Системи за аквизицију података

Тема:Мерење температуре термопаром

Студент: Ментор:Душан Лилић проф. др Бранислав Петровићбр. индекса 12947

1. О термопаровима

У квалитативном погледу, температура предмета детерминисана је осећајем топлог или хладног при додиру са тим предметом. У техничком погледу, температура је мера просечне кинетичке енергије честица у узорку материје, изражена у степенима на стандардизованој скали. Температура се може мерити на више различитих начина, који се могу разликовати по много фактора – почев од цене опреме за мерење па све до степена прецизности инструмената.Термопарови спадају у сензоре који се врло често користе за мерење температуре, пре свега зато што су релативно јефтини а у исто време и прецизни и раде у широком опсегу температура.

Основе термопарова установио је Томас Јохан Сибек 1821. године откривши да се у проводнику ствара напон ако се он подвргне температурном градијенту (појава је названа термоелектрични, односно Сибеков ефекат). Да би се тај напон измерио, потребан је други проводник који генерише различит напон под утицајем истог температурног градијента, који се супротставља основном напону. Када би се за мерење користио исти материјал, напон који би се генерисао од стране мерног проводника једноставно би поништио напон првог проводника. Разлика између напона генерисаних од стране два проводника који су састављени од различитих материјала може да се мери, и одговара одређеном температурном градијенту. Та разлика напона расте са порастом температуре, и то за 1 до 70 микроволти по Целзијусовом степену (µV/°C) за стандардне комбинације метала.Према Сибековом принципу, термопарови могу да мере само разлику темература, а потребна им је позната референтна температура како би могли да обезбеде апсолутна очитавања.

Сибеков ефекат описује напон електромоторне силе (EMF) који се индукује дуж жице услед појаве температурног градијента. Промена материјалне електромоторне силе услед промене температуре назива се Сибековим коефицијентом термоелектричне осетљивости. Овај коефицијент обично је нелинеарна функција температуре.

Ипак, за мале промене температуре дуж проводника, напон је приближно линеаран, што се може представити следећом једначином где је   - промена напона, S - Сибеков коефицијент,   - промена температуре.

(1)

Термопар се креира увек када се два различита метала додирну на једном крају, а мерење се врши на другом. Створени напон отвореног кола је функција температурне разлике измећу контактне тачке и мерне тачке метала. Измерени напон термопара је разлика у Сибековом напону дуж оба проводника, представљена горњом једначином.

1

Сибеков коефицијент, S, варира са променом температуре, што узрокује да излазни напони термопарова буду нелинеарни изнад својих операционих опсега.

Постоји неколико врста термопарова који се обележавају великим латиничним словима, распоређеним према правилима Америчког националног института за стандарде (ANSI). На пример, J-тип термопара има проводнике од гвожђа и константана (легура бакра и никла). Листа свих типова термопарова дата је у табели 1.

термопар позитивни проводник негативни проводниктипB Платина-30% Родијум Платина-6% Родијум

E легура Никл-Хром легура Бакар-Никл

J Гвожђе легура Бакар-НиклK легура Никл-Хром легура Никл-Алуминијум

N легура Никл-Хром-Силицијум

легура Никл-Силицијум-Магнезијум

R Платина-13% Родијум Платина

S Платина-10% Родијум Платина

T Бакар легура Бакар-Никл

Табела 1

2. Принцип рада

Да би се температура мерила помоћу термопара није довољно једноставно повезати волтметар или неки други мерни уређај, јер је напон који се мери пропорционалан температурној разлици између примарног чвора и чвора где се мери напон. Према томе, да би се знала апсолутна температура на врху термопара, мора се знати и температура на месту где је термопар повезан са мерним инструментом.

слика1: термопар Ј-типа

2

Слика 1 приказује термопар Ј-типа који је позициониран изнад пламена свеће, где треба измерити температуру. Две жице термопара повезане су са бакарним изводима уређаја за прикупљање података. Коло садржи три различита метална споја: Ј1, Ј2 и Ј3. Сибеков напон се ствара између Ј3 и Ј2, и пропорционалан је температурној разлици између Ј1 (где се детектује температура пламена свеће) и Ј2 и Ј3. Ј2 и Ј3 би требало да буду довољно близу, тако да се може претпоставити да имају исту температуру. Бакарна жица је повезана и са Ј2 и са Ј3, тако да нема додатне појаве напона због температурне разлике између споја Ј2-Ј3 и тачке где се напон мери преко уређаја за аквизицију. Да би се одредила температура на Ј1, морају се знати температуре спојева Ј2 и Ј3. Затим се температура на Ј1 закључује на основу измереног напона и познате температуре споја Ј2-Ј3.

Термопарови захтевају и одређену температурну компензацију за хладне спојеве. Уобичајен метод је да се температура на референтном споју мери помоћу сензора за директно мерење температуре и да се затим ово мерење хладног споја дода очитаном напону да би се утврдила температура мерена термопаром. Овај процес се зове компензација хладног споја (КХС). Сврха КХС-а јесте компензација за познату температуру хладног споја. Друга, мање коришћена метода је да се спој између метала термопара и бакра доведе на познату температуру, нпр.0 ºC стављањем у ледену посуду. Затим се бакарна жица из сваког од спојева повезује на уређај за мерење напона. При коришћењу прве методе, израчунавање компензације хладног споја се може упростити коришћењем следећих карактеристика термопарова.

Коришћењем Термопарског закона прелазних метала, уз одређене предпоставке, закључује се да мерени напон зависи од типа термопара, напона термопара и температуре хладног споја. Мерени напон не зависи од распореда мерних водова и хладних спојева, Ј2 и Ј3.

Према Термопарском закону прелазних метала који је приказан на слици 2, убацивање било које жице у термопарско коло не утиче на излаз уколико су оба краја те жице на истој температури.

Слика 2

Коло на слици 3 слично је претходно описаном колу на слици 1, с тим што је сада кратак део жице од константана убачен испред споја Ј3 а претпоставља се да спојеви имају исту температуру. Претпостављајући да спојеви Ј3 и Ј4 имају исту температуру, Термопарски закон прелазних метала каже да је коло на слици 3 у електричном смислу еквивалентно колу на слици 1. Према томе, сваки резултат добијен из кола на слици 3 може да се примени и на коло са слике 1.

3

Слика 3-Убацивање додатног вода у изотермални регион

На слици 3, спојеви Ј2 и Ј4 су истог типа (бакар-константан). Пошто су оба у изотермалној регији, Ј2 и Ј4 имају исту температуру.

Термопарске референтне табеле NIST добијене су са референтним спојем држаним на 0 °C. Према томе, да би се одредила температура на чвору термопара, треба кренути од Једначине 2, где је VMEAS напон измерен уређајем за аквизицију, аVTC (TTC– Tref) Сибеков напон који настаје као разлика TTC (температура на чвору термопара) и Tref (температура на референтном чвору)

Једначина 2: VMEAS = VTC (TTC – Tref)

Једначина 2 може се и другачије записати, чиме се добија Једначина 3, где је VTC (TTC) напон измерен термопаром под претпоставком да је референтни чвор на температури од 0 °C, а VTC (Tref) напон који би био генерисан од стране истог термопара на тренутној референтној температури претпостављајући да је референтни чвор на 0 °C.

Једначина 3: VMEAS = VTC (TTC ) - VTC (Tref )

Једначина 4: VTC (TTC) = VMEAS + VTC (Tref)

У једначини 4, израчунати напон термопара подразумева да је референтни чвор на 0 °C. Према томе, мерењем VMEAS и Tref и знајући однос напон/температура термопара, може се одредити температура примарног чвора термопара.

Постоје две технике за имплементацију компензације хладног споја (КХС) када се температура референтног чвора мери сензором за директно очитавање: хардверска компензација и софтверска компензација. Сензор за директно очитавање има излаз који зависи од температуре у тачки мерења. Полупроводнички сензори, термистори и отпорни температурни детектори (RTD) се често користе за мерење температуре референтног чвора. На пример, неколико термопарских уређаја марке National Instruments за мерење користе високопрецизне термопарове постављене близу крајева завртња где су повезане термопарске жице.

4

Код хардверске компензације, извор променљивог напона се поставља унутар кола како би поништио утицај температуре хладног чвора. Извор променљивог напона ствара компензациони напон у складу са температуром околине што омогућује да се температура израчуна користећи константну вредност за  VTC (Tref) у једначинама 3 и 4. Код хардверске компензације, температура на крајевима система за аквизицију не мора да буде позната при рачунању температуре термопара. То поједностављује једначину за скалирање. Главна мана хардверске компензације је у томе што сваки термопар мора да има посебно компензационо коло које треба да додаје одређени компензациони напон. Ова мана резултира у виду веће цене таквог кола. Такође, хардверска компензација је често непрецизнија од софтверске.

Друга опција је коришћење софтверске компензације хладног споја (КХС). Пошто температурно-осетљиви сензор измери температуру референтног чвора, софтвер може да дода одређену вредност напона мереном напону што компензује температуру хладног чвора. Према једначини 3, мерени напон, VMEAS , једнак је разлици напона на топлом (термопар) и хладном чвору.

Излазни напони термопарова су врло нелинеарни. Сибеков коефицијент може да се мења и за троструку вредност (па и вишу) у оквиру операционих температура неких термопарова. Према томе, термопарска крива напон-температура се мора апроксимирати коришћењем полинома, или се мора користити look-up табела. Полиноми су дати у следећем облику, где је v напон термопара у волтима, T је температура у Целзијусовим степенима, а a0 до an коефицијенти специфични за сваки тип термопара.

Једначина 5: T = a0 + a1v + a2v2 + ... + anvn

3. Разматрања у вези са добијањем прецизних мерења термопаром

Излазни сигнали термопарова су углавном реда миливолта и, генерално, имају врло ниску осетљивост температуре на напон, што значи да се мора обраћати пажња на изворе сметњи који могу да утичу на тачност мерења. Примарни извори грешака код термопарских мерења, на које треба обратити пажњу јесу шумови, грешке офсета и гејна, тачност компензације хладног споја и термопарске грешке.

3.1 Грешке компензације хладног споја (КХС грешка)

Грешке компензације хладног споја представљају разлику између стварне температуре у тачки где је термопар повезан на мерни уређај (температура хладног споја) и температуре измерене од стране уређаја. Грубо речено, грешка компензације хладног споја је битан чинилац, у размери 1:1 у односу на прецизност мерења температуре термопаром, и има највећи утицај на тачност целокупног мерења. Укупна КХС грешка укључује и грешку КХС температурног сензора

5

(често је то термистор) који служи за детекцију температуре хладног чвора, затим грешку уређаја који добија информације од тог сензора, и на крају грешку која потиче од температурног градијента између хладног чвора и КХС сензора. Од ове три грешке, као највећа се показује грешка температурног градијента, и генерално, она највише варира. Грешка из КХС сензора може имати велики утицај у многим уређајима; међутим, у савременим термопарским мерним инструментима уобичајено је да се користе високопрецизни термистори или отпорни температурни детектори (RTD).

Грешка која потиче од температурног градијента између хладног споја и КХС сензора може најбоље да се исконтролише. Добро дизајнирани термопарски уређаји могу врло успешно да умање ову грешку; ипак, ова она умногоме зависи од средине у којој се користи термопар. Пошто зависи од разлике у температури између хладног чвора и КХС сензора, сваки чинилац који може да створи додатни температурни градијент значајно утиче на грешку. Најбољи начин да се одржи висока тачност компензације хладног чвора јесте да се термопар одржава у стабилној средини, уз што мање варијације температуре и минимално струјање ваздуха. Суседни извори топлоте (други инструменти) такође могу да утичу на тачност. Неки уређаји имају један КХС сензор за више канала, док други имају више КХС сензора. По правилу, уређаји код којих је однос канала према КХС сензорима низак мање су подложни грешкама температурног градијента. Зато је пожељно обратити пажњу на документацију у вези са специфичностима компензације хладног чвора, као и на друге препоруке за повећање укупне тачности КХС.

3.2 Грешке офсета и гејна

Будући да термопарови често имају излазни сигнал близу 0V, а цео улазни опсег се мери миливолтима, грешке офсета могу да буду битан чинилац за целокупну тачност. Многи уређаји имају уграђену „аутонула“(autozero) функцију, која аутоматски мери унутрашњи офсет кола. Ако уређај подржава ову функцију, то је најбољи начин да се компензује грешка офсета и дрифт офсета у мерном уређају. Обично је у документацији уређаја назначено да ли он има ову опцију. Уколико ова функција није подржана, мора се обратити пажња на утицај грешке офсета на укупну грешку мерног уређаја. Такође, мора се водити рачуна и о калибрацији инструмента.

Грешке гејна су пропорционалне улазном напону, тако да оне генерално имају највећи утицај у случајевима када термопарови мере температуру на граници свог опсега.

3.3 Грешка шума

Излазни сигнали термопарова су обично у опсегу миливолта, што значи да су подложни шумовима. Шум се ствара из спољног окружења или генерално унутар мерног уређаја. У термопарским системима за аквизицију података често се

6

користе нископропусни филтери, како би се ефикасно елиминисао високофреквентни шум у мерењима термопаром. На пример, нископропусни филтери корисни су у уклањању шумова далековода од 50 и 60 Hz који имају велики утицај у неким лабораторијским и производним подешавањима.

Код мерних уређаја са великим улазним опсегом такође се може побољшати рад под утицајем шумова, и то појачавањем ниских термопарских напона близу извора сигнала (мерна тачка) да би се постигло слагање са излазним опсегом термопарова. Пошто су излазни сигнали напона термопара врло ниски, треба одабрати такав гејн или улазни опсег уређаја који треба да оптимизује улазне границе аналогно-дигиталног конвертора. Излазни опсег за све типове термопара је између -10 mV и 80 mV.

Други извор шумова потиче од тога што се термопарови монтирају и леме директно на проводне материјале као што је челик, или се потапају у проводне течности (нпр. вода). Када се повежу са проводним материјалом, термопарови постају подложни уобичајеним шумовима и сметњама. У оваквим случајевима, велику улогу заштите од сметњи има изолација која може да умногоме елиминише утицај шумова. Код проводних материјала који подржавају високе напоне у уобичајеном раду изолација је неопходна будући да неизоловани појачавачи не могу да мере сигнале са високим напонима у нормалном моду.

3.4 Грешке термопара

Ове грешке ствара сам термопар. Напон генерисан од стране термопара пропорционалан је температурној разлици између тачке где се температура мери и тачке где се повезује са уређајем. Температурни градијенти дуж термопарске жице могу да створе грешке које настају као последица нечистоће метала, што је чест случај у многим мерним уређајима. Зато треба обратити пажњу на документацију термопара да би се имао увид у тачност целокупног мерења.

4. Повезивање термопара са инструментом

Термопарска мерења су уобичајена, међутим, апликациони захтеви могу да варирају у широком опсегу. Због тога фирма National Instruments пружа много опција за мерење температуре, од једног до више од хиљаду канала.

Процедура за повезивање термопара са инструментом је слична код различитих уређаја. У овом одељку размотрићемо пример коришћења постоља типа NI cDAQ-9178 или NI cDAQ-9174 , док је термопарски модул типа  NI 9211 or NI 9213 C (слика 4).

Потребна опрема подразумева:

7

-NI cDAQ-9178 осмослотну или  NI cDAQ-9174 четворослотну Hi-Speed USB шасију за  NI CompactDAQ

-NI 9211 четвороканални, 14 S/s, 24-битни, ±80 mV термопарски улазни модул

или

-NI 9213 шеснаестоканални, 1200 S/s (агрегат), 24-битни, ±78 mV термопарски улазни модул

-Термопар (J, K, T, E, N, B, R, или S типа)

Слика 4: NI CompactDAQ систем са  NI 9211 или NI 9213 термопарским модулом

 NI 9211 има 10-терминални, одвојиви конектор који омогућује повезивање 4 улазна термопарска канала. Сваки канал има терминал на који се повезује позитивни крај термопара, TC+, и канал за негативни крај, TC-. NI 9211 има уобичајени терминал, COM, који је интерно повезан за уземљење модула. Слика 5 показује распореде терминала за сваки канал.

8

слика 5: распоред терминала 9211

За бројање виших канала и брже узорковање, NI 9213 има одвојиви конектор са 36 терминала за повезивање 16 термопарова. Слика 6 показује распоред терминала а слика 7 шему повезивања узорка.

слика 6: распоред терминала NI 9213

9

слика 7: шема повезивања модула NI 9213

10

5. Симулација мерења: NI LabView

.

Слика 8 приказује једноставан пример приказивања мерене температуре у LabView програмском окружењу. У овом конкретном примеру претпоставља се да је сва опрема за аквизицију прикључена на рачунар, да рачунар поседује одређени DAQ драјвер, а да се LabView програмско окружење користи за праћење жељене температуре, како преко анимације, тако и графички, где се види промена температуре у току времена.

Слика 8:  LabVIEW Front Panel, подаци о температури

У даљем тексту биће дат поступак реализације једног LabView VI пројекта који ће вршити конверзију напона термопара у температуру, и приказивати је графички и преко анимације. Напон, који би се у конкретном случају добијао са термопара, такође ће се симулирати ручно, са циљем приказивања принципа рада једног термопарског сензора. За симулацију ће бити узет пример термопара К-типа, који се често користи, а чији је температурни опсег од −200 °C до +1350 °C..Задатак програма биће да конвертује „сирови“ термоелектрични напон са термопара у температуру, и приказ. Термопар генерише напон који се помоћу инверзне полиномске једначине пребацује у приказивање температуре.

11

Као што се види са слике, температура је дата као функција која зависи од напона Е и коефицијената који су дати у другој колони.Управо на основу ових коефицијената креираће се блок дијаграм у програму LabView 8.2, и то на следећи начин:

-први корак биће креирање „дугмета“ (knob) преко кога ће се симулирати промена напона. Ради даљег рачунања, овај напон се конвертује у микроволте, као што је приказано на слици:

- затим треба овај улазни напон на одговарајући начин повезати са коефицијентима који су претходно дати за К-тим термопара. За реализацију тог циља, поред основних математичких операција, биће потребна и функција „Power of X“, која се налази на следећи начин:

12

Убацивањем ове функције, и функције множача (Multiplier), креирамо следећи део шеме, који је еквивалент једном делу једначине конверзије:

-сличан поступак понавља се за целу једначину.

Улази функције Power of X су напон и одговарајући степени. Излази се затим множе са одговарајућим константама и шаљу даље на улазе суматора. Повезивањем свих делова са улазом суматора добијамо следећу шему:

Као што се види са слике, на излаз knob-а повезана су два индикатора за приказ тренутног напона: дигитални и графички (график промене напона термопара у времену, о коме ће касније више бити речи, у вези са Front Panel-ом програма).

13

Следећи део шеме односиће се на убацивање контроле офсета, односно на дигитални, графички и анимациони приказ температуре. Офсет ће утицати на тај начин што ће се преко функције Add сабирати са излазом суматора, и тиме даље креирати коначну температуру која ће се приказивати као излаз. Према томе, ми симулирамо промену напона (тј. промену температуре у околини термопара К-типа), и на основу једначине „преточене“ у блок дијаграм добијамо приказ мерене температуре. Коначно, блок дијаграм треба да изгледа овако:

Видимо да су додати елементи (десна страна блок дијаграма):-График промене температуре у времену (Waveform chart)-Анимација термометра (Classic-Numeric-Thermometer)-Индикатор бројне вредности температуре у степенима Целзијуса

Тиме је комплетиран блок дијаграм конверзије термоелектричног напона термопара у температуру.

14

Треба такође напоменути да се сви елементи блок дијаграма налазе унутар временске петље (Timed Loop), која се налази на приказаном месту унутар библиотеке елемената:

Даље се разматра Front Panel, односно графички приказ и интерфејс према кориснику програма.

Он је замишљен тако да у њему можемо разликовати два главна дела:

1) Односи се на интерфејс који кориснику омогућава да променом напона симулира варијације температуре у околини термопара. Такође, у овом делу корисник може да подешава офсет.Најпре ћемо подесити дугме (knob). Као што је већ показано, прво смо њега убацили у блок дијаграм. Сада је само потребно подесити га тако да мења напон за одговарајуће вредности тј. да не премашује жељени опсег температуре К термопара.

Као што се види са слике, опсег напона који се може подешавати преко овог дугмета је од 0 до 0.01 [V], што одговара промени температуре од 0 до 246 степени Целзијуса. Жељени опсег се подешава у картици Scale, унутар подешавања (Properties) карактеристика дугмета.Такође, у овом делу Front Panel-а налази се и контрола за подешавање опсега. Овде имамо могућност да кликом миша или уписивањем вредности подешавамо исти:

15

Ради праћења промене напона, убацили смо и графички приказ те промене у времену. Он је овде само у сврху мониторинга, и изгледа овако:

Вредности на његовим осама треба да се поклапају са опсегом који је подешен за дугме. То се такође врши десним кликом на график (Waveform Chart), затим Properties, и у картици Scales треба подесити апсцису и ординату као што је приказано на слици.

Овим је завршен први део, где смо све елементе подесили тако да корисник може да симулира рад термопара.

2) Други део представља део за мониторинг температуре. Она ће се приказивати на три различита начина:

- анимационо, тј. преко виртуелног термометра, којег смо већ убацили у блок дијаграм, а овде га само још треба подесити тако да не премашује опсег температуре. Он изгледа овако:

16

Опсег се, као и код дугмета, подешава десним кликом на термометар-Properties- Scale.

- Преко дигиталног дисплеја, који се види на претходној слици, испод термометра

- Графички, преко Waveform Chart-а. Његова подешавања су описана у претходном делу. Треба напоменути да сада ордината приказује промену температуре. График треба да изгледа овако:

Овим је комплетиран и Front Panel овог програма.Сада симулација може да се покрене кликом на Operate-Run.

Наравно, треба напоменути да овај пројекат у ствари представља мониторинг температуре, где прави термопар није прикључен, већ корисник симулира његов рад са циљем показивања принципа рада програма LabView. У сваком случају, овај пројекат се може искористити и у конкретне сврхе. Потребно је термопар повезати са рачунаром, и инсталирати одговарајуће драјвере за DAQ картицу. У том случају, први део описаног пројекта се не би користио, већ би термоелектрични напон стизао са прикљученог термопара, па би се на тај начин посматрала температура средине у којој се термопар налази.

На крају приказујемо изглед целокупног система, и приказивање након одређеног периода рада.

17

18

Садржај:

1. О термопаровима ..................................................................................................1

2. Принцип рада ........................................................................................................2

3. Разматрања у вези са добијањем прецизних мерења термопаром....................5

3.1 Грешке компензација хладног споја .................................................................5

3.2 Грешке офсета и гејна ........................................................................................6

3.3 Грешке шума .......................................................................................................6

3.4 Грешка термопара ...............................................................................................7

4. Повезивање термопара са инструментом ...........................................................7

5. Симулација мерења: NI LabView ......................................................................11

6. Садржај …............................................................................................................19

19