relazione di sistemi trasd.temperatura - Digilander

RELAZIONE DI SISTEMI LABORATORIO
TRASDUTTORI
DI
TEMPERATURA
RELAZIONE SVOLTA DAGLI ALUNNI : Michele Parrella, Marco Vigano,
Andrea Borghetti, Claudio Mariani
RELAZIONE N’: 3
ANNO SCOLASTICO: 2005/2006
DATA SVOLGIMENTO DELLA PROVA: 11/3/2005
DOCENTI RESPONSABILI: I.T.P. Giuseppe Rizzaro,doc.teorico Alda Scimia.
ASSISTENTE DI LABORATORIO: Giacomo Mingirulli.
LUOGO SVOLGIMENTO PROVA: Laboratorio di sistemi.
CENNI TEORICI SUI TRASDUTTORI DI TEMPERATURA:
Per trasduttore di temperatura si intende un dispositivo in grado di trasformare una temperatura in una
grandezza fisica (tensione, corrente, resistenza, frequenza).La scelta del trasduttore dipende da molti
fattori e più precisamente:
•
•
•
•
•
•
CAMPO DI TEMPERATURA
STABILITA E LINEARITA
CONDIZIONI DI UTILIZZO
GRANDEZZA ELETTRICA DESIDERATA ALL'USCITA
COSTANTE DI TEMPO
MISURA ANALOGICA O DIGITALE
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TERMISTORI:
I termistori sono dispositivi che inseriti opportunamente trasformano una variazione di temperatura in una
variazione di tipo elettrico.
Essi sono usati in considerazione della grande variazione di resistenza in funzione della temperatura.In
confronto con altri tipi di trasduttori, variazione che puo’ essere negativa come negli NTC,oppure
positiva come nei "PTC, la relazione che definisce il comportamento di un termistore "NTC" al variare
della temperatura può essere così espressa:
R = A * exp ( - B / T )
dove:
R = resistenza espressa in ohm alla temperatura T
B = costante di valore compreso tra 2000 gradi e 5500 gradi k
A = costante in ohm
T = temperatura in gradi K (Kelvin)
Per avere una grande sensibilità nei confronti delle variazioni della temperatura si usa spesso inserire il
termistore in un ponte.
II compito dell’amplificatore (operazionale μA 741) è quello di amplificare la tensione di sbilanciamento
del ponte di Wheatstone.
Il sistema raffigurato è sicuramente lineare e la sua costante di tempo è trascurabile rispetto a quella del
termistore.
Nel caso del modulo didattico però si è preferito l’uso della termoresistenza in sostituzione di un
termistore “PTC” perché da come si può notare in figura 1.1 dove è rappresentato l'andamento della
resistenza di un termistore "PTC" in funzione della temperatura esso è fortemente non lineare.
Ciò nonostante i termistori vengono usati nei processi di controllo, dato l'alto coefficiente di temperatura
che raggiungono (in alcuni casi anche il 25%), ma limitatamente al tratto centrale della caratteristica.
Anche per i “PTC” si può tentare una linearizzazione, ma solo per via sperimentale visto che non esiste
un’espressione analitica che leghi resistenza e temperatura in modo abbastanza semplice da consentire la
ricerca di condizioni analitiche rapidamente utilizzabili.
2
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Figura 1.1:Andamento della resistenza dei termistori (su scala logaritmica) in funzione della
temperatura.
TERMORESISTENZE:
La legge che regola la variazione di resistenza in metallo è la seguente:
R = Ro * (1 + aT + bT2 + cT3 +...)
dove R = resistenza a T °C
RO = resistenza a O °C {di solito vale 100 ohm) normalmente a>>b>>c così che la formula si può
scrivere:
RT = Ro (1 + aT)
Che rappresenta la legge di variazione lineare attraverso il coefficiente di temperatura “a”, misurato in
ohm su ohm per grado.
Le migliori termoresistenze, per quanto riguarda la linearità sono al platino, per le quali:
a = 0,00392 ohm su ohm par grado.
la non linearità, è contenuta intorno al 2% su un canapo di temperatura che va da O °C a 500 °C.
Par le termoresistenze al nichel il coefficiente vale:
a = 0,0062 ohm su ohm per grado.
In un campo limitato a 300 °C la non linearità è più marcata rispetto quelle al platino, ma possono meglio
di queste dare risposte più linearizzate attraverso l’inserzione dì opportune resistente in parallelo.
Le termoresistenze al rame hanno un coefficiente uguale a quelle al platino, ed una linearità inferiore.
Le costanti di tempo delle termoresistenze nel caso migliore raggiungono i 100 ms.
Un possibile errore di trasduzione è dovuto all’autoriscaldamento, che viene limitato imponendo una
corrente. da 5 a 10 mA (sulla resistenza tipica di 100 ohm).
TERMOCOPPIE:
Le termocoppie si basano sul principio che due conduttori metallici diversi, uniti ad una estremità,
presentano all'altra estremità libera una f.e.m. che dipende dalla temperatura.
La linearità della risposta è inferiore a quella delle termoresistenze ma questi trasduttori sono ugualmente
importanti per il vasto campo termico di applicazione {fino a 1500 °C).
Come si può notare dalla tabella esse danno una f.e.m. che varia da 6 microvolt/grado a 60
microvolt/grado. Con le termocoppie si può misurare la temperatura di un punto rispetto ad un altro,
ponendo una giunzione in un punto «Jh e una in quello di riferimento Jc (fig. 1.2). Per non commettere
errori di misura bisogna fare in modo che la temperatura del giunto freddo rimanga costante; ciò lo si
ottiene inserendolo in un ambiente termostatato. In alternativa al primo metodo per compensare i possibili
errori dovuti al giunto freddo è quello dì iniettare nel sistema di misura ed amplificatone un segnale
uguale e contrario a quello dovuto al giunto freddo. Per le ragioni appena accennate le termocoppie
3
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devono essere utilizzate con cavi di compensazione nel caso vi sia una lunga distanza di collegamento tra
il punto di misura ed il suo relativo amplificatore, per lo stesso problema si noti l’uso di connettori
specifici in accordo con il tipo di termocoppia.
Figura 1.2:Inserzione delle
termocoppie.Le loro costanti di
tempo più basse possono
raggiungere valori dell’ordine
dei millisecondi.
Jh = GIUNZIONE CALDA
Jc = GIUNZIONE FREDDA
Figura 1.3: Confronto fra i vari tipi dì sensori/trasduttori di temperatura.
CAMPO DI
TEMPERATURA
VARIAZIONE
VARIAZIONE/˚C
NTC
- 40˚C , +300 ˚C
ESPONENZ.
-2% , -6%/˚C
PTC
0˚C , +150 ˚C
ESPONENZ.
Fino +60%/˚C
TIPO DI SENSORE
PRECISIONE
COSTANTE DI
TEMPO
SEMICONDUTTORI
2 sec fino a 80 sec
TERMORESISTENZE
4
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PLATINO
-250˚C , +850˚C
LINEARE
+0,39%/˚C
0,3-5˚C
NICHEL
-60˚C , +200˚C
LINEARE
+0,62%/˚C
0,2-2,1˚C
RAME
-200˚C , +100˚C
LINEARE
+0,39%/˚C
CU-COSTANTATNA
-200˚C , +400˚C
LINEARE
23μV , 64 μV/˚C
FE-COSTANTANANA
-200˚C , +700˚C
LINEARE
34μV , 65 μV/˚C
NICR-NI
0˚C , +1000˚C
LINEARE
39μV , 43 μV/˚C
NICR-NIAL
-200˚C , +1000˚C
LINEARE
Circa 41μV/˚C
PTRH-PT
0˚C , +1300˚C
LINEARE
6μV , 12 μV/˚C
PTRH
0˚C , +1500˚C
LINEARE
6μV , 12 μV/˚C
PIROMETRI
Fino a 3000˚C
= T4
_
0,9-100 sec in acqua
mossa
16-620 sec in aria
mossa
TERMOCOPPIE
Da
0,75˚C
a
meno
di
3˚C
0,4 sec fino a 175 s in
acqua mossa e da 30 s a
500 s in aria
_
1 s , 60 sec
PIROMETRI:
I pirometri sono dei dispositivi termoelettrici, ovvero fotocellule, in grado di essere sensibili all'energia
termica trasmessa per irraggiamento da una superficie.
Lavorano in un vasto campo dì temperatura fino a 3000 gradi con una caratteristica fortemente non
lineare.
II loro utilizzo è quindi limitato a misure e controllo dì alte temperature in luoghi non facilmente accessibili agli altri trasduttori essi operano quindi senza contatto con la parte da misurare.
ELENCO DELLE APPARECCHIATURE E DELLE STRUMENTAZIONI DI MISURA
NECESSARI PER LA REALIZZAZIONE DEGLI ESPERIMENTI PROPOSTI:
ESPERIMENTI
ESP.1
ESP.2
*
*
ESP.3
APPARECCHIATURE
UNITA’ DTS 8/1
UNITA’ DTS 8/2
*
5
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ELEMENTO RISCALDANTE
DVM(MULIMETRO DIGITALE)
*
*
*
*
*
*
CASSETTA RESISTENZE
MASTER BOARD ( MB-1A )
*
*
*
ESPERIMENTO 1:
OBIETTIVO:
Rilievo della caratteristica di una sonda a termocoppia tipo K al Chromel-Alumel.
Apparecchiature richieste: vedere pag. 6
1
INTRODUZIONE:
II metodo illustrato rappresenta una delle molteplici soluzioni di adattamento ed amplificazione del
segnale proveniente da termocoppia.
Lo schema di collegamento della termocoppia (pag. 4) per il rilievo di temperatura, prevede l'impiego
di un giunto freddo posto in un punto a temperatura di riferimento (normalmente 0°C, ghiaccio
fondente).
Il collegamento tra il giunto caldo (Jh) t che rileva la temperatura incognita ed il giunto freddo (Jc),
avviene tramite opportuni fili di compensazione.
Per ovviare all’ inconveniente di dover utilizzare due termocoppie per la misura» è possibile
utilizzare come giunto freddo un componente elettronico che oggi la tecnologia rende disponibile (fig.
2.1)
Tale soluzione presenta notevoli vantaggi, due dei quali sono di notevole importanza:
- possibilità di avere un giunto freddo che, dopo previa taratura, è utilizzabile per tutti i tipi di
termocoppie.
- Non esiste il problema di dover tenere il giunto freddo ad una temperatura di riferimento costante
entro limiti abbastanza stretti per non degradare la misura. Infatti il componente da noi usato lavora a
temperatura ambiente senza problemi (dopo la taratura).
La termocoppia da noi utilizzata del tipo Chromel-Alumel con caratteristica K (vedere tabella pag.9),
il coefficiente della termocoppia è 40.8 microvolt per grado centigrado.
Da ciò se si vuole ingegnerizzare l'uscita dell'amplificatore A1 (cioè ottenere un’indicazione in
tensione equivalente alla variazione di temperatura pari a 10 mV/°C, per rendere la lettura sul DVM
proporzionale alla temperatura), il guadagno dello stesso deve essere:
G = Voutingeg / Vcoeff = 245.1
(2.1)
Il circuito di compensazione del giunto freddo genera una tensione proporzionale al valore assoluto
della temperatura espressa in ˚K (cioè 0˚k = -273˚k = 0V).
L’uscita del dispositivo di compensazione puo’ essere espressa come:
6
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VoutT = KT * T
(2.2)
dove:
VoutT = tensione in uscita relativa alla temperatura T.
KT = coefficiente che fornisce la variazione di tensione in fase della temperatura pari a Vout To / To
La tensione Vout T è portata ai capi dell’amplificatore
Figura 2.1:A1 ed è la tensione che compensa il giunto
freddo.
7
Tabella 1:Caratteristica della termocoppia tipo chromel/alumel con caratteristica “K”.
Coefficiente di temperatura 40.8 μV/˚C.
C°
mV
C°
mV
C°
mV
C°
mV
C°
mV
-190
-180
-170
-160
-150
-140
-130
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
-5,6
-5,43
-5,24
-5,03
-4,81
-4,58
-4,32
-4,05
-3,78
3,49
-3,19
-2,87
-2,54
-2,2
-1,85
-1,5
-1,14
-0,77
-0,39
0
0,4
0,8
1,2
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
5,33
5,73
6,13
6,53
6,93
7,33
7,73
8,13
8,54
8,94
9,34
9,75
10,16
10,57
10,98
11,39
11,8
12,21
12,63
13,04
13,46
13,88
14,29
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
18,51
18,94
19,36
19,79
20,22
20,55
21,07
21,5
21,92
22,35
22,78
23,2
23,63
24,08
24,49
25,34
25,34
25,76
26,19
26,61
27,03
27,45
27,87
770
780
790
800
810
820
830
840
850
860
870
880
890
900
910
920
930
940
950
960
970
980
990
32,06
32,48
32,89
33,3
33,71
34,12
34,53
34,93
35,34
35,75
36,15
36,55
36,96
37,36
37,76
38,16
38,56
38,95
39,35
39,75
40,14
40,53
40,92
1090
1100
1110
1120
1130
1140
1150
1160
1170
1180
1190
1200
1210
1220
1230
1240
1250
1260
1270
1280
1290
1300
1310
44,78
45,16
45,54
45,92
46,29
46,67
47,04
47,41
47,78
48,15
48,52
48,89
49,25
49,62
49,98
50,34
50,69
51,05
51,41
51,76
52,11
52,46
52,81
7
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40
50
60
70
80
90
100
110
120
1,61
2,02
2,43
2,85
3,26
3,68
4,14
4,51
4,92
360
370
380
390
400
410
420
430
440
14,71
15,13
15,55
15,98
16,4
16,82
17,24
17,67
18,09
680
690
700
710
720
730
740
750
760
28,29
28,72
29,14
29,56
29,97
30,39
30,81
31,23
31,65
1000
1010
1020
1030
1040
1050
1060
1070
1080
41,31
41,7
42,09
42,48
42,87
43,25
43,63
44,02
44,4
1320
1330
1340
1350
1360
1370
53,15
53,51
53,85
54,2
54,54
54,88
2 Quindi
PROCEDURA
PER
TARATURA
DELL’AMPLIFICATORE
DEL
CIRCUITO
DI
applicando
unLA
segnale
in millivolt
regolare TR3 in modo taleE da
ottenere
un guadagno
COMPENSAZIONE
DEL
GIUNTO
FREDDO:
di 245,1.
2.1
2.2
2.3
Inserire il modulo 8/1 nella base di alimentazione ed alimentarlo.
Portare il commutatore di selezione termocoppie su tipo K.
Collegare un segnale continuo pari a 20 mV all’ingresso T.C. tipo K ed un voltmetro (DVM)
all’uscita dell’amplificatore A1.
2.4
Regolare TR3 in modo tale da ottenere in uscita un valore di 5,87 V equivalente ad un
guadagno di 245.1.
2.5
Mettere a massa l’ingresso della TC tipo K.
2.6
Cortocircuitare CR1 in modo da non creare offset nel circuito.
2.7
Misurare la temperatura ambiente del laboratorio (supponendo sia Tamb. = 25˚C).
2.8
Regolare TR2 in modo che la tensione in uscita da A1 sia pari a :
Vo = 10 * (mV / 0K * T) = (273,15+Tamb.) * 0,01 = (273,15+25) * 0,01 = 2,982 V
2.9
Rimuovere il corto circuito su CR 1.
2.10 Portare tramite il potenziometro TR1 l’uscita di A1 ad una tensione pari a (Tamb.*10
mV/˚C)pari a 250 mV per 25˚C).
A questo punto il modulo è tarato per l’utilizzo con termocoppia tipo K chromel-alumel.
3
PROCEDURA DELL’ESPERIMENTO:
3.1
3.2
3.3
TEMP.
°C
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
Una volta tarato l’amplificatore si puo’ iniziare l’esperimento vero e proprio.
Inserire la termocoppia tipo K nell’elemento riscaldante ed il connettore compensato
nell’opportuna presa compensata .
Accendere l’elemento riscaldante e riportare in tabella 2, per i diversi valori di temperatura.
la tensione VO all’uscita dell’amplificatore.
Vo
V
0,23
0,245
0,285
0,33
0,365
0,41
0,45
0,49
0,536
0,58
0,63
0,67
0,718
0,757
TEMP.
°C
145
150
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
195
190
Vo
V
1,31
1,37
1,41
1,46
1,51
1,55
1,6
1,66
1,7
1,76
1,81
1,86
1,85
1,82
TEMP.
°C
130
125
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
Vo
V
1,34
1,29
1,26
1,25
1,22
1,2
1,13
1,1
1,02
0,95
0,91
0,87
0,82
0,76
Tabella 2:
8
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90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140
3.4
4
0,8
0,85
0,895
0,93
0,98
1,02
1,07
1,11
1,16
1,21
1,26
185
180
175
170
165
160
155
150
145
140
135
1,76
1,68
1,63
1,56
1,51
1,44
1,39
1,37
1,37
1,36
1,35
60
55
50
45
40
35
30
25
20
0,71
0,67
0,63
0,54
0,49
0,44
0,36
0,26
0,23
Quando la temperatura è arrivata a 200 ˚C spegnere l’elemento riscaldante e continuare
nell’esperimento per temperatura decrescente.
ANALISI DEI RISULTATI:
Riportare in figura 2.2. i valori ottenuti in tabella 2.
Riportare ancora in figura per le stesse temperatura i valori indicati in tabella 1 ( a pag. 8) e
confrontare la curva teorica data dal costruttore con quella pratica ottenuta.
Figura 2.2:
Vo(mV)
CARATTERISTICA DELLA Vo IN FUNZIONE DI T
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
T(°C)
9
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CARATTERISTICA DELLA TERMOCOPPIA TIPO
CHROMEL/ALUMEL
60
CURVA
TEORICA
50
40
Vo
30
20
10
0
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
-10
T(°C)
Analizzare i risultati ottenuti.
ESPERIMENTO 2:
OBIETTIVO:
Rilievo della caratteristica di una sonda a termocoppia tipo J a ferro –costantana.
Apparecchiature richieste: vedere pag. 6
1
INTRODUZIONE:
La descrizione del circuito di compensazione del giunto freddo è analoga a quella riportata
nell’esperimento 1.
La termocoppia di tipo J al farro-costantana ha il coefficiente pari a 52.3 μV/°C per ogni grado
centigrado. Per cui se si vuole ingegnerizzare l’uscita dell’amplificatore A1, il guadagno dello stesso
deve essere:
G = Vout ing/Vcoeff = 10000/52,3 = 191.2
Tabella 3:caratteristica della termocoppia tipo ferro costantana con caratteristica “J”.
Coefficiente di temperatura 52.3 μV/°C.
C°
mV
C°
mV
C°
mV
C°
mV
C°
mV
-190
-180
-170
-160
-150
-140
-130
-120
-7,65
-7,4
-7,12
-6,82
-6,5
-6,16
-5,8
-5,42
30
40
50
60
70
80
90
100
1,54
2,06
2,54
3,11
3,65
4,19
1,73
5,27
250
260
270
280
290
300
310
320
13,56
14,12
14,67
15,22
15,77
16,33
16,88
17,43
470
480
490
500
510
520
530
540
25,72
26,27
26,83
27,39
27,95
28,52
29,08
29,65
690
700
710
720
730
740
750
760
38,53
39,15
39,78
40,41
41,05
41,68
42,32
42,91
10
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-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
-5,03
-4,63
-4,21
-3,78
-3,34
-2,89
-2,43
-1,96
-1,48
-1
-0,5
0
0,5
1,02
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
5,81
6,36
6,9
7,45
8
8,56
9,11
10,67
10,22
10,78
11,34
11,89
12,45
13,01
330
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
17,98
18,54
19,09
19,64
20,2
20,75
21,3
21,5
22,4
22,95
23,5
24,06
24,61
25,16
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
680
30,22
30,8
31,37
31,95
32,53
33,11
33,7
34,29
34,88
35,48
36,08
36,69
37,3
37,91
770
780
790
800
810
820
830
840
850
860
870
43,6
44,25
44,89
45,53
46,18
47,82
47,46
48,09
48,73
49,36
49,98
2
PROCEDURA PER LA TARATURA DELL’AMPLIFICATORE E DEL CIRCUITO DI
COMPENSAZIONE DEL GIUNTO FREDDO:
2.1
2.2
2.3
2.4
portare il commutatore di selezione termocoppia su tipo J.
Collegare un DVM all’uscita dell’amplificatore A1.
Collegare un segnale continuo 20 mV all’ingresso TC tipo J.
Regolare TR3 in modo tale da ottenere in uscita un segnale di 3.824 V pari ad un guadagno
di 191,2.
2.5 Mettre a massa l’ingresso della TC tipo J.
2.6 Cortocircuitare CR1 in modo da non creare offset nel circuito.
2.7 Misurare la temperatura ambiente del laboratorio (supponendo sia Tamb. = 25˚C).
2.8 Regolare TR2 in modo che la tensione in uscita da A1 sia pari a :
Vo = 10 * (mV / 0K * T) = (273,15+Tamb.) * 0,01 = (273,15+25) * 0,01 = 2,982 V
2.9 Rimuovere il corto circuito su CR 1.
2.10 Portare tramite il potenziometro TR1 l’uscita di A1 ad una tensione pari a (Tamb.*10
mV/˚C)pari a 250 mV per 25˚C).
A questo punto il modulo è tarato per l’utilizzo con termocoppia tipo J ferro-costantana.
3
PROCEDURA DELL’ESPERIMENTO:
3.1
3.2
3.3
Una volta tarato l’amplificatore si puo’ iniziare l’esperimento vero e proprio.
Inserire la termocoppia tipo J nell’elemento riscaldante ed il connettore compensato
nell’opportuna presa compensata .
Accendere l’elemento riscaldante e riportare in tabella 4, per i diversi valori di temperatura. la
tensione VO all’uscita dell’amplificatore.
TEMP.
°C
Vo
V
TEMP.
°C
Vo
V
TEMP.
°C
Vo
V
20
25
30
35
0,239
0,268
0,296
0,335
145
150
155
160
1,077
1,103
1,142
1,175
130
125
120
115
1,12
1,09
1,08
1,06
Tabella 4:
11
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40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140
3.4
0,365
0,388
0,421
0,455
0,492
0,52
0,558
0,594
0,635
0,665
0,712
0,74
0,77
0,803
0,827
0,863
0,898
0,931
0,97
1
1,033
165
170
175
180
185
190
195
200
195
190
185
180
175
170
165
160
155
150
145
140
135
1,211
1,245
1,28
1,316
1,347
1,375
1,42
1,454
1,45
1,42
1.40
1,36
1,32
1,28
1,26
1,24
1,21
1,2
1,18
1,15
1,13
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
1,03
1,03
1
0,96
0,9
0,87
0,82
0,78
0,74
0,69
0,65
0,55
0,54
0,5
0,41
0,35
0,33
0,31
0,28
Quando la temperatura è arrivata a 200 ˚C spegnere l’elemento riscaldante e continuare
nell’esperimento per temperatura decrescente.
4 ANALISI DEI RISULTATI:
Riportare in figura 2.3 i valori ottenuti in tabella 4.
Riportare ancora in figura per le stesse temperatura i valori indicati in tabella 3( a pag. 11) e
confrontare la curva teorica data dal costruttore con quella pratica ottenuta.
Figura 2.3:
CARATTERISTICA DELLA Vo IN FUNZIONE DI T
1,6
1,4
Vo(Mv)
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
T(°C)
12
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CARATTERISTICA DELLA TERMOCOPPIA
TIPO FERRO/COSTANTANA
60
CURVA
TEORICA
50
40
Vo
30
20
10
0
-400
-200 -10 0
-20
200
400
600
800
1000
T(°C)
Analizzare i risultati ottenuti.
ESPERIMENTO 3:
OBIETIVO: Rilievo della caratteristica di una termoresistenza.
Apparecchiature richieste: vedere pag. 6
1
INTRODUZIONE:
La misura della caratteristica della termoresistenza si effettua utilizzando lo schema di principio di
figura 2.4 in cui si usano i due sottomoduli:
-
Generatore di corrente.
-
Amplificatore invertente con l’aggiunta di offset
Figura 2.4:
13
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Il generatore di corrente è variabile tramite il trimmer TR1 ed è in grado di generare una corrente
(IRTD) da 0 a 8mA.
L’alta stabilità è garantita dall’operazionale impiegato.
La legge che regola l’amplificazione di questo amplificatore di corrente in formula è la seguente:
IRTD = ( Vinput * R5 ) / ( R4 * R6 )
Se R2 = R4 e R3 = R5+R6; Vinput – tensione negative variabile mediante TR1.
La corrente indicata dalla relazione è vera attorno al 2% se la precisione delle resistenze è dell’1%,
inoltre la RTD ( R carico ) può variare da 100 ohm a 2000 ohm.
L’uso di resistenze con valori così elevati ( R2 = 4 Mohm, R3 = 2Mohm, R4 = 4 Mohm, R5 = 2
Mohm) è dovuto al fatto che in tal modo si minimizza l’errore dovuto alla variazione della RTD
( carico ).
Questo è reso possibile grazie all’eccellente caratteristica dell’operazionale per quanto riguarda la
corrente di bias.
N.B.:Staccando le termoresistenze in arrivo dal forno e sostituendovi uno strumento amperometrico,
si può vedere che la variazione di tensione in ingresso, tramite TR1, si otterrà una corrispondente
corrente in uscita.
Il valore della corrente non subirà le minime variazioni introducendo resistenze di carico con valori
compresi tra 100 ohm e 1000 ohm.
Per quanto detto sulle termoresistenze riguardo all’autoriscaldamento, nella nostra specifica
applicazione il generatore di corrente dovrà essere tarato in modo da erogare una corrente pari a 5mA. DC ± 5%.
L’amplificatore ha lo scopo di ingegnerizzare la tensione in uscita in modo di avere 10mV per ogni
grado di temperatura.
L’amplificazione di codesto sottomodulo è ottenuta dalle considerazioni seguenti:
14
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•
•
Per prima cosa occorre annullare l’offset di partenza dovuto alla c.d.t. sulla RTD causati dai
5mA che scorrono nella termoresistenza.
Seconda cosa occorre calcolare quale deve essere l’amplificazione, per far questo occorrerà
utilizzare la tabella 5 che riporta le caratteristiche della RTD.
Tabella 5:Caratteristica termoresistenza 100 ohm RTD ˚C
TEMP.°C
RESISTANCE
-200
-190
-180
-170
-160
-150
-140
-130
-120
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
17,07
21,4
25,73
30,05
34,35
38,61
42,84
47,04
51,22
59,51
63,63
67,73
71,81
75,88
79,93
83,97
87,1
92,01
96,01
100
103,98
107,94
111,9
115,84
119,77
123,68
127,59
131,48
135,36
139,23
143,09
146,93
150,77
154,59
158,4
162,2
165,99
169,76
173,53
177,28
ACCURATY TEMP.°C RESISTANCE
± 0,6°C
± 0,5°C
± 0,25°C
± 0,5°C
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
181,02
184,75
188,47
192,18
195,87
199,55
203,23
206,89
210,54
214,17
217,8
221,41
225,02
238,61
232,19
235,75
239,31
242,36
246,39
249,91
253,42
256,92
260,41
263,88
267,34
270,8
274,24
277,65
281,08
284,49
287,88
291,26
294,63
297,98
301,33
304,66
307,93
311,29
314,59
317,37
ACCURATY
± 0,65°C
± 0,85°C
± 1°C
± 1,25°C
Come si vede dalla tabella a 0˚C la RTD presenta una resistenza pari a100 ohm mentre a 200˚C
presenta una resistenza di 177,28 ohm.Per quanto detto precedentemente l’uscita dell’amplificatore a
200˚C dovrà essere pari a 2V, quindi il guadagno dell’amplificatore sarà
15
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G = Vout / Vin = Vout ing / (ΔR(200-0˚C) * IRTD) = 2000 / 77,28 * 0,005 ) = 5,176
Dove: ΔR(200-0˚C) è la differenza tra le resistenze delle RTD a 200˚C e a 0˚C e cioè:177,28 – 100 =
77,28 oh
2
PROCEDURA
PER TARARE
IL GENERATORE DI CORRENTE:
Vout ing è l’uscita
ingegnerizzata.
IRTD è la corrente che passa nella RTD :5 mA.
2.1
2.2
2.3
2.4
3
Inserire il modulo 8.2 nella base di alimentazione ed alimentarlo.
Collegare l’uscita del generatore di corrente ad una cassetta di resistenza con impostato il valore
100 ohm, e in serie alla resistenza uno strumento amperometriso con portata 20 mA.
Regolare TR1 in modo che la corrente erogata sia pari a -5 mA
IL generatore di corrente è ora tarato per erogare una corrente di -5mA(il meno indica che la
corrente entra nel generatore).
PROCEDURA PER TARARE L’AMPLIFICATORE INVERTENTE:
3.1
3.2
Questa taratura deve seguire quella del punto 2.
Il generatore ora sta erogando -5mA e per tanto la caduta di tensione ai capi di RTD è pari a
-500 mV.
Ora questa tensione deve essere sottratta attraverso il nodo di 0 per l’operazionale, mediante la
regolazione dell’offset.
Per questa compensazione si collega in parallelo tra la resistenza da 100ohm e GND
l’amplificatore invertente(amplifer).
3.3
Si regoli TR2 in modo da annullare il valore di tensione in uscita. In tal modo si è annullato il
valore della RTD a 0 gradi, cioè a 0 gradi centigradi l’uscita è pari a 0 V.
Si è ora annullato l’offset di partenza, andiamo ora a tarare il valore dell’amplificazione.
Impostare sulla cassetta di resistenza un valore di 177,28 ohm(i decimali possono essere
trascurati), equivalente alla resistenza della RTD a 200 gradi centigradi
Regolare attraverso il trimmer TR3 il guadagno dell’operazionale, portando la tensione in uscita
Vout = 2V equivalente al valore ingegnerizzato di 10mV su grado centigrado.Per tanto il
guadagno dello stadio risulta di G = 5,176.
Si consiglia di ripercorrere il procedimento di taratura a partire nuovamente dal punto 2 ancora
per una volta, in modo da ottenere una precisione sufficiente.
I circuiti ora sono tarati e si può proseguire nell’esperimento.Scollegare la strumentazione e la
cassetta di resistenza dopo aver spento l’alimentatore.
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
PROCEDURA DELL’ESPERIMENTO:
Inserire la RTD (la sigla è PT100) nell’elemento riscaldante e collegare elettricamente tramite il
connettore in serie al generatore di corrente. Inserire in parallelo alla PT100 l’amplifier.
Alimentare il circuito.
Inserire un voltometro all’usita dell’amplificatore.
Accendere l’elemento riscaldante.
Inserire in tabella 6 per le diverse temperature indicate dal termometro le corrispondenti tensioni
all’uscita dell’amplificatore.
Quando la temperatura è arrivata a 200°C spegnere l’elemento riscaldante e continuare
l’esperimento per temperature decrescenti.
16
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Tabella 6:
5
TEMP.
°C
Vo
V
TEMP.
°C
Vo
V
TEMP.
°C
Vo
V
20
30
40
50
60
70
80
90
100
6110
120
130
140
6,4
6,5
6,9
7,34
7,7
8,1
8,4
8,8
9,1
9,3
9,6
9,89
10
150
160
170
180
190
200
190
180
170
160
150
140
130
10,12
10,3
10,59
10,89
11,23
11,35
11,34
11,11
10,79
10,46
10,21
10
9,82
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
9,56
9,35
9,01
8,37
7,91
7,5
7,25
6,93
6,75
6,43
6,13
ANALISI DEI RISULTATI:
Riportare in figura 2.5 i valori ottenuti in tabella 6.
Figura 2.5:
CARATTERISTICA DELLA Vo IN FUNZIONE DI T
12
Vo(mV)
10
8
6
4
2
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
T(°C)
Riportare ancora in figura per le stesse temperature i valori indicati in tabella 5 a pag.16 e
confrontare la curva teorica data dal costruttore con quella pratica ottenuta.
17
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R(ohm)
CARATTERISTICA TERMORESISTENZA
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
CURVA
TEORICA
(la curva teorica è
stata realizzata
utilizzando i valori
di R in tabella 5 da
o a 190)
0
50
100
150
200
T(°C)
CONCLUSIONI:Le curve trovate sono simili a quelle teoriche date dal costruttore,le differenze
sono dovute ad alcune misurazioni effettuate imprecise.
18
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