3. Laboratóriumi gyakorlat A HŐELLENÁLLÁS

Átírás

1 3. Laboratóriumi gyakorlat A HŐELLENÁLLÁS 1. A gyakorlat célja A Platina100 hőellenállás tanulmányozása kiegyensúlyozott és kiegyensúlyozatlan Wheatstone híd segítségével. Az érzékelő ellenállásának mérése a kiegyensúlyozatlan hídon mért feszültség alapján. Az R =f() jelleggörbe felrajzolása. Az érzékelőn a teljesítményveszteség meghatározása.. Elméleti bevezető.1. A hőellenállás Hőmérsékletváltozás következtében megváltozik az anyagok belső energiája, ami egy sor változást von maga után, mint például: a kristályrács módosulását, melegedést, térfogatváltozást, mind ez az anyag elektromos ellenállásának változását eredményezi. Az elektromos ellenállás változása a melegítésnek, az anyagban jelenlévő szennyeződéseknek, valamint a rácshibáknak tudható be. Hőmérsékletváltozáskor módosul a töltéshordozók mozgékonysága, tehát a vezetőképesség is. Az elektromos ellenállás változását a térfogat és a fajlagos ellenállás változása is okozza. Fémek esetében, amikor a hőtágulási állandó egy nagyságrenddel kisebb, mint a hőmérsékletfüggési fajlagos ellenállás-változás, a térfogatváltozás elhanyagolható. A szennyeződések jelenléte a termikus érzékenység csökkenéséhez vezet. Ezért a hőellenállások felépítéséhez igyekeznek minél tisztább fémeket használni. A hőmérséklet és az elektromos ellenállás közti összefüggés a következő: [ + ( ) ] R = R 1 0 α 0 (1) Ahhoz hogy egy fémből hőellenállást lehessen létrehozni, a következő feltételeket kell teljesítenie: α fajlagos ellenállás-változási állandó nagy, ez feltételezi a nagy hőmérsékletérzékenység megjelenését. a kezdeti hőmérsékleten mért R 0 ellenállás nagy kell legyen, hogy minél kisebb térfogatú hőellenállást kapjunk, valamint hogy a bekötő vezetékek ellenállása elhanyagolható legyen. 1

2 a jelleggörbe linearitása minél jobb legyen, hogy ne legyen szükség utólagos linearizálásokra. Kémiai tulajdonságok és paraméterek időbeli stabilitása az újrafelhasználhatóság céljából. Minél tisztább anyagszerkezet. Könnyű, olcsó előállíthatóság. R ellenállás R 0 kezdeti értékhez viszonyított hőmérséklet-okozta változása néhány hőellenállásként alkalmazott fémnél az 1. ábrán látható. A platina minden fent említett követelményt teljesít, az olcsó előállíthatóságon kívül. Rendkívül tiszta anyagszerkezet valósítható meg, aminek köszönhetően könnyen újrahasznosítható. Nincsenek módosulások a kristályrácsban, és a kristályrács szerkezete időben állandó. Kémiailag inaktív anyag. Érzékelőként 00 C és +600 C hőmérsékletintervallumban használják. A 0 C és +600 C hőmérséklet intervallumban etalon hőmérő készítésre is használható. Az ellenállás változás törvénye pozitív hőmérsékletekre a következő: R [ + ( ) + ( ) ] = R α α () Negatív hőmérsékletekre: R 3 [ + ( ) + α ( ) + ( ) ] = R α α (3) C hőmérsékletváltozás 10mA változást okoz. A réznek magasabb a hőmérséklet-érzékenysége és a karakterisztikája is lineáris, de csak szűkebb intervallumban használható, mert nagy a kémiai aktivitása, hamar oxidálódik, különösen nagy hőmérsékleten. Kicsi a fajlagos ellenállása, ami szenzoroknál nagy teljesítményt segít elő. Használati intervallum 50 C és +180 C.

3 A nikkel esetében a fajlagos ellenállás és a hőmérséklet-érzékenység nagy, de a jelleggörbe nem lineáris. Ritkán használják, mert már 350 C hőmérsékleten módosul a kristályrács szerkezete. Ezen kívül könnyen oxidálódik, és korrózió támadja meg, különösen magas hőmérsékleten. A változás törvénye komplikált. Ezért csak szűk, 100 C és +600 C hőmérséklet-intervallumban használják. A vas rendelkezik a legmagasabb érzékenységi fokkal, mégis ritkán használják erősen nemlineáris jelleggörbéje miatt. Nem ellenálló a kémiai hatásokkal és a korrózióval szemben. A wolfram érzékenysége és linearitása a platináénál is jobb, de ritkán használják a kristályrács szerkezetének időbeni változása miatt, valamint nagyon törékeny. A hőellenállások névleges ellenállása 0 C hőmérsékleten van megadva, és értéke 50Ω, 100Ω, 500Ω, 1000Ω lehet. Az utóbbiakat főleg alacsony hőmérsékleten használják. A bekötőszálak befolyásának kiküszöbölése végett a hőellenállásokat 3 vagy 4 bekötőszállal is gyártják. Gyártáskor védelmet biztosítanak a külső behatások ellen, gondoskodnak arról, hogy hamar átvegye a környezet hőmérsékletét, ne befolyásolja a hőtágulás, és használható legyen egyen- és váltóáramban is. Az ellenállások átmérője 10μm, hosszúsága 10cm nagyságrendű. Más gyártási lehetőség a platinafilm, ami fémlerakódással valósítható meg. Az ellenállás változás tehetetlensége kisebb, mint normális esetben, de az érzékenysége is 50%-al csökken. Még használatosak hőellenállás alapú felületi szondák. Ezek kezdeti értéke kicsi, de a deformálásra is érzékenyek. Ezek gyártásukhoz nikkelt vagy fero-nikkel ötvözetet használnak.. Ellenállásmérés Wheatstone híddal Mivel a hőellenállások passzív szenzorok, szükség van külső tápláló áramkörökre, egy áramkör részei kell legyenek. A hőellenállásos mérőáramkörök nem egyensúlyban működő Wheatstone-hídra épülnek, a feszültség változás mértéke arányos az ellenállásváltozással ( R ) és ezen keresztűl a hőmérsékletváltozással.. Ábra. A Wheatstone híd 3

4 Kiegyensúlyozott Wheatstone híd esetében a hídon mért feszültség U=0. Ebben az esetben a híd ellenállásainak értékei között a következő összefüggés van: R = (4) R R1R3 ehát ha három ellenállás értéket ismerünk, a negyedik könnyen kiszámítható. Kiegyensúlyozatlan Wheatstone híd esetében az ellenállások nem teljesítik a fenti összefüggést, így a hídon feszültség mérhető. A mért feszültség értéke: R R3 U = ( ) U (5) R + R R + R 1 3 Ahol U a tápfeszültséget jelöli. Az (5) összefüggésből visszaszámolható az R ellenállás értéke, ha a R 1, R, R 3, U, U ismert. R R1U + ( R1 + R ) U = R3 (6) R U ( R + R ) U 1 A fenti összefüggésből látható, hogy a hőellenállás értéke és a hidon mérthető feszültség arányos, de nem lineáris. Ezért a Wheatstone hídat gyakran linearizáló áramkör követi. Pontos mérés érdekében ki kell küszöbölni a hőellenálláson átfolyó áram okozta melegedést. Ezért az áramerősséget 10 0mA értékre korlátozzák. 3. A mérés menete I. A mérőstand összeállítása A mérőstandot a 3 ábra mutatja be, melynek adatai: R 1 = 100 Ω R = R 1 + Rd = 100 Ω + Rd R 3 = 0 Ω Rd dekadikus ellenállás A tápfeszültség legyen U = 5V. A Platina100-as hőelemet a Pt100_1 és Pt100_ csatlakozók közé kötjük. A dekadikus ellenállást az Rd_1 és Rd_ csatlakozók közé kötjük. Az ampermérőt az A+ és A- csatlakozók közé kötjük. A voltmérőt a V+ és V- csatlakozók közé kötjük. A tápfeszültséget beállítjuk 5V ra majd + és a földelés jel közé kötjük. 4

5 II Kigyensúlyozott Wheatstone híd 3. Ábra Pt100-as mérőstand A dekadikus ellenállást úgy változtatjuk, hogy a voltmérő 0 V-t mutasson. Lejegyezzük a dekadikus ellenállás értékét és kiszámítjuk R t: R = R 1 + Rd = 100 Ω + Rd III Kigyensúlyozatlan Wheatstone híd A hőellenállást a környezeti hőmérsékleten levő vízbe helyezzük. A vizet melegíteni kezdjük (Maximum 60 fokig!). Párhuzamosan olvassuk le a voltmérő, a referencia hőmérséklet és az ampermérő értékét. Kitöltjük a táblázat első három sorát. Grafikusan ábrázoljuk a feszültség értékét a hőmérséklet függvényében U = f(). IV Számítások Kiszámítjuk az ellenállás értékét (R P ) a (6) os összefüggésből. Kiszámítjuk a hőellenálláson elveszett teljesítményt az alábbi összefüggés alapján: P = R P I (7) 5

6 ahol I az ampermérőn mért áram és R P a kiszámított hőellenálás. Befejezzük a táblázat kitöltését. Ábrázoljuk grafikusan a hőellenállás változását, valamint a hőveszteséget a hőmérséklet függvényében R P =f() és P=f(). Hőellenállá s ( C) V I (V) (ma) R P (Ω) P (W) 4. Kérdések és feladatok 1. Az (5) ös összefüggés alapján igazoljuk a kiegyensúlyozási feltételt ( (4) es összefüggés ).. Igazoljuk, hogy a (6) os összefüggésben a feszültség változás ( U) és ellenállás változás ( R) nem lineárisan arányos! 3. Lehet-e használni a laboratóriumi gyakorlatban bemutatott mérőhídat, ha a használt hőmérséklet érzékelő nem hőellenállás hanem termisztor. Miért? 4. Hogyan kötjük be az áramkörbe a hőellenállást, ha 4 bekötőszállal rendelkezik? 5. Mutasunk be egy linearizáló áramkört! 6