Rok / Year: 2012
Svazek / Volume: 14
Číslo / Issue: 4
Přehled, přesnost a citlivost teplotních senzorů v praxi Overview, accuracy and sensitivity of temperature sensors in practice Martin Frk, Zdenka Rozsívalová
[email protected],
[email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.
Abstrakt: Teplota je jednou ze základních veličin soustavy SI, a svým vlivem se podílí na výsledcích všech v praxi realizovaných experimentů. Článek je zaměřen na popis fyzikálních principů rozličných druhů teploměrů včetně přehledu matematických koeficientů a konstant vybraných senzorů. Shrnuje požadavky, vyplývající z příslušných norem, kladené na teplotní senzory z hlediska třídy přesnosti, vyjádřené maximální dovolenou chybou nebo nejistotou.
Abstract: Temperature is one of the fundamental quantities of the SI system and their influence contributes to the results of all the experiments carried out in practice. This article is focused on the description of the physical principles of various types of thermometers, including an overview of mathematical constants and coefficients of selected sensors.
2012/55 – 30. 8. 2012
Přehled, přesnost a citlivost teplotních senzorů v praxi Martin Frk, Zdenka Rozsívalová Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: { frkmar, rozsiva }@feec.vutbr.cz
Abstrakt –Teplota je jednou ze základních veličin soustavy SI, a svým vlivem se podílí na výsledcích všech v praxi realizovaných experimentů. Článek je zaměřen na popis fyzikálních principů rozličných druhů teploměrů včetně přehledu matematických koeficientů a konstant vybraných senzorů. Shrnuje požadavky, vyplývající z příslušných norem, kladené na teplotní senzory z hlediska třídy přesnosti, vyjádřené maximální dovolenou chybou nebo nejistotou. Článek navazuje na text prezentovaný na konferenci NZEE 2012 (www.nzee.cz).
teplotou k nárůstu amplitudy kmitů krystalové mřížky a tím i k pravděpodobnosti srážky volných nosičů náboje, pro polovodičové materiály je charakteristický exponenciální nárůst koncentrace těchto nosičů. Kovové materiály se proto vyznačují kladným teplotním koeficientem odporu, zatímco u polovodičových materiálů převládá obvykle záporný. Teplotní čidla existují jako odporové teploměry, pracující na principu mírné změny odporu (v kovech), který s teplotou více nebo méně lineárně vzrůstá, a termistory, což jsou elektrotechnické polovodičové součástky s výraznou teplotní změnou odporu.
Úvod
1.1.1 Kovové senzory
Teplota představuje termodynamickou stavovou veličinu a je druhou nejčastěji sledovanou fyzikální veličinu SI soustavy, hned po měření času. Sledováním teploty, od pouhé subjektivní indikace až po precizní měření, se zabývá termometrie. Teplota se zpravidla udává ve stupních, její základní jednotkou je kelvin (používá se v souvislosti s termodynamickou teplotou). Mezi další jednotky patří například stupeň Celsia (nejpoužívanější jednotka u nás), stupeň Fahrenheita (USA), stupeň Rankina (zastaralá jednotka) nebo stupeň Réaumura (prakticky se již nepoužívá). Přehled používaných teplotních stupnic, jejichž uplatnění v praxi tedy souvisí s geografickou polohou a oborovým zaměřením, je shrnut v tabulce Tab. 1.
Pro měření teploty se v praxi používají především čisté kovové materiály. Hlavní požadavky kladené na dané materiály jsou zejména neměnná hodnota teplotního koeficientu odporu v širokém rozsahu teplot, chemická stabilita, odolnost vůči oxidaci a možnost produkce ve velmi čistém stavu. Nejčastěji se jedná o odporová čidla platinová, niklová, případně měděná v drátovém, v poslední době také ve vrstvovém provedení. Základní fyzikální vlastnosti uvedených materiálů jsou shrnuty v tabulce Tab. 2. Ke stanovení konkrétní hodnoty teploty se využívá přepočet z teplotní závislosti odporu kovových materiálů, kterou lze v širokém teplotním rozsahu vyjádřit polynomem v obecném tvaru
R R0 1 A B 2 C 3 ... .
1 Teplotní čidla Teplotní čidlo tvoří základní součást jakéhokoliv diagnostického zařízení určeného ke snímání teploty. Jeho princip je založen na přeměně teploty, jako fyzikálního stavu měřeného média, na mechanickou nebo elektrickou veličinu, která je následně zpracovávána a vyhodnocována příslušným měřicím zařízením. Teplota může být sledována řadou rozličných snímačů, u kterých se odvozuje z citlivosti na změnu fyzikální veličiny. Existuje šest základních typů teplotních snímačů, a to termočlánky, odporové teploměry a termistory, infračervené teploměry, bimetalové teploměry, snímače s roztažitelnými kapalinami a snímače se změnou stavu.
Pro užší teplotní interval v oblasti 0 až 100 °C lze použít lineární tvar předchozí rovnice
R R0 1 0 . Důležitým parametrem odporových snímačů teploty je jejich citlivost, kterou lze vyjádřit poměrem odporů čidla W při teplotě 100 °C, resp. při obecné teplotě , a při teplotě 0 °C, tj.
W100
R100 R , resp. W . R0 R0
Tab. 2: Vybrané vlastnosti kovových materiálů [2]
1.1 Odporové snímače teploty Princip odporových snímačů je založen na teplotní závislosti elektrického odporu kovových, případně polovodičových materiálů. Hodnota rezistivity jednotlivých materiálů se odvozuje od koncentrace volných nosičů elektrického náboje a jejich pohyblivosti. Zatímco u kovů dochází se zvyšující se
55 – 1
Kov
teplotní koeficient odporu (10-6 m) (10-3 K-1) rezistivita
poměr Odporů W100 (-)
měřicí rozsah (°C)
Cu
0,01724
4,26 až 4,33
1,4260
-50 až 150
Ni
0,0684
6,17 až 6,70
1,6180
-60 až 200
Pt
0,105
3,85 až 3,93
1,4260
-200 až 850
VOL.14, NO.4, AUGUST 2012
2012/55 – 30. 8. 2012
Tab. 1 Přehled teplotních stupnic teplotní stupnice
jednotka
symbol
Absolutní nula
převod na °C
převod ze °C
Kelvinova
Kelvin
K
0
C = T - 273,15
T = C + 273,15
Celsiova
stupeň Celsia
°C
-273,15
-
-
Fahrenheitova
stupeň Fahrenheita
°F
−459,67
C = 5/9 (F - 32)
F = 9/5 C + 32
Réamurova
stupeň Réamura
°R, °Ré
−218,52
C = 5/4 R
t R = 4/5 C
Rankinova stupeň Rankina °Ra 0 C = 5/9 (R - 273,15) R = 9/5 C + 273,15 Pozn.: Dalšími možnými (historickými) teplotními stupnicemi jsou Delisleova (°D, °De, 0 K = 559,73 °D), Newtonova (°N, 0 K = −90,14 °N) a Rømerova (°Rø, 0 K = −135,90 °Rø).
Platina
Nikl
Nejlepším, nejpřesnějším a nejčastěji používaným materiálem ke sledování teploty je platina. Požadavky na platinová teplotní čidla jsou shrnuty v normě IEC-751 (IEC ČSN 60 751). Uvedená norma předepisuje pro teplotní čidla hodnotu základního odporu R0 = 100 a teplotní koeficient odporu = 3,851E-3 K-1, tj. W100 = 1,3850. Teplotní závislosti odporu platinového čidla v oblasti záporných teplot (-200 až 0 °C) lze, podle normy IEC-751, vyjádřit polynomem ve tvaru
Předností niklových snímačů je vyšší úroveň citlivosti a rychlá odezva. Jejich nevýhodou je menší stálost, nelinearita, obtížná výroba v požadované čistotě a nižší rozsah použitelnosti. Při vyšších teplotách dochází ke změně krystalické modifikace niklu a tím i ke změně teplotního součinitele odporu. Teplotní závislosti odporu niklového čidla v širokém teplotním rozsahu lze, podle normy DIN 43760, vyjádřit polynomem ve tvaru
R R0 1 A B 2 C 100 3 .
R R0 1 A B 2 C 4 D 6 ,
V teplotním rozsahu 0 až 850 °C pak platí rovnice
R R0 1 A B , 2
kde R0 značí základní hodnotu odporu (100 ), A = 3,9083E-3 K-1, B = -5,775E-7 K-2, C = -4,183E-12 K-4. V případě teplotních čidel s vyšší hodnotou základního odporu (nejčastěji 200, 500 a 1 000 ), je nutné vynásobit výslednou hodnotu odporu koeficientem R0 .10-2. V některých mezinárodních normách či standardech jsou kladeny na úroveň čistoty platiny ještě vyšší požadavky, než je stanoveno v IEC-751. V normě U. S. Industrial Standard je platina charakterizována teplotním koeficientem odporu = 3,911E-3 K-1, tj. W100 = 1,3910 a ve standardu ITS 90, který klade na čistotu platiny nejvyšší požadavky, je = 3,926E-3 K-1, tj. W100 = 1,3926. Odporová čidla Pt100 jsou vyráběna v několika základních třídách přesnosti s tolerančními intervaly vyjádřenými příslušnými vztahy uvedenými v tabulce Tab. 3.
kde R0 značí základní hodnotu odporu (nejčastěji 100, 200, 1 000 a 2 000 ), A = 5,485E-3 K-1, B = 6,650E-6 K-2, C = 2,805E-11 K-4 a D = -2,00E-17 K-6 a teplotní koeficient odporu = 6,18E-3 K-1. V praxi existují ještě niklová teplotní čidla s hodnotou teplotního koeficientu odporu = 5,00E-3 K-1 a = 6,37E-3 K-1, pro která platí modifikovaná rovnice i příslušné vyskytující se materiálové koeficienty. Z pohledu přesnosti je možné niklová čidla klasifikovat do dvou základních tříd A a B s příslušnou hodnotou přesnosti uvedenou v tabulce Tab. 4. Tab. 4: Třídy přesnosti niklových čidel [4] < 0
> 0
A
0,2 0,014
0,2 0,0035
B
0,4 0,028
0,4 0,007
Tab. 3: Třídy přesnosti a příslušné hodnoty tolerancí platinových čidel [4] třída přesnosti
teplotní tolerance
teplotní rozsah
1/10 B
0,03 0,0005
0 až 100 °C
1/3 B (AA)
0,10 0,0017
-50 až 250 °C
A
0,15 0,002
-50 až 650 °C
B
0,3 0,005
-200 až 850 °C
C
0,60 0,01
-200 až 850 °C
teplotní tolerance
třída přesnosti
Měď Měděné snímače teplot nejsou příliš rozšířeny a používají se nejčastěji, v podobě vinutých odporů se základní hodnotou odporu 50 a 100 , k přímému měření teploty vinutí elektrických motorů. Z důvodu snadné oxidovatelnosti a nízké hodnoty rezistivity se měděné snímače teploty běžně nepoužívají. Matematický popis teplotní závislosti odporu lze pro jednotlivé teplotní oblasti vyjádřit rovnicemi uvedenými v tabulce Tab. 5.
55 – 2
VOL.14, NO.4, AUGUST 2012
2012/55 – 30. 8. 2012
Tab. 5: Matematické formulace teplotní závislosti odporu měděných snímačů [5] teplotní rozsah
matematická formulace odporu
hodnoty materiálových konstant
-200 až -50 °C
R A0 R0 1 A1 200 B1 200
-50 až 150 °C
R R0 1 A2
150 až 250 °C
2 R C0 R0 1 A3 150 B3 150
2
A0 = 1,17058E-1, A1 = 3,92313E-2 K-1 A2 = 4,2743E-3 K-1 A3 = 2,62628E-3 K-1
1.1.2 Polovodičové senzory Do této kategorie patří zejména termistory a monokrystalické polovodičové snímače. Termistory se vyrábějí zpravidla na bázi polykrystalických polovodičových materiálů. Komponenty s kladným teplotním součinitelem odporu, tzv. pozistory (NTC pozistory), se zhotovují z polykrystalických materiálů na bázi BaTiO3, u nichž lze dosáhnout polovodivých vlastností heterovalentní substitucí atomů v krystalové mřížce. Termistory se záporným teplotním součinitelem, tzv. negastory (NTC termistory), jsou vytvořeny z polykrystalických polovodičových materiálů, zpravidla na bázi oxidů niklu, manganu, kobaltu, železa a titanu. Teplotní závislost odporu termistoru je možné aproximovat exponenciální závislostí ve tvaru B
R A e T , resp. ln R A
B , T
kde A a B jsou koeficienty termistoru závislé na geometrickém tvaru, materiálu termistoru a částečně i na teplotě. Využitím uvedeného vztahu lze sledovat teplotu v rozsahu 0 až 100 °C s nelinearitou ±1 °C. Aproximací teplotní závislosti polynomem vyššího řádu zapsaným ve tvaru 2
1 1 1 ln R A0 A1 A2 ... An T T T
n
lze zvýšit přesnost stanovení teploty až na ±0,2 °C a rozšířit teplotní interval použitelnosti. Ve srovnání s kovovými odporovými snímači teploty se termistory vyznačují zejména mnohem vyšší citlivosti a nelinearitou a kratší časovou stálostí.
U12
WV2 q
B1 = 7,45044E-6 K-2 B3 = 2,43732E-8 K-2 C0 = 1,641145
WV1 q
n kT ln 2 q n1
Termoelektrické napětí je následně dáno součtem dotykových potenciálů při rozdílné teplotě obou stykových míst. Míra jevu je určena Seebeckovým (termoelektrickým) součinitelem, který může nabývat kladných nebo záporných hodnot. Hodnota Seebeckova koeficientu pro kovy je řádově (10-6 až 10-5) V K-1, pro polovodiče je řádově (10-6 až 10-3) V K-1. Z hlediska měření je potřebné, aby generované termoelektrické napětí bylo co největší a aby oba kovy byly co nejodolnější proti vlivům okolního prostředí tak, aby se jejich vlastnosti v průběhu času co nejméně měnily. Uvedeným požadavkům vyhovuje jen několik dvojic materiálů a jejich složení je proto normováno, takže vlastnosti stejně označených termočlánků vyrobených různými výrobci jsou shodné. V současné době se doporučuje používat termočlánky a kompenzační vedení, jejichž parametry, označení, přesnost a teplotní rozsah odpovídají mezinárodní normě IEC 584 a národním normám odvozeným z ní. Například v České republice ČSN EN 60584, ve Francii NFC 42-324, v Japonsku JIS C 1610-1981, v USA ASTM E230-ANSI MC 96.1, a v Německu DIN 43710. Přičemž některá označení a třídy přesnosti se výrazně liší, proto je nutné brát zřetel na původ termočlánku. V následujících tabulkách Tab. 6 a Tab. 7 jsou shrnuty vybrané vlastnosti a třídy přesnosti termočlánkových dvojic kovů odpovídající normě ČSN EN 60584. Závislost velikosti generovaného termoelektrického napětí je možné vyjádřit, až na jednu výjimku, obecnou funkcí v polynomickém tvaru n
U t ai i . i 0
1.2 Termočlánky Termočlánek sestává z dvojice různých kovů, pevně spojených na jednom konci. Pro jeho konstrukci se používají čisté kovové materiály a jejich slitiny. Přeměna teploty na elektrický signál je podmíněna vznikem dotykového potenciálu U12, jehož úroveň je závislá na výstupní práci elektronů z příslušného kovu Wv a na koncentraci volných nosičů náboje n při dané teplotě, tj.
Výjimku představuje termočlánek typu K, pro nějž platí modifikovaný vztah zapsaný ve tvaru n
2 U t ai i c0 exp c1 126,9686 . i 0
Příslušné koeficienty všech řádů, jednotlivých termočlánků, jsou uvedeny v tabulkách Tab. 8a a Tab. 8b.
55 – 3
VOL.14, NO.4, AUGUST 2012
2012/55 – 30. 8. 2012
Tab. 6: Přehled termočlánkových dvojic kovů a jejich vlastnosti [3] Typ
materiálové složení + pól
barevné označení
- pól
+ pól
měřicí rozsah krátkodobý
měřicí rozsah trvalý
(°C)
(°C)
200 až 1820 -40 až 900 -180 až 800 -180 až 1300 -270 až 1300 -50 až 1700 -50 až 1750 -250 až 400
0 až 1700 0 až 800 0 až 750 0 až 1100 0 až 1100 0 až 1600 0 až 1600 -185 až 300
- pól
B Pt - 30% Rh Pt - 6% Rh šedá bílá E Ni-Cr Cu-Ni fialová bílá J Fe Cu-Ni černá bílá K Ni-Cr Ni-Al zelená bílá N Ni-Cr-Si Ni-Si růžová bílá R Pt - 13% Rh Pt oranžová bílá S Pt - 10% Rh Pt oranžová bílá T Cu Cu-Ni hnědá bílá C* W - 5% Re W - 26% Re G* W W - 26% Re není definováno D* W - 3% Re W - 25% Re * uvedené typy termočlánků nejsou definovány v příslušných normách
0 až 2320
Tab. 7: Třídy přesnosti různých typů termočlánků
(°C)
(%) B E J K N R S T C
Přesnost 2. třída
1. třída
typ
0,4 1,5 (-40 °C až 1000 °C) 0,4 1,5 (-40 °C až 750 °C) 0,4 1,5 (-40 °C až 1000 °C) 0,4 1,5 (-40 °C až 1000 °C) 1 1 + 0,3 ( - 1100) (0 °C až 1600 °C) 1 1 + 0,3 ( - 1100) (0 °C až 1600 °C) 0,4 0,5 (-40 °C až 350 °C) -
G
-
D
-
3. třída (°C)
(%)
0,25 1,5 (600 °C až 1 700 °C) 0,75 2,5 (-40 °C až 900 °C) 0,75 2,5 (-40 °C až 750 °C) 0,75 2,5 (-40 °C až 1 200 °C) 0,75 2,5 (-40 °C až 1 200 °C) 0,25 1,5 (-40 °C až 1 600 °C) 0,25 1,5 (-40 °C až 1 600 °C) 0,75 1 (-40 °C až 450 °C) 1,00 4,5 (0 °C až 2320 °C) 1,00 4,5 (0 °C - 2320 °C) 1,00 4,5 (0 °C až 2320 °C)
(°C)
(%)
0,5 4 (600 °C až 1 700 °C) 1,5 2.5 (-200 °C až 40 °C) 1.5 2.5 (-200 °C až 40 °C) 1.5 2.5 (-200 °C až 40 °C) 1.5 1 (-200 °C až 40 °C) -
-
Rozsah provozních teplot u jednotlivých termočlánků má pouze informativní charakter a je omezen provedením jejich opláštění a také průměrem použitých termočlánkových drátů.
55 – 4
VOL.14, NO.4, AUGUST 2012
2012/55 – 30. 8. 2012
Tab. 8a: Hodnoty příslušných koeficientů (V K-n ) jednotlivých typů termočlánků [1] typ J
typ B
typ S
-210 až 760 °C
760 až 1200 °C
0 až 630,615 °C
630,615 až 1820 °C
-50 až 1064,18 °C
1064,18 až 1664,5 °C
1664,5 až 1768,1 °C
a0
0,0000000000E+00
2,9645625681E+05
0,0000000000E+00
-3,8938168621E+03
0,0000000000E+00
1,3290044409E+03
1,4662823264E+05
a0
a1
5,0381187815E+01
-1,4976127786E+03
-2,4650818346E-01
2,8571747470E+01
5,4031330863E+00
3,3450931134E+00
-2,5843051675E+02
a1
a2
3,0475836930E-02
3,1787103924E+00
5,9040421171E-03
-8,4885104785E-02
1,2593428974E-02
6,5480519282E-03
1,6369357464E-01
a2
a3
-8,5681065720E-05
-3,1847686701E-03
-1,3257931636E-06
1,5785280164E-04
-2,3247796869E-05
-1,6485625921E-06
-3,3043904699E-05
a3
a4
1,3228195295E-07
1,5720819004E-06
1,5668291901E-09
-1,6835344864E-07
3,2202882304E-08
1,2998960517E-11
-9,4322369061E-12
a4
a5
-1,7052958337E-10
-3,0691369056E-10
-1,6944529240E-12
1,1109794013E-10
-3,3146519639E-11
-
-
a5
a6
2,0948090697E-13
-
6,2990347094E-16
-4,4515431033E-14
2,5574425179E-14
-
-
a6
a7
-1,2538395336E-16
-
-
9,8975640821E-18
-1,2506887139E-17
-
-
a7
a8
1,5631725697E-20
-
-
-9,3791330289E-22
2,7144317615E-21
-
-
a8
typ K
typ N
typ R
-270 až 0 °C
0 až 1372 °C
-270 až 0 °C
0 až 1300 °C
-50 až 1064,18 °C
1064,18 až 1664,5 °C
1664,5 až 1768,1 °C
a0
0,0000000000E+00
-1,7600413686E+01
0,0000000000E+00
0,0000000000E+00
0,0000000000E+00
2,9515792532E+03
1,5223211821E+05
a0
a1
3,9450128025E+01
3,8921204975E+01
2,6159105962E+01
2,5929394601E+01
5,2896172977E+00
-2,5206125133E+00
-2,6881988855E+02
a1
a2
2,3622373598E-02
1,8558770032E-02
1,0957484228E-02
1,5710141880E-02
1,3916658978E-02
1,5956450187E-02
1,7128028047E-01
a2
a3
-3,2858906784E-04
-9,9457592874E-05
-9,3841111554E-05
4,3825627237E-05
-2,3885569302E-05
-7,6408594758E-06
-3,4589570645E-05
a3
a4
-4,9904828777E-06
3,1840945719E-07
-4,6412039759E-08
-2,5261169794E-07
3,5691600106E-08
2,0530529102E-09
-9,3463397105E-12
a4
a5
-6,7509059173E-08
-5,6072844889E-10
-2,6303357716E-09
6,4311819339E-10
-4,6234766630E-11
-2,9335966817E-13
-
a5
a6
-5,7410327428E-10
-3,1088872894E-12
-2,2653438003E-11
-1,0063471519E-12
5,0077744103E-14
-
-
a6
a7
-3,1088872894E-12
-1,0451609365E-14
-7,6089300791E-14
9,9745338992E-16
-3,7310588619E-17
-
-
a7
a8
-1,0451609365E-14
-1,9889266878E-17
-9,3419667835E-17
-6,0863245607E-19
-
-
a8
a9
-1,9889266878E-17
-1,6322697486E-20
-
2,0849229339E-22
a10
-1,6322697486E-20
-
-
-3,0682196151E-26
1,5771648237E-20 -2,8103862525E24 -
c0
-
1,1859760000E+02
-
-
c1
-
-1,1834320000E-04
-
-
55 – 5
-
-
a9
-
-
a10
-
-
-
c0
-
-
-
c1
VOL.14, NO.4, AUGUST 2012
2012/55 – 30. 8. 2012
Tab. 8b: Hodnoty příslušných koeficientů (V K-n) jednotlivých typů termočlánků [1] typ T
typ E
-270 až 0 °C
0 až 400 °C
-270 až 0 °C
0 až 1000 °C
a0
0,0000000000E+00
0,0000000000E+00
0,0000000000E+00
0,0000000000E+00
a0
a1
3,8748106364E+01
3,8748106364E+01
5,8665508708E+01
5,8665508710E+01
a1
a2
4,4194434347E-02
3,3292227880E-02
4,5410977124E-02
4,5032275582E-02
a2
a3
1,1844323105E-04
2,0618243404E-04
-7,7998048686E-04
2,8908407212E-05
a3
a4
2,0032973554E-05
-2,1882256846E-06
-2,5800160843E-05
-3,3056896652E-07
a4
a5
9,0138019559E-07
1,0996880928E-08
-5,9452583057E-07
6,5024403270E-10
a5
a6
2,2651156593E-08
-3,0815758772E-11
-9,3214058667E-09
-1,9197495504E-13
a6
a7
3,6071154205E-10
4,5479135290E-14
-1,0287605534E-10
-1,2536600497E-15
a7
a8
3,8493939883E-12
-2,7512901673E-17
-8,0370123621E-13
2,1489217569E-18
a8
a9
2,8213521925E-14
-
-4,3979497391E-15
-1,4388041782E-21
a9
a10
1,4251594779E-16
-
-1,6414776355E-17
3,5960899481E-25
a10
a11
4,8768662286E-19
-
-3,9673619516E-20
-
a11
a12
1,0795539270E-21
-
-5,5827328721E-23
-
a12
a13
1,3945027062E-24
-
-3,4657842013E-26
-
a13
a14
7,9795153927E-28
-
-
-
a14
2 Laboratorní pracoviště 2.1 Softwarová aplikace Na základě souhrnných informací, matematických formulací a jednotlivých koeficientů příslušných teplotních senzorů byla vytvořena v programovacím jazyku C++ Builder softwarová aplikace [7]. Aplikace umožňuje nejen teplotní simulace odporu, resp. termoelektrického napětí nejpoužívanějších teplotních senzorů v širokém teplotním rozsahu, ale i komunikaci s přístrojovým vybavením, které slouží k měření teploty. Konektivita měřicích přístrojů s osobním počítačem je zajištěna pomocí síťového standardu LXI, případně komunikačních rozhraní GPIB a RS 232. Ukázka grafického prostředí vyvinuté aplikace je znázorněna na obr. 1. S využitím inverzních vztahů k jednotlivým rovnicím pro stanovení odporu (termoelektrického napětí), se vypočte hodnota teploty indikované testovaným teplotním čidlem a etalonovým čidlem s deklarovanou vyšší třídou přesnosti. Ukázka vzájemného srovnání naměřených s teoretickými je znázorněna na obr. 4.
hodnot
tické znázornění pracovišť pro infračervené a kontaktní teploměry je uvedeno na obrázku obr. 2 a obr. 3. Metodika kalibrace je založena na principu srovnání teploty snímané zkušebními teploměry pracujícími na různém principu (kapalinovými, odporovými, termočlánkovými apod.) s údajem etalonového teploměru s vyšší deklarovanou přesností a následném stanovení vzájemné odchylky a příslušné nejistoty měření. První pracoviště, určené ke kalibraci kontaktních teplotních čidel, příp. teploměrů, je tvořeno kapalinovou lázní s termostatem Medingen KT, etalonovým elektronickým teploměrem ASL F100 (Isotech miliK – ve fázi objednání) s platinovým čidlem s přesností ±0,02 °C, (resp. < ±0,01 °C). Pracoviště je doplněno o převodníky společnosti Greisinger a měřicí ústřednu Agilent 34972 s multiplexerem, umožňující připojit různá odporová a polovodičová teplotní čidla a termočlánky s volným zakončením, případně se standardizovaným konektorem. Druhé pracoviště je určeno ke kalibraci bezkontaktních měřičů teploty a skládá se z teplotního kalibrátoru pro infračervené teploměry Dostmann BB500, tj. černého tělesa s emisivitou 0,95. Přístrojové zařízení umožňuje pokrýt teplotní rozsah 50 až 500 °C při zajištění stability ± (0,2 až 0,4) °C, dle přednastavené teploty.
2.2 Přístrojové vybavení Na Ústavu elektrotechnologie FEKT VUT v Brně byla navržena a vytvořena dvě laboratorní pracoviště určená ke kalibraci odporových a infračervených měřičů teploty. Schema-
55 – 6
VOL.14, NO.4, AUGUST 2012
2012/55 – 30. 8. 2012
Obrázek 1: Ovládací prostředí softwarové aplikace pro simulaci a měření teplotních závislostí
SROVNÁVACÍ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ
KALIBROVANÉ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ
etalonový teploměr Isotech milli K měřicí ústředna + multiplexer Agilent 34972A
sada etalonových čidel Pt100
etalonový teploměr ASL F100
lázňový termostat Medingen KT30
sada teploměrů Greisinger GMH 3xxx
Obrázek 2: Kalibrační zařízení a komerční teploměry pro kontaktní čidla teploty 55 – 7
VOL.14, NO.4, AUGUST 2012
2012/55 – 30. 8. 2012
teriály a technologie pro elektrotechniku" a projektu OPVK CZ.1.07/2.3.00/20.0103 „Podpora lidských zdrojů a transferu znalostí v podmínkách mezinárodní spolupráce vědeckých týmů“. Finančních prostředků bylo využito k pořízení vybraného laboratorního vybavení.
Literatura [1] Bentley, R. E. Handbook of Temperature Measurement: Theory and practice of thermoelectric termometry. Springer-Verlag New York, LLC, 1998. 257 s. ISBN 981402111. [2] Kreidl, M. Měření teploty - senzory a měřicí obvody. BEN-Technická literatura, 2005. 239 s.. ISBN 807300-145-4. [3] Newport Electronics, spol. s r. o. Technické informace [online]. 1995-2005. [cit. 2012-05-02]. Dostupné z: http://newport.cz/techinfo/. [4] Sensit. Příručka pro konstruktéry, projektanty a realizátory měřicí a regulační techniky. Rožnov pod Radhoštěm, 2011. [5] Minco, Inc. Resistivity Thermometry [online]. 2000. [cit. 2012-05-02]. Dostupné z: http://www.temflexcontrols.com/pdf/aa18.pdf. [6] Palenčár, R., Vdoleček, F., Halaj, M. Nejistoty v měření II: nejistoty přímých měření. Automa, 7, 2001, č. 10, s. 52 – 56. [7] Vitek, J. Komparace naměřených a modelovaných charakteristik teplotních čidel. Brno: VUT v Brně, FEKT, 2012. 38 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Martin Frk, Ph.D.
černé těleso - kalibrátor Dostmann BB500
sada infračervených teploměrů
Obrázek 3: Kalibrační zařízení pro infračervené teploměry
Obrázek 4: Grafická ukázka vzájemné odchylky měřeného termoelektrického napětí (termočlánek typu K) od teoretické hodnoty
3 Závěr Článek shrnuje teoretické informace a matematický popis týkající se teplotních čidel používaných v technické praxi. Pomocí vytvořeného softwarového nástroje je možné ověření teoretické a naměřené hodnoty odporu, resp. termoelektrického napětí použitých snímačů teploty, přičemž je možné stanovit kalibrační odchylku daného snímače teploty a zejména sledovat změnu odchylky průběhu v závislosti na zpřesnění výpočtu použitím koeficientů vyšších řádů. Aplikace je stále ve vývoji a v současnosti se do ní implementují matematické vztahy pro automatický výpočet příslušných nejistot měření typu A i B.
Poděkování Autoři článku děkují MŠMT za poskytnutý finanční příspěvek formou grantu FRVŠ 449/2012/F1/a "Implementace nejistot měření a kalibrace přístrojového vybavení do laboratorní výuky předmětů orientovaných na diagnostiku a zkušebnictví", VUT v Brně za projekt FEKT-S-11-7 "Ma55 – 8
VOL.14, NO.4, AUGUST 2012
