Labor Messtechnik Versuch 1 Temperatur

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1 HS Kblenz Prf. Dr. Kröber Labr Messtechnik Versuch 1 emperatur Seite 1 vn 5 Versuch 1: emperaturmessung 1. Versuchsaufbau 1.1. Umfang des Versuches Im Versuch werden flgende hemenkreise behandelt: - emperaturfühler Pt1 - NC-emperaturfühler - hermelemente und Vergleichstemperatur - Zeitverhalten vn emperatursensren - Ermittlung der leistung und der Wärmeverluste 1.2. Versuchsaufbau und Hinweise Ein Wasserbad wird elektrisch beheizt. Die leistung wird mit einem Wattmeter gemessen und kann stufenls variiert werden. Als eferenztemperatur wird die Anzeige des Pt1- emperatursensrs verwendet. Ferner stehen verschiedene hermelemente und ein NC-Sensr zur Verfügung. Messung Pt 1: Der Pt1 ist ein passiver emperaturfühler und besteht aus einem elektrischen Widerstand, der mit wachsender emperatur zunimmt. Die Bezeichnung Pt1 bedeutet, dass der hm'sche Widerstand bei C gerade 1Ω beträgt. Mit wachsender emperatur steigt der Widerstand entsprechend der Gleichung: : emperatur in C = ( 1+ α Pt) : 1 Ω α Pt : 3,85 * 1-3 K -1 (...1 C) DIN 4376 : Widerstand bei emperatur Strmlaufplan (Vierleiterschaltung), aufnehmerseitig: Messleitung, hchhmige Austastung Prinzipblckschaltbild Anzeige-/Verstärkereinheit: Der Analgausgang der Anzeige-/Verstärkereinheit wird vr der echnererfassung mit dem Faktr 1 multipliziert und steht dann mit 1 mv/ C zur Verfügung, als: C V 1 C 1V

2 HS Kblenz Prf. Dr. Kröber Labr Messtechnik Versuch 1 emperatur Seite 2 vn 5 Messung NC: Der Widerstand eines NC's sinkt mit wachsender emperatur. Die Abhängigkeit des Widerstandes vn der emperatur lässt sich frmelmäßig beschreiben durch: : emperatur in [K] : Bezugstemperatur in [K] (=25 C) ln( ln( = e ) = ln( 1 1 B( ) 1 1 ) + B( ) 1 ) = B + (ln( ) B ) B: B-Wert, Dimensin: [K] : Widerstand bei Bezugstemperatur : Widerstand bei emperatur Die Gleichung lässt sich durch Lgarithmieren auf flgende Frm bringen: y m x b Geradengleichung in y =ln( ) und x = 1/ Die Messwerte werden lgarithmiert (dabei stets gleiche Einheit wählen!) und mit y bezeichnet. Anstatt der absluten emperatur wird der Kehrwert der absluten emperatur gebildet. Dieser Kehrwert wird mit x bezeichnet. In einer Graphik wird nun y über x aufgetragen. Die Steigung entspricht dem B-Wert. Der Bezugswiderstand wird durch Entlgarithmieren des y-wertes ermittelt. Messung hermelemente: emperaturmessung mit Vergleichstemperaturmessstelle: Die zu messende emperatur ist die emperatur des beheizten Wasserbades. Als Vergleichstemperaturmessstelle wird ein thermisch isliertes Wasserbad verwendet (emperatur wird mit Quecksilberthermmeter gemessen). Als hermpaar wird ein Platin-1%hdium/Platin hermelement (S-yp) verwendet. Die hermempfindlichkeit dieses hermpaares beträgt 6,46 μv/ C (-1 C).

3 HS Kblenz Prf. Dr. Kröber Labr Messtechnik Versuch 1 emperatur Seite 3 vn 5 emperaturmessung mit Vergleichstemperatur Zur Messung der Differenztemperatur der beiden Wasserbäder müssen die hermelemente gegeneinander geschaltet werden. Farbkdierung: rt = Material A / schwarz = Material B Diese hermspannung wird direkt am Vltmeter (Messbereich Millivlt) abgelesen und zusätzlich vr der Erfassung mit dem echner analg mit 1 multipliziert (1 mv hermspannung entsprechen dann 1 V Messsignal am AD-Wandler). emperaturmessung hne Vergleichstemperatur Hier wird ein NiCr-Ni Mantelthermelement (K-yp; 4,96 μv/ C) und ein Eisen-Knstantan Mantelthermelement (J-yp; 52,69 μv/ C) verwendet. Diese Spannungen werden ebenfalls vr der Erfassung mit dem echner analg mit 1 multipliziert (1 mv hermspannung entsprechen dann 1 V Messsignal am AD-Wandler). Die Bedienung des Lab-VIEW-Messprgrammes wird unmittelbar bei der Versuchsdurchführung erläutert. 2. Versuchsaufgabe und Anleitung zur Durchführung 2.1. Charakteristiken der emperaturmesssysteme In dem beheizten Wasserbad (1 Liter Wasser) sllen flgende emperaturen eingestellt werden: zunächst die vrhandene, vrgegebene emperatur, dann 3 C, 4 C, 5 C, 6 C, und 7 C. Zur Messung jeder emperaturstufe muss flgender Ablaufplan eingehalten werden: - ung einschalten Warten, bis die Anzeige des Pt1 die gewünschte emperatur anzeigt - ung abschalten - Warten, bis die angezeigte emperatur nicht mehr zunimmt - Ablesen Digitalanzeige Pt1 - Ablesen hermspannung am Vltmeter (S-yp) - Widerstand NC ablesen - Ziehen Sie die Stecker des Pt1 Aufnehmers aus der Buchse (vrne am Stecker anfassen und ziehen, nicht am Kabel der der Kabeltülle)! - Widerstand messen, Stecker wieder einstecken Der gesamte Ablauf wird bei jeder emperaturstufe wiederhlt.

4 HS Kblenz Prf. Dr. Kröber Labr Messtechnik Versuch 1 emperatur Seite 4 vn 5 Auswertung: - abellarische Wiedergabe der Messwerte - Graphische Darstellung Widerstand des Pt1 in Abhängigkeit der angezeigten emperatur des Pt1 (Eintragung der Messwerte und Nrmwerte Bem.: Pt1 wird im Flgenden stets als eferenztemperatur verwendet. 1Ω C Nrmwerte - Graphische Darstellung Widerstand NC in Abhängigkeit der emperatur (wie auf Seite 2 beschrieben) u - Graphische Darstellung der hermspannungen (K-yp, J-yp swie S-yp) in Abhängigkeit der emperatur Bestimmen Sie die Steigungen und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Nrmwerten! Nrmwerte: J-yp: 52,69 μv/ C K-yp: 4,96 μv/ C S-yp: 6,46 μv/ C = V = Ermittlung der leistung und der Wärmeverluste Ermitteln Sie aus dem Messschrieb die Steigung während der phase (hierzu den Kurvenverlauf im beren emperaturbereich auswerten) swie die Steigung bei Abkühlen. Die Wärmeverlustleistung (betragsmäßig) beim Abkühlen lässt sich bestimmen aus: P P d = m c Falls keine Wärmeverluste auftreten würden, s könnte die leistung aus dem Messschrieb gemäß der flgenden Gleichung ermittelt werden: d = m c Da während des Aufheizens die Wärmeverluste auch zugeführt werden müssen, ergibt sich für die insgesamt zugeführte elektrische leistung dann: insgesamt elektrisch zugeführt P = P + P Weitere Daten: (als Masse wird vereinfacht nur die Masse des Wassers angesetzt) m = 1 kg c = 4183 J/(kg*K) Prinzipieller emperaturverlauf: Vergleichen Sie die Ergebnisse mit der angezeigten leistung des Wattmeters! mv C d Δ Δt d J yp K yp S yp t

5 HS Kblenz Prf. Dr. Kröber Labr Messtechnik Versuch 1 emperatur Seite 5 vn Zeitverhalten der emperaturfühler en Sie die emperaturfühler (Pt1 und die drei hermelemente) zunächst ab. Dann werden die emperaturfühler ins Wasserbad eingetaucht. Dabei werden die Messsignale mit dem PC aufgenmmen. Ermittlung der Zeitknstanten: Ermitteln Sie die Zeitknstanten der 4 Sensren aus dem Messschrieb! Schätzen Sie die Zeitknstante des Eisen-Knstantan-hermelementes (J-yp, Farbe: schwarz) rechnerisch ab! Hilfestellung hierzu (Stirnflächen swie Schaft- und Kabeleinfluss vernachlässigt): 2 π ( d l ρ) c m c = = 4 α A α ( d π l) = d ρ c 4 α d d << l Zahlenwerte: l Durchmesser hermelement: 1, mm spezifische Wärme (Anhaltswert für Metalle): 4 J/(kg K) Dichte (Anhaltswert für Metalle): 8 kg/m 3 Wärmeübergangszahl (Wasser, leicht bewegt): W/(m 2 K) Bemerkung: Unteren und beren Zahlenwert für Wärmeübergangszahl einsetzen und überprüfen, b Ergebnis innerhalb dieser Bandbreite liegt.