Izradio: Matija Mesari Mjerenje s termoparovima Bruno Turk

Izradio: Matija Mesari Mjerenje s termoparovima Bruno Turk

Meimursko veleuilite u akovcu

Vjeba br. 1

Mjerenje u termotehnici s termoparovima

Kolegij: Mjerenje u termotehnici

Profesor: Izradio:prof.dr.sc.BudimirMijovi Matija Mesari Bruno Turkakovec, studeni 2015

Sadraj:

Uvod41. Kako radi termopar - jednostavanprimjer42. Termoelektrini zakoni52.1. Zakon homogenih materijala52.2. Zakon sukcesivnih materijala52.3. Zakon sukcesivnih temperatura63. Problem koji se javlja pri mjerenju temperature pomou termoparova64. Mogua reenja problema74.1. Upotreba "hladnog tua"74.2. Upotreba dvostruke pei84.3. Izotermalni blok85. Hardverska kompenzacija96. Softverska kompenzacija107. Tehniki problemi koji se javljaju pri upotrebi termoparova117.1. Problem povezivanja117.2. Otpornost provodnika117.3. Dekalibracija117.4. um118. Termalno kretanje129. Eksperimentalni dio129.1. Mjerna mjesta129.2. Rezultati mjerenja1310. Zakljuak13Literatura14

POPIS SLIKA:

Slika 1. Termopar [2]5Slika 2. Termopar sa jednim vorom [2]5Slika 3. Problem stvaranja novih termoparova [2]7Slika 4. U strujnom krugu postoji pet vorova, ali po termoelektrinim zakonima imamo tri termopara [2]7Slika 5. Upotreba hladnog tua [2]8Slika 6. Simuliranje nulte referentne take pomou dvije pei [2]8Slika 7. Izotermalni blok kod termopara koji se koristi za merenje [3]9Slika 8. Hardverska kompenzacija [2]10

POPIS TABLICA:

Tablica 1. Metode i naini mjerenja termoparovima13Tablica 2. Rezultati mjerenja14

Uvod

Tomas Sibek(Thomas Johann Seebeck (1770-1831)) je 1821. godine primjetio da ako su dva provodnika, od razliitih materijala, povezana na svojim krajevima tako da obrazuju dva razliita vora, i ako su ovi vorovi izloeni razliitim temperaturama, postavljanje ovih vodia blizu kompasa prouzrokovat e njegovo micanje. Njegovo prvo vjerovanje bilo je da se magnetsko polje mijenja uslijed promjene temperature. Kasnije je shvatio da je struja, koja je tekla kroz vodie, generirala magnetno polje i pomakla iglu kompasa.

Ova pojava je nazvana Sibekov efekt. Sibekov efekt je jedan od tri termoelektrina fenomena i prvi koji je bio istraivan. Zajedno sa Peltierovim i Tomsonovim efektom, objanjava kako se stvara napon uslijed temperaturne razlike.

1. Kako radi termopar - jednostavanprimjer Sibekov efekat se javlja uvijek, kada dva razliita metala, bilo kojeg materijala, obrazuju spoj - termopar. Postoje neki parovi metala koji imaju predvidljiv napon u zavisnosti od temperature, a takoer imaju i vee temperaturne stupnjeve. Ovi parovi imaju slovnu oznaku, na primjer: E-tip termopar. Najpopularniji tip termoparova je K-tip. Ovaj tip ine vodii napravljeni od legura Nikl-Krom i Nikl-Aluminij, a odlikuje ga irok opseg temperature (od -200C do 1300C) i skoro linearna promijena napona u zavisnosti od temperature. Na slici br.1 prikazan je termopar. Lijevi vor je zagrijan, a desni je na sobnoj temperaturi, pa kroz ovaj spoj tee struja.

Slika 1. Termopar [2]

Kao to neki oekuju, ako desni vor ne postoji, razlika napona e se stvoriti na krajevima vodia (slika 2).

Slika 2. Termopar sa jednim vorom [2]

2. Termoelektrini zakoni

2.1. Zakon homogenih materijala Homogeni vodi je vodi kod kojeg su fizika i kemijska svojstva jednaka du cijelog vodia. Ovaj zakon kae da termopar koji je sainjen od homogenih vodia nee generirati napon ak i kada se nalazi na razliitim temperaturama. Drugim rijeima, termopar mora biti napravljen od najmanje dva razliita materijala, kako bi se generirao napon. Promijene u presijeku vodia ili promijene u temperaturi nee izazvati pojavu napona. 2.2. Zakon sukcesivnih materijala

Zbir svih napona u kolu termopara koji ine dva ili vie razliitih metala jednak je nuli, ako je cijelo spoj izloen istoj temperaturi. Ovo znai da dodavanje razliitih metala u strujni krug nee utjecati na napon koji generira strujni krug. Spojevi koju su dodati, moraju biti na istoj temperaturi kao i ostali spojevi u strujnome krugu. Na primjer, trei metal kao to je bakar moe se dodati kako bi se olakalo mjerenje. Zbog ove injenice termoparovi se mogu koristiti npr. kod digitalnih multimetara.

2.3. Zakon sukcesivnih temperatura

Ako dva razliita homogena materijala stvore napon E1kada su im spojevi na temperaturama T1i T2i stvore napon E2kada su im spojevi na temperaturama T2i T3, onda je rezultirajui napon kada su im spojevi pri temperaturama T1i T3jednak E1+E2. Ovaj zakon dozvoljava termoparu koji je kalibriran pri referentnoj temperaturi, da bude koriten pri drugoj referentnoj temperaturi. Takoer dozvoljava da dodatni vodii sa istim termo-elektrinim karakteristikama budu dodati strujnome krugu bez utjecaja na ukupan generirani napon.

3. Problem koji se javlja pri mjerenju temperature pomou termoparova

Svaki spoj koji ine dva razliita metala, ine termopar. Tu nastaje problem. Pretpostavimo da imamo termopar K-tipa. Potrebno je da poveemo oba vodia termopara sa bakarnim vodiima, jer elimo da produimo vodie ili elimo da termopar poveemo sa multimetrom. Ove veze e stvoriti nove termoparove (Slika 3).

Slika 3. Problem stvaranja novih termoparova [2]

Crveni i plavi vodi sa prethodne slike ini termopar. Naranasti vodii su bakarni vodii. Meutim, zbog prvog termo-elektrinog zakona, na mjestima T4 i T5 se nee napraviti termoparovi, jer se tu spajaju vodi istog metala. Tako dobijamo malo drugaiju situaciju, koja je prikazana na slici 4.

Slika 4. U strujnom krugu postoji pet vorova, ali po termoelektrinim zakonima imamo tri termopara [2]

Problem je u tome to se u tokama T2 i T3, gdje su vodii termopara povezani sa bakarnim vodiima, stvaraju dva nova termopara. Ovi termoparovi e stvoriti EMS (elektromotornu silu) u kolu i na taj nain utjecati na mjerenje temeprature.

4. Mogua reenja problema 4.1. Upotreba "hladnog tua"

Svaki termopar pri 0C nee generirati EMS. Dakle, povezivanjem vodia unutar "hladnog tua", nee doi do greke pri oitanju. (Slika 5)

Slika 5. Upotreba hladnog tua [2]

4.2. Upotreba dvostruke pei Dvije pei se koriste da simuliraju nultu referentnu toku (0C), na nain koji je prikazan na slici 6. Vodii termopara su spojeni sa obrnutim polaritetom unutar jedne pei, a zatim su povezani sa bakarnim vodiima u drugoj pei. Sa razliitim temperaturama unutar pei simulira se referentna nulta toka.

Slika 6. Simuliranje nulte referentne take pomou dvije pei [2]

4.3. Izotermalni blok Prethodne metode za reenje problema su valjane i mogu dati korektne rezultate. Meutim, teko da su izvodljivi u realnim aplikacijama, izvan laboratorija. Zamislite na primjer, automatizirani stroj koji je potrebno mjeriti temperaturu pomou termopara. Bilo bi potrebno imati termopar, displej, hladnjak ili dvije pei... Zato su osmiljene druge metode kako bi se kompenzirala referentna temperatura. Prije pojanjenja ovih metoda, moramo se pozabaviti izotermnim blokom. U okruenju, gdje temperatura moe varirati od mjesta do mjesta, postoji mogunost da konektori mjerne opreme ne budu na istoj temperaturi, ak iako su udaljeni svega par centimetara. Dakle, mora se osigurati da oba spoja budu izloena istoj temperaturi. Zato se koriste izotermalni blokovi. Jednostavni izotermalni blokovi su poklopci napravljeni od specijalnih materijala, esto smjeteni u plastino kuite. Unutar njih se nalaze veze vodia termopara sa bakarnim vodiima. Specijalni materijal osigurava da oba spoja budu na istoj temperaturi. Neki drugi

izotermalni blokovi su mnogo napredniji, sa mogunou prikljuivanja vie termoparova, i sa dodatnim analognim signalima koji nose informaciju o referentnoj temperaturi vorova, koji sekoriste pri softverskoj kompenzaciji. Na slici 7 prikazan je jedan termopar koji je povezan sa bakrenim vodiima unutar izotermalnog bloka.

Slika 7. Izotermalni blok kod termopara koji se koristi za merenje temperature pomou multimetra [3]

5. Hardverska kompenzacija Ovo je veoma esta metoda kompenzacije temperature na spoju termopara sa bakrenim vodiima, takoer nazvan i "elektronska nulta referenca". Kod ove metode, termistor je postavljen unutar izotermalnog bloka. Otpornost termistora e se promijeniti uslijed promjene temperature unutar izotermalnog bloka. Koritenjem DC napona i par otpornika, kolo e dodati napon potreban za specifinu temperaturu unutar bloka. Razlog zbog kog je ova metoda veoma popularna je injenica da je izotermalni blok veoma jeftin, a tedi se i na vremenu za izraunavanje temperature. Ipak postoji i nedostatak. Za svaki termopar se mora koristiti drugaija hardverska kompenzacija. Ovo e poveati potreban prostor, kao i cijenu sistema. Na slici 8 prikazan je jedan strujni krug sa hardverskom kompenzacijom.

Slika 8. Hardverska kompenzacija [2]

6. Softverska kompenzacija Kod ove metode kompenzacije, raunati e se temperatura spojeva, praenjem temperature unutar izotermalnog bloka. Zato se termistor postavlja unutar bloka. Signal sa termistora se direktno prenosi do kontrolne ploe (PLC, mikroprocesor, raunalo itd.) koji e ga konvertirati u napon generiranja na spoju pri temperaturi unutar bloka. Ovaj napon e biti dodat mjerenom naponu sa termopara, a onda e se izraunati temperatura, pomou tabele zavisnosti napona od temeprature. Ovo je veoma jednostavan nain povezivanja termoparova sa procesorima, a bie potreban samo jedan termistor za vie veza termoparova unutar istog izotermalnog bloka. Brzina oitavanja temperature e se smanjiti, to je nedostatak softverske kompenzcije. Kod prethodne dvije spomenute vrste kompenzacije (hardverske i softverske), postavlja se pitanje zato koristiti termoparove, ako ve moramo da koristimo termistore? Termistori se koriste u uskom temperaturnom opsegu, obino ispod 200C, dok termoparovi mogu mjeriti temperature izmeu -270C i 1800C.

7. Tehniki problemi koji se javljaju pri upotrebi termoparova7.1. Problem povezivanja Ovo je problem o kome smo govorili do sada. Povezivanjem termopara sa bakrom (ili drugim metalom) napraviti novi termopar, te je potrebna kompenzacija temperature na ovom spoju.7.2. Otpornost provodnika Kako bi se zadrala dobra preciznost i vrijeme odziva, vodii termopara su obino tanki. Meutim, tanki provodnik znai vea otpornost. Mnogi procesori za mjerenje temperature su programirani da kompenziraju ovu otpornost. Tu su meutim i situacije kada je potrebno postaviti termopar na veliku udaljenost od procesora. U takvim sluajevima, otpornost vodia se mora uzeti u obzir. Kako bi se rijeio ovaj problem, koristi se tehnika nazvana "mjerenje kompenzacijom oma". Ureaj najprije izmjeri naponski offset bez izvora otpornosti. Onda se izvor otpornosti prikljui pa se napon ponovo izmjeri. Voltmetar kompenzira, pomou softvera, naponski offset termopara i izraunava stvarnu otpornost termopara.7.3. Dekalibracija Ovo je problem koji nam moe zadati najvie problema, jer oitavanje temperature izgleda da je uredu, a u stvari je pogreno. Ova greka se javlja kada se mijenja sastav provodnika temopara. Do promjene sastava vodia dolazi uslijed difuzije atmosferskih estica na metal koji radi pri ekstremnim temperaturama ili u kemikalijama.7.4. um Pojava uma se povezuje za sve elektronske aplikacije koje rade u okruenjima pod utjecajem uma. Utjecaj uma moe biti veoma znaajan, jer se izlazni napon termoparova mjeri u mikro-voltima. Naravno, postoje i reenja koja rjeavaju ovaj problem. Prvo, analogni filtar na ulazu u voltmetar drastino e smanjiti utjecaj uma. Upotreba kondenzatora e umanjiti utjecaj uma nastalog od naizmeninih ili pulsirajuih napona. Takoer, vodii termoparova se upliu (npr.

kao kod ethernet kablova). Postoji mnogo drugih metoda. Meutim, njihova upotreba zavisi od vrste uma koji se javlja.8. Termalno kretanje Termoparovi imaju neku masu. Kako bi se oitala temperatura, ta masa se mora zagrijati, a za njeno zagrijavanje mora biti uloena odreena koliina energije. Ako izvor zagrijavanja ne "osigurava" konstantnu energiju, tada e termopar povui koliinu energije iz izvora i tako e se umanjiti preciznost oitavanja. Sa druge strane, vodi termopara i kuite e izbrisati drugu koliinu energije u atmosferu. Kako bi se zaobiao ovaj problem, koriste se razliiti termoparovi, sa razliitim debljinama vodia i razliitim kuitima. Koritenjem odgovarajueg tipa dobit e se tonija oitavanja.

9. Eksperimentalni dio

Zadatak je uoavanje, biljeenje mjernih temperatura na lokaciji Meimurskog veleuilita u akovcu te upoznavanje studenata sa principima rada mjerenja temperature s termoparovima.

9.1. Mjerna mjesta

Sva mjerne mjesta bila su na lokaciji Meimurskog veleuilita u akovcu, dana 11.11.2015. u 18:00 sati kada je vanjska temperatura iznosila 16 C a unutarnja temperatura je iznosila 21 C. Mjerne toke bile su:

DETALJNO MJESTO MJERENJANAIN MJERENJA

1.Radijator lankasti u prizemlju veleuilita termostatska glava na 4. stupnju kod dovoda tople vodeKontaktno mjerenje

2.Izo Staklo na prozoru u prizemlju veleuilita (vanjska strana)Kontaktno mjerenje

3.Kotlovnica u veleuilitu prizemljeMjerenje dolaznog vodaKontaktno mjerenje

DETALJNO MJESTO MJERENJANAIN MJERENJA

4.Rukohvat kod ulaza u veleuiliteKontaktno mjerenje

5.Aparat za proizvodnju toplinske zrane struje (tzv. Fen)Bezkontaktno mjerenje udaljenost termopara od fen-a cca. 50 mm u smjeru tople zrane struje.

Tablica 1. Metode i naini mjerenja termoparovima

9.2. Rezultati mjerenja

MJESTO MJERENJATEMPERATURA MJERENJAU STUPNJEVIMAFARENHAITA [F]TEMPERATURA MJERENJAU STUPNJEVIMACELZIJUSA [C]

1.Radijator95F35C

2.Izo Staklo na prozoru62,6F17C

3.Kotlovnica105,8F41C

4.Rukohvat59F15C

5.Fen170,6F77C

Tablica 2. Rezultati mjerenja

10. Zakljuak

Mjerenje termoparovima lako je za rukovati poto je instrument kompaktnih dimenzija s velikim ekranom za oitovanje vrijednosti mjerenja, ima mogunost prikazivanja temperature u stupnjevima farenhaita i celzijusa. Mjerenje temperatura je u realnom vremenu bez zaostajanja u oitovanjima ili dugotrajnog prilagoavanja na promjenu temperature okoline, oitane vrijednosti su tone. Nedostatak je to je zavretak termopara (mjesta s kojim se mjeri) osjetljiv na mehanike udarce pa treba biti oprezan pri rukovanju.

Literatura

1https://bs.wikipedia.org/wiki/Termoparpreuzeto dana 09.11.2015

2http://www.automatika.rs/baza-znanja/senzori/termoparovi.htmlpreuzeto dana 09.11.2015

3https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/PREDAVANJE-2.pdfpreuzeto dana 09.11.2015

4http://www.unidu.hr/datoteke/majelic/ABP-4.pdfpreuzeto dana 09.11.2015

Meimursko veleuilite u akovcu14Meimursko veleuilite u akovcu