Praktično merenje temperature
1.Uvod
Svrha ovog teksta je da istraži više jednostavnih tehnika merenja temperature i predstavljanje
postupaka za poboljšanje njihove tačnosti.Fokusiraćemo se na četiri najjednostavnija
temperaturna pretvarača:termopara,RTD (Resistance Temperature Detector)-otporni
temperaturni detektor,termistor i IC (Integrated Circuit) senzor.Bez obzira na veliku popularnost
termopara,često se pogrešno primenjuje.Zbog ovog razloga primarno ćemo se koncentrisati na
tehnike merenja pomoću termopara.Kroz ovu brošuru naglasićemo praktična razmatranja
postavljanja pretvarača,kondicioniranje signala i instrumentaciju.
Slika 1. Četiri najjednostavnija senzora za merenje temperature
2.Termopar
Kada se dve žice napravljene od različitih metala spoje na oba kraja i kada se jedan od krajeva
zagreva javlja se stalna struja koja protiče u termoelektričnom kolu.Ovo je otkrio
Thomas
Seebeck
1821.Ako je ovo kolo prekinuto na centru dobitak napona otvorenog kola je funkcija
veze temperature i sastava dva metala (Slika 2a).
1
a) b)
Slika 2. a)
Seebeck
- ov efekat b)
Seebeck
-ov napon proporcionala promeni temperature
Svi različiti metali ispoljavaju ovaj efekat.Za male promene temperature
Seeback
-ov napon je
linearno proporcionalan temperaturi: e
AB
=αT.Gde je α Seeback-ov koeficijent,konstanta
proporcionalnosti.(Za realne termoparove α nije konstanta već varira sa temperaturom).
2.1 Merenje napona termopara
Seeback-ov napon se na može meriti direktno zato što prvo moramo povezati voltmetar na
termopar,tako da će same žice voltmetra napraviti novo termoelektrično kolo.
Slika 3.Merenje napona spoja sa DVM
Na Slici 3 imamo povezivanje voltmetra preko termopara koji se sastoji od bakra i
konstanta(Constantan je metalna legura od 45 odsto nikla i 55 procenata bakra).Pratićemo izlazni
napon.
Želimo da voltmetar očitava samo napon V
1
, ali povezivanjem voltmetra u pokušaju da se
izmeri izlaz spoja J
1
stvorili smo još dva više metalna spoja:J
2
i J
3
.Pošto je J
3
spoj bakar-na-
bakar,to ne stvara e.m.f (V
3
=0),dok je J
2
spoj bakar-na-konstantan koji će dodati jedan e.m.f. (V
2
)
u suprotnom položaju od V
1
.Rezultujuće očitavanje voltmetra biće proporcionalno temperaturnoj
2
Bakar-konstantan termopar prikazan na Slici 4 je jedinstven primer zato što su bakarne žice isti
metal kao i priključci voltmetra.Sada ćemo koristiti jedan termopar sačinjen od spoja gvoždje-
konstantan.Žice od gvoždja povećeveju broj različitih spojeva u kolu,jer oba priključka voltmetra
postaju Cu-Fe spojevi termopara.
Slika 5. Gvoždje-Konstantan par
Ovo kolo će još uvek odezbedjivati umereno precizna merenja sve dok terminali voltmetra na
niskom i visokom potencijalu (J
3
i J
4
) budu u suprotnom položaju.Ako obe prednje strane
terminala ne budu na istoj temperaturi ,doći će do greške.Za preciznija merenja bakarne vodove
voltmetra treba produžiti tako da su spojevi bakar-na-gvoždje na izotermnom(ista temperatura)
bloku.(Slika 7).Izotermni blok je električni izolator,ali dobar provodnik toplote i služi za držanje
J
3
i J
4
na istoj temperaturi.Nezavistan temperaturni blok je nepotreban zato što dva Cu-Fe spoja
deluju u suprotnosti.Još uvek imamo:
V= α(T
J1
– T
REF
)
Slika 6.Poništavanje napona spoja
4
2.3 Referentno kolo
Kolo sa Slike 7. će nam dati precizna očitavanja,ali bi bilo lepo eliminisati ledeno korito ako je
to moguće.Zamenićemo ledeno korito sa drugim izotermalnim blokom(Slika 8a i 8b).
Slika 7. Otklanjanje spojeva sa DVM terminala
Slika 8a. Eliminisanje ledenog korita
Slika 8b. Pridruživanje izotermalnih blokova
Novi blokovi su na
Referentnoj
temperaturi T
REF
,i zato što su J
3
i J
4
još uvek na istim
temperaturama možemo opet pokazati da je :
V= α(T
1
– T
REF
)
Ovo je još uvek nepodesno kolo jer imamo da povežemo dva termopara.Eleminisaćemo višak Fe
zicu na negativnom potencijalu (LO),kombinovanjem Cu-Fe spoja (J
4
) i Fe-C spoja (J
REF
).Ovo
5
Ovaj postupak je poznat kao softverska kompenzacija zato sto se oslanja na softver u
instrumentu ili računaru da nadoknadi efekat referentnog spoja.Temperaturni senzor izotermnog
terminalnog bloka može biti bilo koji uredjaj koji ima karakteristike proporcionalne apsolutnoj
temperaturi: RTD,Termistor ili integrisano senzorsko kolo.Čini se logično pitanje:Ako već
imamo uredjaj koji meri apsolutnu temperaturu (kao RTD ili termistor) ,zašto se i dalje trudimo
sa termoparom koji zahteva kompenzaciju referentnog spoja?Najvažniji odgovor na ovo pitanje
je da su termistor,RTD i integrisana kola pretvarača korisni samo u odredjenom temperaturnom
opsegu.Termoparovi se u drugu ruku mogu koristiti u različitim temperaturnim opsezima,i
optimizovani su za različite uslove merenja.Oni su mnogo čvršći od termistora,što potrvdjuje i
činjenica da su termoparovi često zavareni na metalni deo ili stegnuti ispod zavrtnja.Mogu biti
izradjeni na licu mesta,bilo lemljenjem ili zavarivanjem.Ukratko,termoparovi su najraznovrsniji
temperaturni pretvarači na raspolaganju i pošto sistem za merenje obavlja ceo zadatak referentne
kompenzacije i softverske naponsko-temperaturne konverzije,korišćenjem termoparova postaje
lako kao i povezivanje para žica.
Merenje pomoću termopara postaje naročito pogodno kada se mora pratiti veliki broj tačaka
podataka.Ovo se postiže korišcenjem izotermnog referentnog čvora za više od jednog elementa
termopara (Slika 12).
Slika 12. Uključivanje više tipova termopara
Relejni skener povezuje voltmetar sa različitim termoparovima u nizu.Sve žice voltmetra i
skenera su bakarne,nezavisno od tipa izabranog termopara.U stvari,dokle god znamo šta je svaki
termopar,možemo mešati tipove termopara na istom bloku izotermnog spoja (često zvanu zona
kutije) i napraviti odgovarajuće modifikacije u softveru.Blok spoja temperaturnog senzora R
T
,je
smešten u centru da minimizuje greške zbog termalnih gradijenata.Softverska kompenzacija je
najraznovrsnija tehnika koju imamo za merenja termoparova.Mnogi termoparovi su povezani na
isti blok,bakarni žice se koriste kroz skener i tehnika je nazavisna od tipa biranog
termopara.Pored toga,kada se koristi sistem za akvizaciju podataka sa ugradjenom zonom
kutije,jednostavno povezujemo termoprar kao što bi par test žica.Sve konverzacije su uradjene
od strane softvera instrumenta.Jedina mana je što zahteva malo vremena za zyračunavanje
7
