VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA STROJNÍ
Měřící a senzorová technika Měřící řetězec
Vypracoval: Akademický rok: Semestr:
Petr Osadník 2006/2007 zimní
Zadání Navrhněte měřicí řetězec pro vzdálené měření teploty termočlánkem pro měření digitálním a analogovým měřícím přístrojem.
Teoretický rozbor snímače Termoelektrický článek tvoří dva vodiče z materiálů odlišných termoelektrických vlastností, Tyto jsou na jednom konci svařeny (měrný konec). Volným koncům se říká srovnávací konec termočlánku. Mezi vodiči srovnávacího konce vznikne termoelektrické napětí, jestliže na měrný konec působí teplota ϑm odlišná od teploty ϑS, působící na srovnávací konec. Termoelektrické napětí je funkcí rozdílu teplot obou míst, a platí vztah: (1)
Prakticky se termočlánky zapojují tak, že měrný spoj se vloží do místa, jehož teplotu chceme měřit, druhé dva konce termočlánku (srovnávací spoj) se vzájemně nespojují a vloží se do místa stálé teploty, např. do termostatu nebo kompenzační krabice. Na tyto dva konce se napojí běžné prodlužovaní vedení z homogenního materiálu, které vzniklé napětí přivádí k měřicímu přístroji. V základním zapojení je měrný spoj ve špičce termočlánku a srovnávací spoj v jeho hlavici (obr.1). Při měření teploty jsou kladeny nároky na zachování předepsané teploty srovnávacího spoje (např. 70°C nebo 50°C ± 0,2°C ). Protože v praxi bývá obtížné udržovat teplotu srovnávacího konce na konstantní teplotě při proměnných podmínkách měření, je nutno automaticky vyrovnávat vliv kolísání teploty srovnávacího konce. Tento spoj termočlánku se proto přemísťuje pomocí kompenzačního vedení do termostatu, kde se udržuje stálá teplota obvykle vytápěním na 50°C nebo se termočlánek pomocí kompenzačního vedení připojí na kompenzační krabici, ve které se podle rozdílu teploty okolí od 20°C přičítá nebo odečítá příslušné napětí srovnávacího konce tak, aby celkové napětí odpovídalo tabulkovému napětí při měřené teplotě. Kompenzační vedení tedy musí mít stejné vlastnosti jako používaný termočlánek a vyrábí se ze stejných nebo podobných materiálů z hlediska termoelektrických vlastností jako termočlánek. Termoelektrické články se většinou označují zkratkami, odvozenými od jejich složení nebo názvu a podle ČSN 356710 je na prvním místě jmenovaná kladná větev, na druhém místě záporná větev, obě značky jsou odděleny pomlčkou.
Zjišťujeme-li termoelektrické napětí výchylkovým přístrojem (obvykle milivoltmetr cejchovaný ve°C ) má tento určitou proudovou spotřebu. Proto u každého takového měřicího přístroje je předepsán odpor vedení a tento je uveden na číselníku nebo zadní stěně přístroje. Při montáži je nutno změřit odpor spojovacího vedení od kompenzační krabice (obr.1) až do vlastního měřidla a doplnit na předepsaný odpor pomocí přiložené odporové justovací cívky (Rj). Přesnost termočlánku se podle typu pohybuje kolem 7% z měřicího rozsahu.
Použité přístroje a jejich parametry Dvouvodičový převodník termonapětí Rawet PQ100: - rozsah pracovních teplot: -25...+80°C - napájecí napětí: 12...34V DC - zvlnění napájecího napětí: max. 0,5V - polarita připoj. vodičů: libovolná - vstupní signál: termočlánek E, J, K, T, R, S, B, T... bez linearizace lib. rozsah (TMAX-TMIN) = cca 50...1600°C - připojení vstupu: 2 vodičové - linearizace: parabolickou křivkou pro Pt a Ni, jinak bez linearizace - výstupní signál: 4-20mA - přesnost: chyba měření: < 0,15% - stupeň krytí: pouzdro / svorkovnice: IP68 / IP10 Převodník GA-4/20-0/10: - rozsah pracovních teplot: - napájecí napětí: - zvlnění napájecího napětí: - vstupní signál: - výstupní signál: - přesnost:
-20...+50°C 230V AC 10% 4-20mA 0-10V ±0,55
Analogový multimetr TR Instruments C.A 5001: -DC napětí100mV - 1 000V, přesnost 1,5% -AC napětí 10V - 1 000V, přesnost 2,5% -DC proud 50uA - 5A, přesnost2,5% -AC proud 50mA - 5A, přesnost2,5% -Šířka pásma až 100kHz -Odpor do 1 MΩ -Napájení 1,5V -Rozměry(mm)160 x 105 x 56 Digitální multimetr DM503: -DC napětí 0 - 1 000V, přesnost 0,8% -AC napětí 0 - 1 000V, přesnost 1,2% -DC proud 0 - 10A, přesnost 1,2% -Odpor do 2 MΩ -Napájení 9V -Rozměry(mm)148 x 70 x 32
Schéma měřícího řetězce 0,8% 0,5% 0,15%
0,4 – 7%
1,5%
Výpočet celkové chyby Analogový výstup
δ optimisticka = δ pesimisticka =
n
∑s i =1
2
= 0,4 2 + 0,15 2 + 0,5 2 + 1,5 2 = 1,64%
2
= 7 2 + 0,15 2 + 0,5 2 + 1,5 2 = 7,18%
2
= 0,4 2 + 0,15 2 + 0,5 2 + 0,8 2 = 1,03%
2
= 7 2 + 0,15 2 + 0,5 2 + 0,8 2 = 7,06%
n
n
∑s i =1
n
Digitální výstup
δ optimisticka = δ pesimisticka =
n
∑s i =1
n
n
∑s i =1
n
Závěr Cílem této práce bylo navrhnout měřící řetězec pro vzdálené měření teploty termočlánkem. Nejprve bylo zapotřebí vyhledat vhodná zařízení a zjistit jejich parametry. Navržený řetězec se skládá ze samotného snímače (termočlánku), speciálního převodníku termonapětí na normovaný proudový signál 4-20mA, převodníku proudu na normované napětí 0-10 V a analogového a digitálního multimetru. Termočlánek jako teplotní snímač má dle zdroje z internetu přesnost ±0,4% z měřícího rozsahu. Dle školních návodů k laboratorní úloze je přesnost pouze ±7%. Tento rozptyl jsem použil k určení optimistické a pesimistické chyby měření. Ostatní navržená zařízení mají pevně definovanou přesnost. Při použití analogového multimetru se celková chyba pohybuje v rozmezí 1,64 – 7,18%. Pro digitální multimetr je tato chyba 1,03 – 7,06%.
Zdroje informací http://www.greisinger.cz/(X(1)S(lufuct5525dqsq45ibtmhveh))/default.aspx?ID=197&Usc=316343 &lng=cs http://www.rawet.cz/cz/prev_dc/pp_pq100.php?odkaz=prev_dc3 http://www.newte.cz/katalog/GA-420-010.pdf http://www.trinstruments.cz/produkty/provozni/multimetry/analogove/ca-5001.html http://www.merici-pristroje.info/digitalni_multimetry.html
