Elektrické měření

Elaboráty

Měření snímačů teploty

Zadání

1)      Na předložených vzorcích odporového snímače teploty Pt100, na termoelektrickém snímači Fe-Co a na snímači GTH změřte statickou a převodní charakteristiku

a)      R = f(u)    

b)      Ux = f(u)

2)      Sestrojte tabulky a graf

3)      Ze sestrojených charakteristik vypočítejte koeficient a_r pro Pt100 a k_ux pro Fe-Co.

4)      Naměřte dynamické vlastnosti všech předložených snímačů

5)      Navrhněte zdroj unifikovaného signálu k napěťovému snímači Fe-Co, který bude mít při bodu varu na výstupu 6V

Teoretický úvod

Systémy pro měření neelektrických veličin

         Systémy pro měření nejrůznějších  fyzických veličin (a to včetně měřících částí regulačních systémů) mají na svém vstupu senzory, jež převádějí měřenou fyzikální veličinu (např. teplotu, tlak, rychlost otáček, polohu apod.) na veličinu elektrickou. Charakter této el. veličiny nebo její velikost většinou neumožňuje ani přímou indukci velikosti měřené veličiny, ani přímý analogově-číslicový převod nutný pro další – v měřících a regulačních systémech obvyklé – číslicové zpracování. Proto je nutné signál z výstupu senzoru nejprve upravit (předzpracovat) ve vhodném převodníku – viz. Obr. 10.1

            U některých typů moderních senzorů je jak potřebný analogový převodník pro předzpracování signálu, tak i analogově-číslicový převodník (někdy včetně číslicových obvodů pro korekci nelinearit a s rozhraním pro jeho přímé připojení k distribuovanému sytému)integrován do senzoru. Pak hovoříme o tzv. inteligentních senzorech.

            Senzory můžeme rozdělit buď podle druhu měřené fyzikální veličiny (senzory pro měření teploty, tlaku, vlhkosti, atd.), nebo podle principu na kterém pracují. V této kapitole budou zmíněny pouze základní principy a typy senzorů a převodníků pro měření těch fyzikálních veličin, se kterými se lze běžně setkat jak ve většině průmyslových provozů, tak v energetice.Bude se jednat o měření :

-         teploty (odporové senzory, termoelektrické senzory)

-         polohy a výšky hladiny (odporové senzory, kapacitní senzory, indukčnostní senzory, optoelektrické senzory)

-         mechanického namáhání a tlaku (odporové senzory, kapacitní senzory, piezoelektrické senzory)

-         rychlosti (indukční senzory, optoelektrické senzory)

Podrobnější znalosti týkající se problematiky měření těchto neelektrických veličin a metody umožňující měření řady dalších veličin lze nalézt např. ve [10.2]

      Vzhledem k tomu, že tato monografie je věnovaná zejména elektrickým měřením, jsou i senzory popisované v této kapitole uspořádány podle principu, tedy vstupní elektrické veličiny v případě senzorů generujících aktivní elektrickou veličinu nebo podle elektrického parametru, který se mění s měřenou fyzikální veličinou, v případě pasivního senzoru.

Odporové senzory

Odporové senzory pro měření polohy :

            Odporové senzory pro měření polohy patří mezi nejjednodušší typy senzorů. Jedná se o potenciometr s homogenní odporovou dráhou, kde odpor mezi jezdcem a příslušným koncem odporové dráhy je přímo úměrný vzdálenosti v případě lineárního snímače, případně úhlu natočení v případě rotačního snímače. V případě nejjednoduššího zapojení podle obr. 10.2a je

potenciometrický snímač polohy napájen ze zdroje konstantního napětí U a výstupní napětí Uv, které je úměrné poloze jezdce, je přímo měřeno V-metrem. Pokud platí, že R_V >> R_p pak platí vztah

Pokud není výše uvedená podmínka splněna, pak je nutné vzít v úvahu náhradní schéma obvodu.

Termoelektrické články

            Teploměry s termoelektrickými články jsou založeny na tzv. Seebeckově jevu. V uzavřeném obvodu složeného ze dvou vodičů z různých kovů bude protékat elektrický proud, pokud spoje těchto vodičů budou na různých teplotách J₁ a J₂. Jestliže tento obvod kdekoliv rozpojíme (obr. 10.28), bude napětí U mezi takto vzniklými svorkami přibližně přímo úměrné rozdílu teploty J₁ - J₂ , tedy

kde a₁₂ je termoelektrický koeficient příslušné dvojice kovů. Pro běžná měření teploty obvykle tento vztah postačuje, pro přesné vyjádření závislosti termoelektrického napětí na teplotě je třeba použít polynom 2. – 3. řádu.

Na obr. 10.29 je uveden nejjednodušší obvod pro měření teploty. Z výše uvedeného vyplývá, že napětí měřené mezi svorkami A a B odpovídá rozdílu teploty J₁ - J₂, kde J_s je teplota těchto svorek, většinou odpovídá teplotě okolí. Pokud chceme z měřeného napětí U určit měřenou teplotu J_1, musíme získat teplotu J_s tzv. studeného konce termoel. článku nebo chybu, která by tím mohla vznikat, nějakým způsobem kompenzovat.

            V praxi se běžně používají oba způsoby. Analogová kompenzace napětí odpovídajícího teplotě studeného konce termočlánku spočívá v přímém odečtení tohoto napětí od napětí termočlánku. Na obr. 10.30 je schéma zapojení tzv. kompenzační krabice, které se v nejrůznějších obměnách stále používá. Jako senzor teploty okolí J_s se zde využívá rezistor R_Cu navinutý z měděného drátu, který při změně teploty rozvažuje Wheatstoneův můstek. Tento je vyvážen pro teplotu 20 °C a při změně teploty na napětí U_D na diagonále můstku odečítá od napětí termoel. článku U_J tak, že napětí na výstupu U_V je přímo úměrné teplotě termoel. článku (odchylce o 20°C) bez ohledu na teplotu okolí. Na obdobném principu pracují i analogové kompenzační obvody, kde senzorem teploty okol¨í je PN přechod.

            Zejména v číslicových měřících systémech, kde obvykle měříme teploty termoel. články na více místech, se používá tzv. izotermální svorkovnice (obr. 10.31). V tomto případě je na jeden ze vstupních kanálů připojen senzor teploty, pracující na jiném principu (obvykle odporový senzor či PN přechod), který měří teplotu izotermální svorkovnice J_s teploty měřené jednotlivými termoel. články se pak vypočtou dle vztahu

            Jednotlivé typy teromel. Článků určených pro měření teploty se standardně označují velkými písmeny. Některé typy těchto termočlánků a jejich doporučené teplotní rozsahy jsou uvedeny v tabulce 10.1.

Postup měření

            Do varné nádoby s připravenou (vychlazenou) vodou jsme umístili 3 předem dané snímače teploty. Snímače musí být upevněny na držáku, dotýkaly by se snímače topného tělesa, nebo dna nádoby a tím by mohlo být měření značně ovlivněno.

            Připravený vařič jsme zapojili do elektrické sítě a po určitých časových intervalech jsme odečítali teplotu a výstupní napětí senzorů. Po dosažení bodu varu jsme ohřívač vypnuli a začali jsme odečítat hodnoty teploty a chladnoucí vody, vše jsme zaznamenávali do tabulek.

Schéma zapojení

Naměřené a vypočítané hodnoty

Závěr

            Při měření jsme dospěli k poznatku, že měření pomocí snímače teploty FeCo(napěťového) je mnohem rychlejší, čili rychleji reaguje na změnu teploty. Oproti tomu snímač Pt100(odporového) reaguje pomaleji. Z toho plyne, že užití je v pomalu se měnících podmínkách. Jeho konstrukce je masivní a proto vydrží i vyšší tlaky. Z naměřených hodnot je patrné, že oba snímače nemají stejnou závislost výstupní veličiny na teplotě.