Versuch M9 Temperaturmessung

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1 Fakultät Ingenieurwissenschaften und Informatik Fachhochschule Osnabrück Versuch M9 Temperaturmessung 1 Literatur Cerbe G., Hoffmann H.-J.: Einführung in die Thermodynamik. Carl Hanser Verlag. DIN 43732: Elektrische Temperaturmessgeräte, Thermopaare für Thermoelemente. DIN IEC 584 Teil 1: Thermopaare. Grundwerte der Thermospannungen. Profos, P.; Pfeifer, T.: Grundlagen der Messtechnik. Oldenbourg Verlag. Schrüfer, E.: Elektrische Messtechnik. Hanser Verlag. 2 Aufgabenstellung Der Temperaturverlauf des Erstarrungs- und Schmelzverhaltens einer Zinkprobe im Schmelzofen ist manuell und mit einer automatischen Messdatenerfassung aufzunehmen. Anhand der ermittelten Messdaten ist ein Vergleich zwischen manueller und automatischer Messdatenerfassung (PC-gesteuerter Messdatenerfassung) vorzunehmen. 3 Grundlagen Thermoelemente Werden zwei verschiedene Metalllegierungen, z.b. NickeI-Chrom/Nickel, an einer Stelle elektrisch leitend verbunden (verdrillen, löten, schweißen) und herrscht an dieser Verbindungsstelle (Messstelle) eine andere Temperatur als an den freien Enden dieser Kabel, so entsteht an den freien Enden eine von dieser Temperaturdifferenz abhängige Thermospannung (Seebeck-Effekt). Es ist zulässig, ein Thermoelement mit Drähten der gleichen Legierung (Ausgleichsleitung) zu verlängern. Der Übergang vom Thermoelement oder von der Ausgleichsleitung zu den Anschlüssen eines Messgerätes bzw. Kupferleitungen heißt Vergleichsmessstelle. Die in der DIN IEC 584 Teil 1 aufgeführten Werte beziehen sich alle auf eine Vergleichsstellentemperatur von 0 C. Um bei einer Vergleichsmessstellentemperatur ungleich 0 C eine korrekte Temperatur bestimmen zu können, muss zu der gemessenen Thermospannung die Thermospannung der Vergleichsmessstellentemperatur addiert werden. Beispiel: Abgelesene Thermospannung = µv Vergleichsmessstellentemperatur (20 C) = 798 µv µv µv entspricht einer Temperatur laut DIN für Typ K von 416,7 C. M9-1

2 Thermopaare für Thermoelemente DIN : Schaltung von Thermoelementen mit Vergleichsstelle und mit Kompensationsschaltung: TE Thermoelement A Anschlussstelle des TE AL Ausgleichsleitung V Vergleichsstelle ML Messleitung M Messgerät Thermospannung R Widerstand R j Abgleichwiderstand R th Thermistor U B Brückenspeisespannung U K Kompensationsspannung M9-2

3 Thermopaar-Kennzeichnung durch Buchstaben: Typ R = Platin - 13% Rhodium/Platin Typ K = Nickel-Chrom/Nickel Typ J = Eisen/Kupfer-Nickel Typ E = Nickel-Chrom/Kupfer-Nickel Zulässige Abweichung von Widerstands-Thermometern und Thermoelementen: Pt 100 nach DIN und Grenzfehler von Thermoelementen NiCr-Ni und PtRh-Pt nach DIN IEC 584. Aus dem Bild ist zu ersehen, dass besonders im Temperaturbereich bis 400 C Widerstands- Temperaturmessungen höhere Genauigkeiten gewährleisten. 10 Zulässige Temperaturabweichung / C Typ E Klasse 1 Typ E Klasse 2 Typ J Klasse 1 Typ J Klasse 2 Typ K Klasse 1 Typ K Klasse 2 Typ R Klasse 1 Typ R Klasse 2 Pt100 Klasse A Pt100 Klasse B Temperatur / C M9-3

4 4 Grundlagen rechnergestützter Messdatenerfassung Um physikalische Größen mit Hilfe eines Rechners verarbeiten zu können, müssen diese in geeigneter Weise umgeformt werden. Der Rechner kennt weder kg noch m oder s - alle Informationen müssen ihm programmgesteuert in digitaler Form angeboten werden. Im allgemeinen werden die physikalischen Größen in elektrische Spannungen umgeformt. Diese Spannungen werden mit Hilfe eines A/D Wandlers (Analog-Digital-Wandlerkarte) in digitale Signale gewandelt. Ein Programm steuert den Ablauf dieser Wandlung und kalibriert das Wandlungsergebnis so dass anschließend wieder mit physikalischen Rechenwerten gearbeitet werden kann. Der A/D Wandler zeichnet sich durch folgende Punkte aus: Eingangsspannung ±5 Volt Auflösung 12 Bit Temperaturdrift (bezüglich 20 C) ±30 ppm / C Linearitätsfehler ±0,5 LSB Quantisierungsfehler Zu diesem Fehler des A/D Wandlers kommt fast immer noch der Fehler eines vorgeschalteten Signalumformers hinzu. Der im Versuch eingesetzte Signalumformer hat für C eine Ausgangsspannung von 0-5 V und einen Fehler von ±0,05 %. 5 Versuchsaufbau Ausgleichsschaltung Vergleichsmessstellen Fadenthermometer Messwertumformer PC mit A/D Wandler-Karte Typ E Typ K Typ E Voltmeter Zink Schmelzofen Thermoelemente M9-4

5 6 Versuchsdurchführung In einem elektrisch beheizten Ofen ist eine Zinkprobe vom festen Zustand in den flüssigen Zustand zu bringen. Der Temperaturverlauf wird mit 3 Thermoelementen gemessen. Wobei ein Thermoelement vom Typ E über einen Messwertumformer mit dem in einem PC eingebauten A/D Wandler verbunden ist. Programmgesteuert werden im 5 Sekunden Intervall die Temperaturen automatisch erfasst und gespeichert. Mit den Thermoelementen vom Typ E und Typ K wird die manuelle Temperaturmessung durchgeführt: Die Temperatur der Vergleichsmessstelle wird elektrisch über eine Ausgleichsschaltung auf 20 C konstant geregelt. Ein 2. Thermoelement wird direkt auf ein Multimeter geschaltet und die Vergleichsmessstellentemperatur ist mit einem Quecksilber- Thermometer zu ermitteln. 7 Inhalt des Berichts 1. Beschreibung des Versuchsaufbaus. 2. Schilderung der Versuchsdurchführung. 3. Auswertung: Berechnung der Temperaturen aus den Messwerten. Darstellung der drei gemessenen Temperaturverläufe in einem Diagramm. 4. Fehlerrechnung: Auflistung und Berechnung der in jeder Messkette auftretenden Messfehler in C. Berechnung des Gesamtfehlers jeder Messkette in C. 5. Diskussion der Ergebnisse: Physikalische Begründung der Kurvenverläufe. Vergleich und Bewertung der drei Verfahren. M9-5

6 M9-6

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