Termoelement utrustningen

Temperaturmätning med Termoelement

Pentronic:  "Rätt använt är termoelementet en ypperlig givare.
Använd utan kunskap kan den förvandla mätningen till rena gissningsleken."

Den fysikaliska bakgrunden

I en metall finns fria elektroner, alltså elektroner som inte är bundna till någon atom. De rör sig hastigt fram och tillbaka i metalltråden, och det är dessa elektroner som i huvudsak svarar för metallens ledningsförmåga, både värmeledning och elektrisk ledning.

Om temperaturen längs en metalltråd varierar, kommer även laddningstätheten i denna att variera så att en emk uppkommer. Det går inte att mäta en emk från en ensam metalltråd, eftersom en mätutrustnings verksamma delar även de innehåller metall som skulle ingå i kretsen. Man måste således studera mer komplicerade kretsar med flera metallstycken/metalltrådar.

En praktisk mätkrets

Två olika metaller som förenats med varandra i en punkt, kontaktställe, kallas för ett termoelement, och den emk som uppträder från dessa kallas för termoemk. dess storlek och polaritet är olika för olika metallkombinationer, och storleken är också temperaturberoende. I figuren nedan visas en praktisk mätkrets, där vi håller reda på både material och temperaturer. Antag att två metaller, Röd och Grön, hopfogas på det sätt som visas i figuren nedan. Emk från de två termoelementen bidrar till den totala emk E med olika polaritet. Den totala emk E blir noll, om de båda kontaktställena har samma temperatur, dvs om ϑ₁ = ϑ₂. Har de olika temperaturer blir E proportionell mot temperaturskillnaden. Proportionalitetskonstanten blir olika för olika metallkombinationer. ( Detta är en förenkling, det verkliga sambandet är inte helt linjärt ).

Eftersom kretsens båda anslutningar nu är av samma material, Röd i figuren, så förändras inte kretsen om man ansluter en mätutrustning med alla verksamma delar av detta material. (Exempelvis kan Röd metall i figuren vara koppar, som är det vanliga ledningsmaterialet för elektronikkretsar).

Det går även att ansluta ett instrument/utrustning som är tillverkat av en valfri tredje metall. Figuren nedan visar hur två termoelement, Orange-Röd, i så fall tillkommer i skarven mellan mätutrustning och termoelement. Så länge som dessa två "skarvpunkter" har exakt samma temperatur, ϑ₃, så kommer deras termoemker att "ta ut varandra". På detta sätt kan man "skarva" termoelement med vanliga ledningar.

Termoelement mäter alltid skillnaden mellan två temperaturer, mätpunkten ϑ₁ och referenspunkten ϑ₂. Så länge termoledningens skarvar utförts på rätt sätt och håller samma temperatur så inverkar dessa inte på mätvärdet.

Ett tankeexperiment

I figuren nedan tänker vi oss att en "skarv" placeras tillsammans med referenspunkten vid temperaturen ϑ₂   ( ϑ₃ = ϑ₂ ). Vi ser att den Röda ledningen i så fall har samma temperatur i båda ändar - eftersom den därför inte bidrar med någon emk kan den tas bort.

Modifierad mätkrets (Standard)

Termoelementet är nu direkt anslutet till en mätledning/utrustning. Termoelementet innehåller mätpunkten medan referenspunkten uppstår vid övergången till mätledningen/instrumentets material, Orange i figuren. Det är viktigt att denna anslutning sker så att båda anslutningspunkterna får samma temperatur, eftersom dom tillsammans utgör referens. Figuren visar hur ett sådant "anslutningsblock" för termoelementet brukar se ut. Det har stora metallytor och värmeisolerande plast. (Det finns också plats för en temperatursensor inuti själva blocket).

---

Utrustning

Termoelementen är gjorda av Termoelementledning typ K (ELFA 55-890-72) och Termotråd typ K (ELFA 55-890-07)
 

Temperaturreferens

Is. Plastpåse för infrysning av iskuber.

Som temperaturreferenser använder vi iskuber 0°, och rumstemperaturen c:a 20°, fingertemperatur c:a 35° (?). Hemma finns kokande vatten 100°.

Mätförstärkare 500 ggr, Indikator.

Termospänningen rör sig bara om några millivolt, och den måste därför förstärkas med en förstärkare (500 ggr. 0,5V/mV). Matningspänningens mittpunkt är förstärkarens jord (med hjälp av kretsen TLE2426 som vid AD-labb), den kan därför förstärka både positiva och negativa spänningar (i förhållande till denna jord).
En indikator visar åt vilket håll utspänningen går - men exakta siffervärden avläser man med AD-omvandlaren (eller i labbet med en digitalvoltmeter).
Med en potentiometer med ratt kan man justera förstärkarens 0-punkt.

 

Kontrollinstrument

 

På labbet har vi tillgång till ett professionellt instrument för temperturmätning med termoelement typ K. ( CIE 305 ELFA 76-660-27 )
Dina mätvärden kan kontrolleras med detta.

Termoelement typ K (materialkombinationen NiCr-NiAl) kan mäta temperaturer från -200°C och upp till 1300°C! Känsligheten är 41 [μV/°C].
(Termoelememtet är inte linjärt över hela detta temperaturområde, men får anses tillräckligt linjärt för denna uppgift.)

Termoemken förstärks 500 ggr. 41⋅500 [μV/°C] = 20,5 [mV/°C].

---

Experiment med utrustningen

Experiment med is som referens

Till mätningen behövs ett program för PIC-processorns AD-omvandlare som mäter spänning med tecken. Exempel på lämplig kod hittar Du bland programmen till AD-omvandlarlaborationen. Alternativt så kan man göra dessa mätningar i skolans labsal och då använda en digitalvoltmeter. (Visarinstrumentet på kopplingsdäcket är bara till för att visa vad som händer).

Anslut det termoelement som har två kontaktställen till förstärkaren. Prova vilket av kontaktställena som ger positivt utslag när det värms upp mellan dina fingrar. Låt detta bli mätpunkten. Det andra kontaktstället blir referenspunkten. Håll referenspunkten och mätpunkten båda mot en istärning. (Exakt 0°C får man när punkterna ligger i en liten grop med smältvatten på isbiten). Nu skall din AD-omvandlare (med lämpligt program) visa 0 V. Vrid på ratten till förstärkaren tills det blir så. Nu är utrustningen kalibrerad för 0° referens.

Man kan nu mäta olika temperaturer med mätpunkten. Referenspunkten hålls hela tiden mot den smältande isen.

• Mätpunkten i rumstemperatur 20°C ger den förstärkta termoemken 20[°]⋅20,5[mV/°C] = +0,41 [V].
• Mätpunkten uppvärmd mellan fingrarna 35° (?) ger den förstärkta termoemken 35[°]⋅20,5[mV/°C] = +0,72 [V].
• Mätpunkten uppvärmd av kokande vatten 100° ger den förstärkta termoemken 100[°]⋅20,5[mV/°C] = +2,05 [V].
• Mätpunkten avkyld av något från frysen till -18° (?) ger den förstärkta termoemken -18[°]⋅20,5[mV/°C] = -0,37 [V].
  (eller köp en glass)

Att använda is till referenspunkten är bara möjligt vid laboratoriemätningar. En annan möjlig referenstemperaturkälla är omgivningstemperaturen, så länge som den inte förändras under mätningen.

Experiment med omgivningstemperaturen som referens

Fortsätt att använda det termoelement som har två kontaktställen. Nu skall referenspunkten hela tiden vara fri och i befinna sig i rumstemperatur. (Observera att det tar ett bra tag att verkställa temperatur ändringar). Håll nu mätpunkten mot isbiten 0°. Vrid på ratten till förstärkaren tills AD-omvandlaren visar 0 V. Nu är utrustningen kalibrerad för rumstemperaturen som referens. (Skulle rumstemperaturen ändra sig så behöver man kalibrera utrustningen igen på samma sätt).

Man kan nu mäta olika temperaturer med mätpunkten. Referenspunkten ska hela tiden vara fri och i rumstemperatur.

• Mätpunkten i rumstemperatur 20°C ger den förstärkta termoemken 20[°]⋅20,5[mV/°C] = +0,41 [V].
• Mätpunkten uppvärmd mellan fingrarna 35° (?) ger den förstärkta termoemken 35[°]⋅20,5[mV/°C] = +0,72 [V].
• Mätpunkten uppvärmd av kokande vatten 100° ger den förstärkta termoemken 100[°]⋅20,5[mV/°C] = +2,05 [V].
• Mätpunkten avkyld av något från frysen till -18° (?) ger den förstärkta termoemken -18[°]⋅20,5[mV/°C] = -0,37 [V].

Så länge utrustningen är kalibrerad, och så länge som rumstemperaturen inte ändrar sig, så blir mätresultaten samma.

Experiment med modifierad mätkrets

Oftast används den modifierade termoelementkretsen med en mätpunkt. Referenspunkten/punkterna uppkommer där man första gången skarvar termoelementledningen med ett annat material. En rätt utförd termoelementledning har trådar av samma material som i termoelementet ända fram till referenspunkten. En felaktigt utförd förängningsledning flyttar oavsiktligt referenspunkten till något annat ställe i anläggningen, där temperaturen är okänd.

Använd nu termoelementet med en mätpunkt. På den plattan finns två termoelement och man kan använda vilket som helst av dem. Plattan ska ligga i rumstemperatur, som då blir referenstemperatur. Håll nu mätpunkten mot isbiten 0°. Vid behov, vrid på ratten till förstärkaren tills AD-omvandlaren visar 0 V. Nu är utrustningen kalibrerad för rumstemperaturen som referens.

• Genomför nu samma mätningar som tdigare.

Så länge utrustningen är kalibrerad, och så länge som rumstemperaturen på plattan inte ändrar sig, så blir mätresultaten samma.

Avslöja den felaktiga förlängningsledningen!

Av de två termoelementen på plattan har en av dem felaktigt utförd förlängningsledning. Ett sådant misstag kan inträffa om man använder ledningar utan att vara helt säker på vilka material de är gjorda av. Du skall nu avslöja vilket av termoelementen som är felaktigt (det är medvetet olika fel för olika plattor).
Figuren nedan visar vad som händer när första materialbytet (av misstag) sker ute i anläggningen och då förflyttar referenspunkten dit.

Med hjälp av kylspray (går att låna på labbet) skall du i tur och ordning kyla ner skruvparen i "anslutningsdosan" i "skarvdosan" och skruvparet vid "referenstemperatur/skåp". Titta på indikatorn/voltmetern under tiden och sammanfatta resultatet av denna test genom att ringa in i tabellen om indikatorns utslag blev stort eller litet.

Slutsats. Svar:

Mätutrustning för mätning med termoelement

Experimenten har visat att det går bra att använda rumstemperaturen som referens vid termoelementmätningar, men det är onödigt komplicerat att behöva kalibrera om utrustningen med hjälp av is så fort rumstemperaturen ändras.

På kopplingsdäcket finns även en sensor LM335 för att mäta Omgivnings/Rumstemperaturen. Den har känsligheten 10 [mV/K] (fabrikstrimmat). Vid rumstemperaturen 20° är spänningen från denna ( 20 + 273 )⋅0,01 = 2,93 [V].

Om sensorn också ansluts till en AD-omvandlkanal kan man få veta vilken temperatur omgivningen har, och därefter korrigera termoemkens temperaturvärde för detta. Det är så mätinstrument för termoelement som direkt kan presentera temperaturvärden fungerar.

När man ska utveckla ett program för temperaturmätning med termoelement, så kopplar man bort ratten för 0-justering av förstärkaren genom att ta bort en resistor - se figuren nedan.

För programmet i PIC-processorn. Undvik att använda flyttal till beräkningen av temperaturen.

Fritzing: Använd part OP27 som förstärkare. 

Lycka till!