento úplný výpočet, že termoelektrické napětí U2, které vzniká v bodě J2 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

Strana 37

napětí žádný vliv, pokud mají jeho připojovací body ( v tomto případě J4 a Jref ) 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 ( J3 a J4 ), 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 J3 a J4 mají stejnou teplotu. Absolutní teplota izotermického bloku není důležitá, protože oba spoje J3 a J4 působí proti sobě. Proto je termoelektrické napětí, naměřené na voltmetru, úměrné rozdílu teplot bodu J1 a referenčního bodu. Nahradíme-li ledovou lázeň dalším izotermickým blokem, dostaneme zapojení podle Obr.22 d) . Tento blok budeme udržovat na referenční teplotě Tref. Jestliže body J3 a J4 mají stále stejnou teplotu, naměřené elektromotorické napětí se nezmění.

a)

c)

b)

d)

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.

Strana 39

3. 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) Obr.23 a) třídrátový nulový modem

b) b) úplný nulový modem

Strana 40

3.1 Mechanické provedení RS 232

Mechanické provedení rozhraní RS 232 používá buď konektor CANNON s 25 špičkami nebo s 9 špičkami Obr.24. V praxi se obvykle nevyužívají všechny signály tohoto rozhraní. Nejčastěji se sériové rozhraní RS 232 užívá ve střední variantě. Zde jsou k dispozici prostředky pro zjištění stavu přenosu dat a kontrolu správnosti provedeného přenosu. Je nezbytné ji použít v případech, kdy sériového rozhraní využíváme také k ovládání stavu měřicího přístroje. Výrobci přístrojů často nerespektují toto doporučení a používají svoje speciální zapojení. To má za následek, že jak ovládací program, tak propojovací kabel není kompatibilní ani s jednou standardní variantou a v případě potřeby sestavení vlastního programu pro ovládání daného přístroje se jedná o velmi nepříjemnou situaci.

PIN 1 2 3

4 5 6 7 8 9-19 20 21 22 2325

Cannon 25 NÁZEV SMĚR POPIS SHIELD --Shield Ground --> TXD Transmit Data RXD <-Receive Data --> RTS Request to Send <-CTS Clear to Send <-DSR Data Set Ready --GND System Ground <-CD Carrier Detect N/C Data Terminal --> DTR Ready N/C <-RI Ring Indicator N/C

-

Cannon 9 PIN NÁZEV SMĚR POPIS <-1 CD Carrier Detect <-2 RXD Receive Data --> 3 TXD Transmit Data --> 4 DTR Data Terminal Ready --5 GND System Ground <-6 DSR Data Set Ready --> 7 RTS Request to Send <-8 CTS Clear to Send <-9 RI Ring Indicator

-

Obr.24 Zapojení konektoru Cannon 25 a Cannon 9

RS 232 používá dvě napěťové úrovně. Logickou 1 a 0. Log. 1 je někdy označována jako marking state nebo také klidový stav, Log. 0 se přezdívá space state ( Obr.25 ). Logická 1 je indikována zápornou úrovní, zatímco logická 0 je přenášena kladnou úrovní výstupních vodičů.

Strana 41

Obr.25 Logické úrovně RS 232 Povolené napěťové úrovně jsou uvedeny v tabulce 5 . Nejběžněji se pro generování napětí používá napěťový zdvojovač z 5 V a invertor. Logické úrovně jsou potom přenášeny napětím +10 V pro log. 0 a –10 V pro log. 1. Datové signály Úroveň

Vysílač

Přijímač

Log. L Log. H Nedefinovaný

+5 V to +15 V -5 V to -15 V

+3 V to +25 V -3 V to -25 V -3 V to +3 V

Řídící signály Signál

Driver

Terminátor

"Off" "On"

-5 V to -15 V 5 V to 15 V

-3 V to -25 V 3 V to 25 V

Tab.5 Povolené napěťové úrovně Všechny výstupy jsou odolné proti zkratu a mohou dodávat proud až 10 mA. Díky tomu mohou přímo budit diody LED nebo výkonové stupně. Kromě toho je možné z výstupů sériového rozhraní odebírat i napájecí napětí pro menší zapojení. Protože obvyklé vstupní obvody v PC rozeznávají napětí pod 1.0V jako L a napětí nad 1,25 V jako H (TTL logika), elektrické charakteristiky vstupů umožňují pracovat i s těmito úrovněmi logických napětí. Vzhledem k paralelnímu portu Centronics je RS 232 velmi bezpečné proti neúmyslnému zničení a je možno k němu připojovat přístroje i při zapnutém PC. 3.2 Programové ovládání RS 232 V PC jsou obvykle k dispozici dva sériové porty COM1 a COM2 ( připojíme-li kartu rozhraní, pak rozšíříme počet o - COM3 a COM4 ). V operačním systému Windows jsou pro komunikaci rozhraní RS 232 standardně používány následující bázové I/O adresy: COM1 COM2

3F8H 2F8H

COM3 COM4

2E8H 3E8H

Každý port je řízen prostřednictvím 7 registrů, které jsou programově přístupné přes jednu bázovou (BA) a 6 ofsetových adres (BA+1, …,BA+6).

Strana 42

Registr řízení modemu, jehož pomocí nastavujeme řídicí signály DTR a RTS, je přístupný na adrese BA+4. Při inicializaci je nutné do tohoto registru poslat číslo 3. Pomocí tohoto registru lze pak programově nastavovat pomocné linky DTR (bit 0) a RTS (bit 1). D7

D6

D5

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

D4

D3

D2

D1

D0 1

1 1 1 1

Aktivní DTR

Aktivní RTS

Aktivní OUT 1

Aktivní OUT 2

Zpětnovazební testovací smyčka

Obr.26 Registr Registr stavu modemu (přístroje), je přístupný na adrese BA+6. Pokud máme v daném programovém prostředí nástroje pro zápis a čtení obsahu adres příslušných registrů, je nutnost při programování využít právě tohoto přístupu. Význam jednotlivých signálů rozhraní RS 232 je zřejmý z následující tabulky. signál

popis

DCD - Data Carrier Detect

Detekce nosné (někdy jen "CD). Modem oznamuje terminálu, že na telefonní lince detekoval nosný kmitočet.

RXD - Receive Data

Tok dat z modemu (DCE) do terminálu (DTE).

TXD - Transmit Data

Tok dat z terminálu (DTE) do modemu (DCE).

DTR - Data Terminal Ready

Terminál tímto signálem oznamuje modemu, že je připraven komunikovat

SGND - Signal Ground

Signálová zem

DSR - Data Set Ready

Modem tímto signálem oznamuje terminálu, že je připraven komunikovat

RTS - Request to Send

Terminál tímto signálem oznamuje modemu, že komunikační cesta je volná

CTS - Clear to Send

Modem tímto signálem oznamuje terminálu, že komunikační cesta je volná

RI - Ring Indicator

Indikátor zvonění. Modem oznamuje terminálu, že na telefonní lince detekoval signál zvonění

Tab.6 Význam signálů RS 232

Strana 43

Důležitými charakteristikami portu RS 232 jsou přenosová rychlost, datové bity, stop bity a parita. Přenosová rychlost v bit/s je dána děličem vstupní frekvence 1,8432 MHz. Při inicializaci PC je standardně nastavena na 9,6 kb/s, což odpovídá přenosové rychlosti levných měřicích přístrojů pro přenos malých objemů dat. RS 232 používá asynchronní přenos informací. Každý přenesený byte konstantní rychlostí je proto třeba synchronizovat. K synchronizaci se používá sestupná hrana tzv. Start bitu ( Obr.27 ). Za ní již následují posílaná data ( Obr.28 ).

Obr.27 Synchronizace RS 232

Obr.28 Tvar dat Stop bity indikují konec komunikace při přenosu jednoho ASCII znaku. Standardně se používá 1, 1,5 nebo 2 bity. Komunikace při přenosu dat musí probíhat v přesných časových intervalech. Protože každé zařízení má svůj časovací generátor, může být časová synchronizace mírně narušena. Proto stop bity nejen indikují konec přenášeného paketu, ale také dávají prostor pro časovou korekci synchronizace přenosu dalšího paketu. Parita je nejjednodušší způsob jak bez nároků na výpočetní výkon zabezpečit přenos dat. Ve vysílacím zařízení se sečte počet jedničkových bitů a doplní se paritním bitem tak, aby byla zachována předem dohodnutá podmínka sudého nebo lichého počtu jedničkových bitů. SUDÁ PARITA – Počet jedničkových bitů + paritní bit = SUDÉ ČÍSLO LICHÁ PARITA – Počet jedničkových bitů + paritní bit = LICHÉ ČÍSLO SPACE PARITY – Tzv. nulová parita – paritní bit je vždy v log. 0, používá se například při komunikaci s 7bitového zařízení s 8bitovým, kdy paritní bit nahrazuje tvrdou log. 0 poslední bit v byte, tím je zachována kompatibilita s 8bitovým přenosem. MARK PARITY - Paritní bit je nastaven tvrdě na log. 1, při kompenzaci 7bitového provozu je třeba jej na přijímací straně nulovat, jinak není kompatibilní s ASCII. Při programování přenosu dat přes sériový port čteme resp. nastavujeme prostřednictvím bázové a ofsetových adres příslušných portů registry integrovaného obvodu těchto portů. Pokud jsme znali binární charakteristiky bázové adresy a ofsetových adres daného zařízení, prostřednictvím těchto příkazů bylo možno zajistit řízení daného zařízení i obousměrný přenos dat. Pod Windows 3.1 byla omezení ještě poměrně malá, takže je bylo možno snadno obejít a např. programovací jazyk Delphi 1, vyvinutý pro prostředí Windows, měl příkaz PORT. Ve vyšších

Strana 44

verzích operačního systému Windows je programování nastavení rozhraní RS 232 a přenosu dat řešeno v podstatě dvojím způsobem : a) Využijeme nějaké DLL knihovny funkcí a procedur ( Dynamic Link Library ). b) Programové prostředí takový typ knihovny již obsahuje a na její funkce a procedury se odkazujeme jako na interní nástroje tohoto prostředí ( programovací prostředí LabView ). Ukázka připojení portu z mého programu pro laboratorní úlohu vytvořeného v Delphi 5 : procedure TForm1.RxSwitch1On(Sender: TObject); var Com: String; CommConfig:TCommConfig; Len:DWord; begin // pripoj port Com := 'COM'+IntToStr(ComComboBox.ItemIndex+1); PortHandle := CreateFile(PChar(Com), GENERIC_READ or GENERIC_WRITE, 0, Nil, OPEN_EXISTING, 0, 0); if PortHandle <> INVALID_HANDLE_VALUE then begin GetCommConfig(PortHandle,CommConfig,Len); CommConfig.dcb.BaudRate:=CBR_1200; CommConfig.dcb.Parity:=windows.NOPARITY; CommConfig.dcb.ByteSize:=7; CommConfig.dcb.StopBits:=TWOSTOPBITS; SetCommConfig(PortHandle,CommConfig,Len); EscapeCommFunction(PortHandle,CLRRTS); EscapeCommFunction(PortHandle,SETDTR); PurgeComm(PortHandle,PURGE_TXABORT or PURGE_RXABORT or PURGE_TXCLEAR or PURGE_RXCLEAR); GetPortStatus; // signalizace připojení portu Label1.Caption:='Připojeno'; Label1.Font.Color:=clRed; ComComboBox.Enabled:=False; SimpleGroupBox.Enabled:=true; GroupBox2.Enabled:=true; end else begin ShowMessage('Nelze se pripojit k portu "COM'+IntToStr(ComComboBox.ItemIndex+1)+'"'); end; end;

Strana 45

4. Realizace laboratorní úlohy Pro vypracování praktického měření v této bakalářské práci jsem zvolil vývojové prostředí Delphi 5, v němž jsem vytvořil program, který načítá měřené údaje z portu COM, poté je zpracovává a vykresluje přechodové charakteristiky teploměru Pt100. Delphi 5 je sice starší verzí tohoto vývojového prostředí, ale vytvořilo mi kompromis mezi prací doma na programu a prací ve školní laboratoři. Ve školní laboratoři je k dispozici DELPHI 7 a doma vlastním DELPHI 5. Tyto verze jsou sice kompatibilní, ale z novější na starší verzi. V opačném případě nastávají problémy a komplikace. Program je přiložen na CD v bakalářské práci. Podmínky za kterých lze tento program spustit a provozovat jsou : hardware – Pentium I. a vyšší, operační systém – Windows XP 4.1 Co je DELHI Stručně řečeno DELPHI je vývojový prostředek nové generace, který v sobě spojuje silnou sadu vizuálních nástrojů pro tvorbu všech částí aplikace s výkonným kompilátorem a unifikovaným přístupem k databázovým zdrojů. Architektura DELPHI je založena na objektově orientovaném modelu s nově pojatými komponentami. Tento produkt představuje určitý mezník v oblasti vývojových nástrojů. Koncepce DELPHI je více méně unikátní né v tom, co přináší, ale jak to integruje v jednom produktu. Každá další verze pak přinesla významná vylepšení . Dosavadní nástroje totiž nabízely : a) prostředky založené na klasických programovacích jazycích ( většinou C/C++ ), které nabízely rychlý výkonný kód ( pravé EXE moduly ) a univerzální přizpůsobivost libovolnému druhu aplikace, ale tvorba aplikace i při využití poskytovaných knihoven objektů a funkcí byla náročná a zdlouhavá. b) prostředky orientované na vizuální nástroje tvorby a rychlý návrh prototypu ( tzv.4GL tools ) vytvářejí interpretovaný pseudokód, který i na současném hardware často způsobuje problémy s výkonem, a omezení na určité třídy úloh. DELPHI však kombinuje prakticky všechny výhody obou tříd nástrojů a přidává k tomu plně komponentní architekturu objektů, transparentní podporu všech databázových zdrojů + škálovatelnost od tzv. jednopécéčkové aplikace po celopodnikové systémy , podporu řady standardů ( např. VBX resp. OCX, DDE, OLE, multimédia ) a mimořádnou otevřenost. Produkt tak lze snadno rozšiřovat nejen o další komponenty, experty, šablony ale i další nástroje. Současně tím sleduje obecné základní trendy vývoje software – co nejkratší doba návrhu, co nejrychlejší výsledek a co možná největší znovupoužití již existujícího kódu. Dobré zvládnutí vývojového prostředí a to včetně různých zkratek a variant, je důležitým předpokladem skutečně efektivního vývoje aplikací, přestože je velmi intuitivní a základy by uživatel znalý práce ve Windows měl pochopit velmi rychle. Prostředky nejdůležitější pro vývoj aplikace se objevují vždy po spuštění Delphi. Vizuální návrh aplikace se odehrává v okně Form Designeru ve spolupráci s Object Inspectorem, který slouží ke změně parametrů komponent ( ty jsme si mohli vybrat v Component Pallete ) a Delphi ihned generuje příslušný kód, který je vidět v okně ( Code ) Editoru. Žádný program, pochopitelně i zde, se neobejde bez menu a nástrojové lišty ( zde nazývané SpeedBar ). Další prvky nejsou viditelné po spuštění, aktivují se v případě potřeby nebo další volbou. Ke správě projektů nám slouží Project Manager. Abychom nemuseli vždy začínat od začátku, můžeme použít předdefinované,nebo své vlastní, šablony a formuláře ( Project, Form Templates ). Nebo můžeme použít Form Experts, kteří na základě našich odpovědí vygenerují často podstatnou část aplikace. Nemůžeme opomenout Object Browser, který slouží k zobrazování a zkoumání objektů. Ve zdrojovém kódu dokáže vyhledat příslušné deklarace a odkazy na ně.

Strana 46

Obr.29 Delphi 5 Po spuštění Delphi 5 se nám zobrazí okno podle Obr.29. Pokud ne tak vybereme nabídku File a zvolíme New Aplication, po té už máme vše potřebné k tomu, abychom mohli vytvořit náš program. Do formuláře Form1 – samostatné okno – vkládáme různé komponenty, které vybereme v Component Pallete. Nejběžnější jsou různá tlačítka, nápisy, menu a jiné komponenty, které chceme mít v našem programu, v paletě Standard. V podstatě kam je vložíme tam budou po pozdější kompilaci programu. Vlastnosti těchto komponent tj. různé nastavování, velikostí, barev atd. najdeme v okně Object Inspectoru v záložce Properties a jejich reakce resp. události v záložce Evenst. Samozřejmě podle naší budoucí aplikace resp. programu najdeme potřebné komponenty i v jiných paletách než Standard např. Additional, Win32, System, Data Access atd. Zdrojový kód samotného budoucího programu píšeme do okna Unit1, kde se nám po vložení různých komponent ve formuláři Form1 a následném dvojkliknutí na tuto komponentu objeví část programu, která se má provést na základě této komponenty. Při programování v Unit1 používáme standardních Pascalovských příkazů, smyček, procedur a pokud provádíme něco špatně, nebo nesprávně formulujeme příkazy, tak při následné kompilaci nás na toto Delphi upozorní chybou s následným místem chyby. Na kompilaci hotového programu, nebo její části, nám slouží zelená šipka nebo volba Run ( tlačítko F9 ), která nám z našeho programu vytvoří soubor s příponou .exe ( tento soubor je již nadále samospustitelný ve Windows a nepotřebuje žádný jiný typ souboru ). Samozřejmě tak jako jinde při programování tak i tady je dobré po nějakém dalším zásahu do našeho programu ( při vložení dalších komponent ) si náš program postupně ukládat. Delphi používá v době návrhu soubory s příponou DPR, PAS, DFM, RES, DOF. Při ukládání novější verze jsou staré verze nahrazeny soubory s příponou ~dp, ~pa, ~df. O Delphi by se dalo psát opravdu velmi mnoho, ale to není tématem této Bakalářské práce.

Strana 47

4.2 Ovládání vytvořeného programu

Odpor elektr.vedeni v ohmech – zadávání hodnoty elektr.odporu přívodních vodičů k Pt100 Výběr portu

- zobrazuje aktuálně vybraný port pro připojení multimetru

připojit

- připojí aktuálně vybraný port, úspěšné připojení je indikováno nápisem: Připojeno

rozpojit

- odpojí aktuálně vybraný port, odpojení je indikováno nápisem: rozpojeno

časovač

- zadání číselné hodnoty v milisekundách, jak často odesílat měřenou veličinu - nepřetržitě , měření resp.kreslení do grafu se provádí max.dobu tj.780 s - počet cyklů měření , zadání číselné hodnoty pro daný počet cyklů pozn. nejedná se o délku doby měření

Délka měření

Start!

- po stisku tlačítka Start! ( toto tlačítko se přemění na tlačítko Stop! ) se začne vykreslovat graf a zobrazí se hodnota odporu ,teploty, paměti..

Stop!

- po stisku tlačítka Stop! ( toto tlačítko se přemění na tlačítko Start! ) se měření a vykreslování grafu zastaví

Uložit měření

- po stisku tlačítka Uložit měření se zobrazí nabídka pro uložení textového dokumentu s naměřenými hodnotami, ukládej ve tvaru *.txt

Tisk měření

- po stisku tlačítka Tisk měření se vytiskne, je-li připojena tiskárna, dokument s naměřenými hodnotami

Smazat paměť

- po stisku tlačítka Smazat paměť se smaže obsah paměti multimetru

Číst paměť

- po stisku tlačítka Číst paměť se přečte obsah paměti multimetru

Číst hodnotu

- po stisku tlačítka Číst hodnotu se přečte aktuální hodnota paměti multimetru vysílaná do PC

Smazat graf

- po stisku tlačítka Smazat graf se vymaže graf do původní podoby

Uložit graf

- po stisku tlačítka Uložit graf se zobrazí nabídka uložení grafu , ukládej ve tvaru *.bmp

Barva křivky

- volba barvy křivky v grafu

Strana 48

Všechny tlačítka v programu lze ovládat i pomocí kláves, písmeno klávesy je podtrženo. Po spuštění programu musíme nejprve nastavit některé parametry. V prvé řadě musíme znát,nebo změřit, hodnotu odporu přívodních vodičů ( je to z důvodu použití různých druhů a typů odporového čidla Pt 100 a jejich vedení ). Hodnotu zadáme, a to včetně desetinných míst a desetinné čárky, do stejnojmenné kolonky ve tvaru, například: 3,56 po té potvrdíme tlačítkem OK. Následně vybere příslušný port a potvrdíme volbou Připojit. Je-li multimetr správně připojen objeví se nápis Připojeno v opačném případě je nápis Rozpojeno. Nyní stačí již jen vybrat barvu kreslené křivky a nastavit časovač ( standardně nastaven na 1000 ms ), zvolit délku měření a spustit startem měření. Před uložením samotného grafu jej lze zvětšit tím, že vytvoříme okno myší přes probíhající křivku, a to: podržíme levé tlačítko, táhneme zleva doprava přes vytvářenou křivku ( vytvoříme neviditelný obdélník ) a levé tlačítko pustíme. Zmenšení do původní velikosti je opačným postupem. Pro měření teploty pomocí termočlánku, který je umístěn v multimetru nastavíme otočný volič na Temp ( ROOM ) a na externě připojený termočlánek nastavíme TEMP. Spustíme program, nyní se již Odpor elektr.vedení v ohmech: nezadává. Ostatní nastavení a ovládání zůstává stejné.

Obr.30 Okno vytvořeného programu

Strana 49

4.3 Digitální multimetr Pro vypracování praktického měření v této bakalářské práci byl použit digitální multimetr s dvojitým displejem METEX M-3850 ( Obr.30 ), který je vybavím školní laboratoře. M-3850 je vysoce kvalitní, výkonný a odolný přenosný přístroj, který umožňuje spolehlivé a pohodlné měření. Pojmem komunikace je třeba u multimetrů Metex chápat jako jejich schopnost předávat přes sériové rozhraní RS232C zprávu ( posloupnost znaků ASCII ), která obsahuje naměřené údaje spolu s informací o poloze funkčního otočného přepínače. Komunikační parametry Metexu M3850 přenosová rychlost : 1200 Bd ; použitý kod : ASCII 7 bitů ; parita : žádná ; počet stop bitů: 2. Z hlediska komunikace může být multimetr ve dvou režimech, a to aktivním nebo pasivním. Aktivní režim je indikován na displeji symbolem “ COM ”, pokud není symbol “ COM ” zobrazen, je multimetr v režimu pasivním. Nastavení aktivního režimu lze provést tlačítkem FUNKTION. Po zapnutí nebo změně polohy otočného voliče je vždy nastaven pasivní režim. a) V aktivním režimu je přístroj aktivní v tom smyslu, že sám od sebe bez vnějšího podmětu trvale vysílá zprávy o naměřených hodnotách, a to cca 1x za sekundu. Data jsou vysílány bez ohledu na to, zda je počítač akceptuje či nikoli, stav počítače nemá na vysílání multimetru vliv ( počítač nemusí být ani dokonce připojen ). b) V pasivním režimu je komunikace multimetru řízena výhradně příkazy z počítače. Přenos každé jednotlivé zprávy z multimetru do počítače je proveden pouze jako odezva na jeden povel předaný z počítače. Multimetry M3850 jsou schopny akceptovat celkem tři řídící povely přijaté přes sériové rozhraní RS232C, a to : -

povel k vyslání právě naměřené hodnoty ....ASCII znak „D“ (velké D) povel k vyslání obsahu paměti ....ASCII znak „M“ (velké M) povel k vymazání obsahu paměti ....ASCII znak „C“ (velké C)

Poznámka: - základní způsob spolupráce s PC je pro multimetr M3850 pasivní komunikační režim. Pasivním způsobem kdy pouze reaguje na povely, může M3850 spolupracovat s počítačem na všech rozsazích včetně všech doplňkových funkčních modu, s výjimkou modu COM. - pokud je komunikace M3850 programově řízena povely z počítače , nenastavuje se multimetr do modu COM, tj.aktivního režimu. Vyvaruje se tím vzniku nedefinovanému chování přístroje při spolupráci s počítačem. - aktivní komunikační režim COM M3850 lze kdykoliv opustit změnou polohy otočného voliče, nebo stiskem tlačítka SET/RESET. 4.3.1 Přenos dat 1. Přenos dat z M3850 do PC je aktivován příkazem „D“ předaným z počítače, nebo nastavením aktivního modu, indikovaného na displeji symbolem COM. 2. Přenos dat z paměti multimetru do PC může být vyvolán příkazem „M“ z počítače. 3. Vymazání údajů uložených ve vnitřní paměti M3850 bude provedeno po příkazu „C“ z počítače.

Strana 50

Data jsou předávána do PC formou textového bloku ( řetězce ASCII ) s pevným formátem. Délka řetězce je 14 znaků, přitom jednotlivé znaky jsou uspořádány v tabulce 7 0 Byte 1 příkl.1 D příkl.2 O

0 0 0 0 0 2 3 4 5 6 C - 3 . H 3 .

0 7 9 9

0 8 9 9

0 1 9 0 9 9 M

1 1 1 1 2 3 V O h m

1 4

Tab.7 Textový blok

Obr.31 Připojení kabelu MT/RS232C k multimetru M3850

Obr.30 Multimetr Metex M3850

Strana 51

4.4 Návrh laboratorní úlohy Zadání Získejte přechodovou charakteristiku elektrického teploměru Pt100. Seznam přístrojů a jejich zapojení Seznam přístrojů: 1. odporový platinový teploměr Pt100 2. číslicový multimetr Metex M3850 + propojovací datový kabel 3. PC 4. ventilátor Mezax 5. nádoba se studenou vodou 6. nádoba s termostatem a horkou vodou Rozbor úlohy V úloze se zabýváme hlavními vlivy, které nám mohou způsobit ovlivnění přechodového jevu při měření teploty. Proměříme složenou soustavu, kde na sebe superponují dynamické vlastnosti měřícího čidla a dynamika dalších měřicích přístrojů, zejména pak dopravní zpoždění způsobené jejich komunikací. Postup práce 1. Zapneme PC, multimetr Metex připojíme datovým kabelem k PC, připojíme měřící čidlo Pt100 k multimetru. Ohřejeme vodu v nádobě s termostatem. Spustíme program. - před začátkem měření musíme znát, nebo změřit, hodnotu odporu přívodních vodičů k čidlu Pt100. Hodnotu zadáme, a to včetně desetinných míst a desetinné čárky, do stejnojmenné kolonky. Po té potvrdíme tlačítkem OK. Následně vybere příslušný port a potvrdíme volbou Připojit. Nastavíme délku měření, časovač, barvu křivky. - tlačítko Start! spustí měření od počátku časové osy a zakreslování do grafu. - měření je ukončeno buď automaticky po uplynutí maximální doby měření ( 780s ), příp. je možno měření ukončit tlačítkem Stop! ( po začátku měření se tlačítko Start! mění na Stop!). - uložení celého měření ( tedy grafu i měřených hodnot ve stupních Celsia i v Ohmech ) do určeného adresáře provedeme tlačítkem Uložit měření . Ovládání programu viz. kapitola 4.2 2. Vložíme teploměr do nádoby s horkou vodou a termostatem nastavíme určitou teplotu. Vyčkáme ustálení měřeného údaje a spustíme měření. 3. Ve vhodném okamžiku vložíme teploměr do nového prostředí ( ochlazením ve studené lázni, zchladnutím na vzduchu a ochlazováním pomocí ventilátoru ). Tak realizujeme teplotní skok. Měříme přechodovou charakteristiku, sledujeme hodnoty teploty na obrazovce počítače a vyčkáme jejího ustálení. Po uplynutí zvolené doby se měření automaticky zastaví. 4. Pro každé ze tří daných prostředí provedeme samostatné měření. 5. Vzniklé grafy vyhodnotíme.

Strana 52

6. Zjistíme, že u použitého teploměru Pt100 je doba průtahu zanedbatelná oproti dopravnímu zpoždění ( multimetr ) + ( komunikace ). Proto teploměr posoudíme jako teploměr u nějž lze uplatnit tzv. bodovou kinetiku. 7. Určíme časové konstanty teploměru pro jednotlivá prostředí.

Strana 53

4.5 Vzorový protokol Zpracoval Marián Tižek

Dynamické vlastnosti soustavy Vypracoval: Marián Tižek Skupina: 3k3 Datum: 14.května 2007

Zadání Získejte přechodovou charakteristiku elektrického teploměru Pt100.

Seznam přístrojů • • • • • •

odporový platinový teploměr Pt100 číslicový multimetr Metex M3850 + propojovací datový kabel PC ventilátor Mezax nádoba se studenou vodou nádoba s termostatem a horkou vodou

Schéma zapojení

Strana 54

Fyzikální podmínky Byly zjištěny tyto hodnoty: -

Tlak vzduchu: 980 hPa Teplota vzduchu: 26 °C Uzavřená místnost

Rozbor Mezi dynamické vlastnosti všech soustav – měřicích i regulačních patří i přechodová charakteristika. Odporový teploměr (v plášťovém provedení) je Gustava druhého řádu, jejíž chování popisujeme diferenciální rovnicí téhož řádu. Pro jednoduchost však lze tuto soustavu aproximovat rovnicí prvního řádu. Teoretický průběh ukazuje následující obrázek.

X

Y Měřící soustava

u

t y T

100% 63.2% t Odporový teploměr Pt 100 V praxi je jedním z nejčastěji používaných teplotních snímačů. Tvoří jej platinová cívka s odporem 100Ω při 0°C. Jeho odporová závislost se aproximuje kvadratickou rovnicí pro teploty vyšší než 0°C a kubickou rovnicí pro teploty nižší než 0°C. Teploměr použitý pro pokusné měření je standardního plášťového provedení, použitelný v teplotním rozsahu přibližně -200°C až +600°C. Při aproximaci je jeho lineární konstanta s evropskou normou 0,38Ω/°C.

Strana 55

Pracovní postup Zapneme PC, multimetr Metex připojíme datovým kabelem k PC, připojíme měřící čidlo Pt100 k multimetru. Ohřejeme vodu v nádobě s termostatem. Spustíme program. Vložíme teploměr do nádoby s horkou vodou a termostatem nastavíme určitou teplotu.Vyčkáme ustálení měřeného údaje a spustíme měření. Ve vhodném okamžiku vložíme teploměr do nového prostředí ( ochlazením ve studené lázni, zchladnutím na vzduchu a ochlazováním pomocí ventilátoru ). Tak realizujeme teplotní skok. Měříme přechodovou charakteristiku, sledujeme hodnoty teploty na obrazovce počítače a vyčkáme jejího ustálení. Po uplynutí zvolené doby, nebo maximální doby měření zastavíme program. Po té uložíme ( nebo vytiskneme ) graf i naměřené hodnoty. Pro každé ze tří daných prostředí provedeme samostatné měření. Vzniklé grafy vyhodnotíme.

chladnutí na vzduchu

chladnutí ve studené vodě

Strana 56

chladnutí na proudícím vzduchu

Závěr Z grafů je zřetelně patrný rozdíl v přechodových charakteristikách v každém jednotlivém prostředí. Nejvíce a nejrychleji odebírá teplo studená voda v lázni, křivka se ustálila asi během dvou minut. Menší odběr tepla má proudící vzduch s pomocí ventilátoru, průběh přechodové charakteristiky je méně strmý a k ustálení došlo přibližně asi po šesti minutách. Nejmenší odběr má klidný vzduch. K ustálení teploty nedošlo ani po jedenácti minutách, křivka by pokračovala až do doby, kdy by se teplota teploměru ustálila na teplotě vzduchu v laboratorní místnosti. Měření mohlo být negativně ovlivněno jak lidským tak i technickým faktorem. Je zde zapotřebí brát v úvahu stáří teploměru, jeho konstrukci ale i technické provedení nádoby s termostatem a horkou vodou. Na kvalitě výsledku se také různou měrou podíleli jak vlastní teploměr a jednotlivé členy celé měřicí soustavy ( jejich mechanické opotřebení a přechodové odpory vzniklé např. na spojích jednotlivých členů ) tak i časové zpoždění komunikace soustavy.

Strana 57

5. Závěr Hlavním úkolem bakalářské práce bylo navrhnout laboratorní úlohu, která umožní přiblížit vlastnosti elektrických teploměrů pomocí jejich přechodových charakteristik. Byla využita stávající úloha k měření přechodových charakteristik odporového teploměru Pt 100, zmodernizována a rozšířena také pro termočlánky a běžné PC. Tento cíl byl splněn. Měření probíhalo v laboratoři Ústavu automatizace a informatiky. Prvním úkolem bylo vytvoření programu pro měření hodnoty odporu příkazem „D“ a následně přepočtení hodnoty na teplotu. Před vlastním začátkem měření byl tento program nahrán na stanovený PC, k němuž byla připojena soustava tvořená multimetrem a elektrickým teploměrem. Bylo provedeno zkušební měření, kvůli ověření funkčnosti programu ale i použitých zařízení. Při zpracování grafů závislosti teploty teploměru Pt100 na čase ve vytvořeném programu v Delphi, nastala nutnost zvolit si mezi linearitou a spojitostí křivky na straně jedné a velikostí grafů na straně druhé. Tento problém se vyřešil tak, že bylo zvoleno větší měřítko na ypsilonové teplotní ose. Tímto se upřednostnila názornost grafů i za cenu jejich částečné nelinearity výsledné křivky. Před začátkem měření jsme zaznamenali vlastnosti okolního prostředí v laboratoři, které by mohly ovlivnit výsledky samotného měření. Vlastní měření jsme prováděli s využitím multimetru Metex M3850, který umožnil odečítat odpor na elektrickém teploměru Pt100. Tyto hodnoty byly z multimetru odesílány přes datový kabel připojený přes rozhraní RS232 do vytvořeného programu a následně zpracovány do grafů. Provedeným měřením jsme porovnávali rychlost ochlazování teploměru Pt100 v různých typech prostředí, nejprve ochlazení na volném vzduchu potom ochlazení ve studené lázni a na závěr ochlazení na proudícím vzduch za pomocí ventilátoru. Porovnávali jsme tedy změnu dynamické charakteristiky elektrického teploměru. Rozdíly v jednotlivých charakteristikách se projevily v odlišném průběhu barevně odlišených křivek závislosti rychlosti úbytku teploty na čase. Zjistili jsme, že dynamická charakteristika elektrického teploměru se mění v závislosti na prostředí, v němž se teploměr nachází při stejných počátečních podmínkách. Chyby a nejistoty, které v měření nebyly matematicky zpracovány, nelze v žádném případě vyloučit.

Strana 58

POUŽITÁ LITERATURA: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

VDOLEČEK, F.: Technická měření, VUT, Brno 2002 SLÁDEK, Z. – VDOLEČEK, F.: Technická měření. VUT, Brno 1992. JENČÍK,JOSEF - Technická měření ve strojnictví. Praha : SNTL-Nakladatelství technické literatury, 1982 – 580 s. SLÁDEK ZDENĚK – Technická měření. Praha 1989 PÍSEK,SLAVOJ: Začínáme programovat v Delphi. – 1 vyd. Praha : Grada, 2000 -- 303 s. : ISBN: 80-247-9008-4 JIŘÍ SEDLÁČEK – JIŘÍ SLABA: Delphi v kostce pro verze 1 až 5. Praha : BEN,2000 – 2 přepracované vydání : ISBN: 80-86056-97-X CANTÚ M.: Mistrovství v Delphi 2 Materiály poskytnuté Ústavem automatizace a informatiky

DALŠÍ ZDROJE NA INTERNETU: [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]

http://www-dt.fme.vutbr.cz/measure/Senzor/Cl-Pt100.htm http://www.fsid.cvut.cz/cz/U210/TEM/senzory/teploty.htm http://vetrani.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=3115&h=244&pl=47 http://jonatan.spse.pilsedu.cz/~mazanec/kovove_snimace_tepl.htm http://www-dt.fme.vutbr.cz/measure/Senzor/Cl-TerCl.htm http://skriptum.wz.cz/autom/teplota.htm http://amper.ped.muni.cz/jenik/dirs/nejistoty/html_tree/node16.html http://rs232.hw.cz/#konektory