„Hőmérsékletérzékelők hitelesítése 2014-es állapot” változatai közötti eltérés

A lap 2014. november 27., 15:27-kori változata (lapforrás) Vanko (vitalap | szerkesztései) (Új oldal, tartalma: „<wlatex> <!--Kategória:Mechanika--> Kategória:Elektromosságtan Kategória:Hőtan <!--Kategória:Kvantummechanika--> <!--Kategória:Statisztikus …”)		A lap 2014. november 27., 15:42-kori változata (lapforrás) Vanko (vitalap | szerkesztései) Újabb szerkesztés →
1. sor:		1. sor:
	<wlatex>		<wlatex>
−	<!--[[Kategória:Mechanika]]-->	+
−	[[Kategória:Elektromosságtan]]	+
−	[[Kategória:Hőtan]]	+
−	<!--[[Kategória:Kvantummechanika]]-->	+
−	<!--[[Kategória:Statisztikus fizika]]-->	+
−	<!--[[Kategória:Nanofizika]]-->	+
−	<!--[[Kategória:Optika]]-->	+
−	<!--[[Kategória:Szilárdtestfizika]]-->	+
−	<!--[[Kategória:Mag és részecskefizika]]-->	+
−	<!--[[Kategória:Informatika]]-->	+
−	[[Kategória:Laborgyakorlat]]	+
−	[[Kategória:Fizika laboratórium 1.]]	+
−	<!--[[Kategória:Fizika laboratórium 2.]]-->	+
−	<!--[[Kategória:Fizika laboratórium 3.]]-->	+
−	<!--[[Kategória:Fizika laboratórium 4.]]-->	+
−	[[Kategória:Szerkesztő:Vankó]]	+
	''A mérés célja:''		''A mérés célja:''

---

A lap 2014. november 27., 15:42-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 1 Elméleti összefoglaló 1.1 Ellenállás-hőmérő ellenállásának hőmérsékletfüggése 1.2 Termisztor ellenállásának hőmérsékletfüggése 1.3 Ellenállás-hőmérők és termisztorok összehasonlítása 1.4 A termoelem 2 Hitelesítés 3 Mérési feladatok

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

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

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

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.

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!

5. ábra

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 NaSO.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!

6. ábra

• 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!