„Hőmérsékletérzékelők hitelesítése 2014-es állapot” változatai közötti eltérés
| 1. sor: | 1. sor: | ||
<wlatex> | <wlatex> | ||
| − | |||
| − | |||
''A mérés célja:'' | ''A mérés célja:'' | ||
A lap jelenlegi, 2014. november 27., 15:43-kori változata
A mérés célja:
- három elterjedten alkalmazott hőmérsékletérzékelő: az ellenállás-hőmérő, a termisztor és a termoelem bemutatása.
Ennek érdekében:
- ismertetjük az ellenállás-hőmérő, a termisztor és a termoelem működésének alapelvét, valamint az alkalmazásukkal kapcsolatos fontosabb tudnivalókat,
- kimérjük az érzékelőket jellemző ellenállás–hőmérséklet, ill. feszültség–hőmérséklet kapcsolatokat,
- meghatározzuk az érzékelők viselkedését leíró függvények paramétereit.
Tartalomjegyzék |
Elméleti összefoglaló
Az anyagok jellemzői általában függenek a hőmérséklettől. Elvben bármely hőmérsékletfüggő tulajdonság felhasználható hőmérő készítésére. Ennek megfelelően a hőmérsékletmérő eszközök széles skáláját fejlesztették ki. A gyakorlat során a laboratóriumokban leggyakrabban használt hőmérők kerülnek bemutatásra: az ellenállás-hőmérő, a termisztor és a termoelem. Az előbbi kettőnél az elektromos ellenállás hőmérsékletfüggését használjuk ki, míg az utóbbinál termofeszültségét.
Ellenállás-hőmérő ellenállásának hőmérsékletfüggése
A fémes anyagok ellenállása az
![\[R = R_0 [ 1 + \alpha (T-T_0)]\]](/images/math/f/f/5/ff5528ea7539ded75b17855193e53f46.png)
kifejezéssel közelíthető, ahol 
és 
a 
ill. 
hőmérsékletekhez tartozó ellenállás értékek, 
pedig az anyagtól függő hőmérsékleti tényező (1. ábra). , , és ismeretében a hőmérséklet közvetlenül számítható.
Termisztor ellenállásának hőmérsékletfüggése
A félvezető anyagok ellenállása jól közelíthető az
![\[R = A e^\frac{B}{T}\]](/images/math/a/5/a/a5a893aed90894212418488a33ed1a75.png)
kifejezéssel (2/a ábra), ahol 
a 
értékhez tartozó ún. maradékellenállás, és 
a félvezető anyagára jellemző állandó (
, ahol 
a félvezető tiltott sáv szélessége, 
pedig a Boltzmann-állandó).
A kifejezés természetes alapú logaritmusát véve
![\[\ln R = \ln A + \frac{B}{T}\]](/images/math/9/d/f/9df783f3783f90437279b3e291270c98.png)
Ha tehát a mért ellenállás értékek logaritmusát 
függvényében ábrázoljuk egyenest kapunk (2/b ábra), melynek tengelymetszetéből ill. meredekségéből és 
meghatározható.
Ellenállás-hőmérők és termisztorok összehasonlítása
Az ellenállás-hőmérő és a termisztor ellenállása függ a hőmérséklettől. Az előbbi esetben az elektronok mozgékonyságának csökkenése miatt az ellenállás növekszik a hőmérséklettel. Ezzel szemben a termisztor ellenállása csökken, mivel a hőmérséklet emelkedésével nő a töltéshordozók koncentrációja. A két érzékelő jellemzőit a következő táblázatban hasonlítjuk össze:
| Tulajdonság | Ellenállás-hőmérő | Termisztor |
|---|---|---|
| Hőfoktényező | kicsi,  |
nagy,  -függő
|
 (20 °C)
|
~ 100  |
k nagyságrendű
|
| Stabilitás | jó | gyengébb |
| Reprodukálhatóság | jó | gyengébb |
| Karakterisztika | lineáris | exponenciális |
| Tömeg | > termisztor | < ellenállás-hőmérő |
| Hőtehetetlenség | > termisztor | < ellenállás-hőmérő |
| Ár | > termisztor | < ellenállás-hőmérő |
| Hőmérséklet tartomány | -183-tól 630 °C-ig | -60-tól 150 °C-ig |
| Anyaga | Pt, Cu, Ni, ötvözetek | különféle félvezetők |
A termoelem
Két különböző fém érintkezésekor a két fém között elektromos feszültség mérhető. Ez a feszültség az ún. kontaktpotenciál, melynek nagysága az érintkező fémek anyagi minőségétől és az érintkezési pont hőmérsékletétől függ.
Ha a 3. ábrán látható kapcsolást három különböző [(1), (2), és (3) jelzésű] fémből alakítjuk ki, de minden pont azonos hőmérsékleten van, akkor a voltmérőn nem jelentkezik feszültség. Amennyiben valamelyik fém-fém átmenet (A, B vagy C pontok) hőmérséklete megváltozik, akkor viszont feszültség mérhető, melynek értéke arányos a hőmérséklet-változással. Tehát, ha az A átmenet hőmérsékletét kívánjuk mérni, akkor a másik két átmenet (B és C pont) hőmérsékletét állandó értéken – a hitelesítés hőmérsékletén – kell tartani, ekkor a voltmérővel az A pont hőmérsékletének megváltozásával arányos feszültség mérhető. A többi pont hőmérsékletének állandó értéken tartása azért fontos, mert ellenkező esetben a fellépő kontaktpotenciál változások meghamisíthatják a mérést.
Ezen nehézségeket a két összekapcsolt termoelemből álló ún. termopár (4. ábra) segítségével küszöbölhetjük ki. A termopárt alkotó kontaktusok (B és C) az (1) és (2) anyagokat kötik össze, míg a (3) anyagból készült elvezető huzalok az A és a D pontokon kapcsolódnak a termopárhoz.
Először a termopáron kialakuló feszültséggel – vagyis az A’ és D’ pontok között fellépő feszültséggel foglalkozunk [A’ és D’ az (1) anyagban, az A és D pontok közelében levő két pont]. Ha B és C hőmérséklete különböző, vagyis 
, akkor az A’ és D’ pontok között megjelenő feszültség arányos hőmérséklet-különbséggel.
![\[U_{A'D'}=U_{12}(t_0+\Delta t)-U_{12}(t_0)=\alpha_{12}\Delta t\]](/images/math/8/d/7/8d74b9c807b4ca7b1d2b4f9d0bd7b169.png)
ahol az indexben levő számok a termoelemet alkotó anyagokra utalnak, és kihasználtuk, hogy a szembe kapcsolt termoelemekre 
. (Megjegyezzük, hogy a lineáris közelítés szűk hőmérséklet-tartományban illetve kisebb pontossági igények esetén alkalmazható. Szélesebb hőmérsékleti intervallumban magasabb hatványkitevők és további állandók bevezetése szükséges.)
Az összefüggés szerint a termopár kimenetén a B és C pontok közti hőmérsékletkülönbséggel arányos feszültség jelenik meg. Ha tehát hőmérőként kívánjuk használni, akkor az egyik átmenetet ismert hőmérsékleten kell tartani. A vonatkoztatási hőmérséklet általában 0 °C, ami olvadó jég segítségével könnyen előállítható és tartható. (A pontosság növelése érdekében célszerű desztillált vízből készíteni a jeget.)
Ennél a kapcsolásnál tehát a hőmérsékletmérés a B és a C pontoknál levő átmenetek segítségével történik. A mérőműszerhez vezető huzalok csatlakozási pontjainál (A és D) azonban elkerülhetetlenül további "járulékos" termoelemek alakulnak ki. Ezek a "járulékos" termoelemek azonos anyagból állnak [az (1) és a (3) jelű anyagból], így a keletkezett termofeszültségek szembekapcsolódnak. Mérés közben tehát csak arra kell ügyelni, hogy ezen átmeneteknek azonos legyen a hőmérséklete. Ez a feltétel aránylag könnyen teljesíthető az átmenetek közötti jó termikus kapcsolattal.
Hitelesítés
A hitelesítés jelen esetben az érzékelők hőmérséklet–ellenállás ill. hőmérséklet–termofeszültség függvényeinek meghatározását jelenti. A mérésnél a hőmérséklet-érzékelőket olajjal töltött dupla falú üvegedénybe (hőcserélőbe) helyezzük egy-egy "hiteles" higanyos hőmérővel együtt (termopár esetében csak az egyik termoelem kerül olajfürdőbe, a másik víz-jég keverékbe merül). Az olajfürdő hőmérsékletét az üvegedény falában áramoltatott, termosztáttal szabályozott hőmérsékletű víz segítségével állítjuk be.
A hőmérséklet változása közben néhány fokonként egyszerre kell leolvasni a higanyos hőmérő által mutatott hőmérsékletet és az ellenállás- ill. feszültségértékeket. A különböző eszközök hőtehetetlensége miatt fellépő hiba kiküszöbölése érdekében a mérést növekvő és csökkenő hőmérséklet mellett is el kell végezni. (Pontosabb méréseket lehetne végezni állandósult hőmérsékleten – stacioner állapotban –, de a mérési gyakorlaton nincs idő a hőmérsékleti egyensúly beálltát minden hőmérsékleten megvárni.)
Az ellenállásokat a nagyobb pontosság érdekében lehetne Wheatstone-híddal, a feszültségeket pedig kompenzációs módszerrel is mérni. A mérési gyakorlaton azonban a méréseket digitális multiméterrel fogja végezni.
Mérési feladatok
A méréshez rendelkezésre álló eszközök
- A mérés elvégzéséhez és a mérési napló elkészítéséhez a dőlt betűs részekben adunk segítséget.
1. Hitelesítse a higanyos hőmérőt!
a) Higanyos hőmérő (0-100 ºC, 0,1 ºC osztás) nullpontjának ellenőrzése olvadó jégben. Helyezze a hőmérő gömbjét az olvadó jéggel töltött termoszba, és várjon kb. 5 percet, majd olvassa le a hőmérsékletet! Adja meg a hőmérő nullpontértékének korrekcióját!
b) Higanyos hőmérő hőmérsékleti skálájának ellenőrzése Na
SO
.10HO bomlási hőmérséklete (32,38 ºC) alapján.
A hőcserélőben elhelyezett frissen porított sót áramoltatott, fűtött termosztát folyadékkal melegítse kb. 40 ºC-ig! Ehhez a termosztát előlapján a jobboldali kapcsolóval (motor) a folyadék keringtetését, az 500 W fűtéskapcsolóval a folyadék melegítését kell bekapcsolni. A vizsgálatnál meghatározott időközökben (pl. percenként) mérje a só hőmérsékletét, és a felvett hőmérséklet–idő grafikon elemzésével állapítsa meg az erre a hőmérsékletre jellemző korrekciót!
Mérés közben folyamatosan ügyeljen arra, hogy a hőmérő higanygömbje mindig a sóban legyen!
- Mit vár? Hogyan fog változni a só hőmérséklete az idő függvényében? Hogyan állapíthatja meg az átalakulási hőmérséklet mért értékét?
2. Állapítsa meg az ellenállás-hőmérő és a termisztor ellenállásának, valamint a termoelem termofeszültségének hőmérsékletfüggését a hőmérséklet növekedése közben! A méréseket három multiméterrel végezze! A hőmérsékletet a szobahőmérséklettől kb. 60 °C-ig változtassa!
- Jegyezze fel, milyen méréshatáron méri az egyes mennyiségeket!
3. A maximális hőmérséklet elérésekor mérje meg a termoelem 
belső ellenállását!
A termoelem belső ellenállásához mérni kell
a) a termoelem üresjárati feszültségét (
),
b) a termoelem áramát egy ismert ellenálláson keresztül (
).
Ez az ismert ellenállás maga az árammérő is lehet, pl. 20 mA vagy 200 mA méréshatáron.
c) Az árammérő ellenállását (
, ami természetesen függ a méréshatártól) egy ellenállásmérő segítségével lehet megmérni. Az ellenállásmérőt egyszerűen rákötjük a – más áramkörbe ezalatt be nem kötött! –, megfelelő méréshatárra beállított árammérőre.
d) , és ismeretében az belső ellenállás számolható.
- Milyen méréshatárra állított árammérővel terheli a termoelemet? Miért?
- Mekkora az árammérő belső ellenállása ezen a méréshatáron?
- Hogyan fejezhető ki a mért mennyiségek segítségével?
4. Végezze el a feladatot csökkenő hőmérséklet mellett is!
Ehhez először 25 ºC-ra kell állítani a kontakthőmérőt, és ki kell nyitni a hűtőkör vízcsapját.
- Tapasztal-e különbséget a növekvő és csökkenő hőmérséklet mellett mért adatok között?
5. Mérési eredményeit ábrázolja diagramon!
6. Az ellenállás-hőmérő és a termoelem vizsgálata során kapott mérési pontokra illesszen egyenest! Határozza meg az érzékelők paramétereit és adja meg hibájukat!
7. A termisztoron végzett mérés eredményeit ábrázolja 
grafikonon! A kapott pontokra illesszen egyenest, határozza meg a termisztor és 
paramétereit és adja meg a hibájukat!
