Paper Title (use style: paper title) · Web viewmjerenje temperature uzbudnog namota sinkronog...
8
UTJECAJ RAZLIČITIH TEHNOLOGIJA LIJEPLJENJA TEMPERATURNIH SONDI NA NJIHOVU TOČNOST Z. Hanić 1 , M. Vražić 2 , V. Šunde 3 , Fakultet elektrotehnike i računarstva, Sveučilište u Zagrebu, Hrvatska 1 [email protected] , 2 mario.vrazic @fer.hr , 3 [email protected] Sažetak: U radu se razmatraju utjecaji različitih tehnologija lijepljenja i postavljanja kontaktnih temperaturnih sondi na točnost mjerenja temperature. Proveden je eksperiment u kojem su istraženi različiti načini lijepljenja i postavljanja kontaktnih temperaturnih sondi na površinu kojoj se mjeri temperatura. Točnost mjerenja se povećava smanjenjem toplinskog kontaktnog otpora između plohe na kojoj se mjeri temperatura i same sonde uz istovremeno povećavanje toplinskog kontaktnog otpora između sonde i okoline. U provedenim eksperimentima očitanja temperaturnih sondi PT1000 uzimala su se kao referentna, dok je tehnologija lijepljenja i montiranja temperaturnih sondi testirana na digitalnim temperaturnim sondama DS18B20. Ključne riječi: mjerenje temperature, tehnologija lijepljenja temperaturnih sondi, točnost mjerenja temperature, digitalne temperaturne sonde DS18B20 I. UVOD Mjerenje temperature od izrazite je važnosti u mnogim područjima industrije i tehnike. Mjerenjem i trajnim motrenjem temperature mogu se dijagnosticirati kvarovi u tehničkim sustavima. Do danas su razvijene mnoge mjerne metode za mjerenje temperature, ovisno o objektu i mediju čija se temperatura mjeri. Metode za kontaktno mjerenje temperature uključuju korištenje termometara, termoparova, otporničkih temperaturnih senzora (npr. platinasti temperaturni senzori PT100 ili PT1000), digitalnih temperaturnih senzora (npr. DS18B20). Osim kontaktnog mjerenja temperature, postoje metode za bezkontaktno mjerenje temperature. Takve mjerne metode uključuju korištenje infracrvenih senzora i temelje se na Stefan-Boltzmanovom zakonu zračenja crnog tijela. Uređaji koji rade na tom principu su bolometri i infracrvene kamere [1], [2]. U ovom radu analizira se utjecaj tehnologije lijepljenja i montiranja temperaturnih kontaktnih sondi na plohu kojoj se mjeri temperatura na točnost mjerenja. Pri tom je od značaja i osiguranje čvrste mehaničke veze između sondi i mjerenog objekta, u ovom slučaju uzbudnog namota električnog stroja. II. MOTIVACIJA ZA UTVRĐIVANJE PRAVILNE TEHNOLOGIJE LIJEPLJENJA I MONTIRANJA KONTAKTNIH TEMPERATURNIH SONDI Kako bi se pouzdanije utvrdila granica dopuštenog zagrijavanja uzbudnog namota sinkronog stroja, koji se nalazi na rotoru, potrebno je osigurati direktno mjerenje temperature površine uzbudnog namota [3]-[5]. Prilikom izrade prototipnog mjernog sustava za kontaktno mjerenje temperature uzbudnog namota sinkronog stroja odlučilo se koristiti digitalne temperaturne sonde DS18B20. Termoparovi i platinaste temperaturne sonde PT100 i PT1000 standardno se koriste za kontaktno mjerenje
Transcript of Paper Title (use style: paper title) · Web viewmjerenje temperature uzbudnog namota sinkronog...
UTJECAJ RAZLIČITIH TEHNOLOGIJA LIJEPLJENJA TEMPERATURNIH SONDI NA NJIHOVU TOČNOST
Z. Hanić1, M. Vražić2, V. Šunde3,Fakultet elektrotehnike i računarstva, Sveučilište u Zagrebu, Hrvatska
[email protected], 2 mario.vrazic @fer.hr , [email protected]
Sažetak: U radu se razmatraju utjecaji različitih tehnologija lijepljenja i postavljanja kontaktnih temperaturnih sondi na točnost mjerenja temperature. Proveden je eksperiment u kojem su istraženi različiti načini lijepljenja i postavljanja kontaktnih temperaturnih sondi na površinu kojoj se mjeri temperatura. Točnost mjerenja se povećava smanjenjem toplinskog kontaktnog otpora između plohe na kojoj se mjeri temperatura i same sonde uz istovremeno povećavanje toplinskog kontaktnog otpora između sonde i okoline. U provedenim eksperimentima očitanja temperaturnih sondi PT1000 uzimala su se kao referentna, dok je tehnologija lijepljenja i montiranja temperaturnih sondi testirana na digitalnim temperaturnim sondama DS18B20.
Ključne riječi: mjerenje temperature, tehnologija lijepljenja temperaturnih sondi, točnost mjerenja temperature, digitalne temperaturne sonde DS18B20
I. UVOD
Mjerenje temperature od izrazite je važnosti u mnogim područjima industrije i tehnike. Mjerenjem i trajnim motrenjem temperature mogu se dijagnosticirati kvarovi u tehničkim sustavima. Do danas su razvijene mnoge mjerne metode za mjerenje temperature, ovisno o objektu i mediju čija se temperatura mjeri. Metode za kontaktno mjerenje temperature uključuju korištenje termometara, termoparova, otporničkih temperaturnih senzora (npr. platinasti temperaturni senzori PT100 ili PT1000), digitalnih temperaturnih senzora (npr. DS18B20). Osim kontaktnog mjerenja temperature, postoje metode za bezkontaktno mjerenje temperature. Takve mjerne metode uključuju korištenje infracrvenih senzora i temelje se na Stefan-Boltzmanovom zakonu zračenja crnog tijela. Uređaji koji rade na tom principu su bolometri i infracrvene kamere [1], [2].
U ovom radu analizira se utjecaj tehnologije lijepljenja i montiranja temperaturnih kontaktnih sondi na plohu kojoj se mjeri temperatura na točnost mjerenja. Pri tom je od značaja i osiguranje čvrste mehaničke veze između sondi i mjerenog objekta, u ovom slučaju uzbudnog namota električnog stroja.
II. MOTIVACIJA ZA UTVRĐIVANJE PRAVILNE TEHNOLOGIJE LIJEPLJENJA I
MONTIRANJA KONTAKTNIH TEMPERATURNIH SONDI
Kako bi se pouzdanije utvrdila granica dopuštenog zagrijavanja uzbudnog namota sinkronog stroja, koji se nalazi na rotoru, potrebno je osigurati direktno mjerenje temperature površine uzbudnog namota [3]-[5]. Prilikom izrade prototipnog mjernog sustava za kontaktno
mjerenje temperature uzbudnog namota sinkronog stroja odlučilo se koristiti digitalne temperaturne sonde DS18B20. Termoparovi i platinaste temperaturne sonde PT100 i PT1000 standardno se koriste za kontaktno mjerenje temperature na električnim strojevima [6]. U ovom slučaju digitalne temperaturne sonde korištene su zbog određenih prednosti vezanih za povezivanje sondi u mjerni sustav koji se montirao na površinu uzbudnog namota, te zbog dobrih svojstava vezanih za komunikaciju i prebacivanje podataka na mirujući mjerni sustav [7]. Prilikom provedbe prvih mjerenja temperature na stroju u mirovanju, uočena je razlika u mjerenju PT1000 sondi i digitalnih temperaturnih sondi DS18B20 [4], [5]. Sve temperaturne sonde bile su zalijepljene za površinu uzbudnog namota na jednak način, pomoću super ljepila. Slika 1. prikazuje pozicije temperaturnih sondi postavljenih na rotor sinkronog generatora prilikom mjerenja temperature u mirovanju
Slika 1. Pozicija senzora postavljenih na rotor sinkronog generatora prilikom mjerenja temperature u mirovanju.
Temperatura se je dodatno mjerila sa dva bolometra IR1 i IR2. Očitanja mjerenja sondi PT1 i DS10, koje su bile montirane jedne pokraj druge, kao i PT2 i DS6 prikazane su na slici 2.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
30
40
50
60
70
80
90
vrijeme, s
tem
pera
tura
, °C
PT1PT2DS6DS10
Slika 2. Očitanja mjerenja temperature kontaktnih temperaturnih sondi PT1, PT2, DS6 i DS10 prilikom pokusa
zagrijavanja i hlađenja u mirovanju.
Prema rezultatima mjerenja prikazanim na slici 2., može se uočiti da se očitanja mjerenja senzora PT1 i PT2 međusobno prilično dobro poklapaju, kao i očitanja senzora DS6 i DS10. Na početku pokusa sve su temperaturne sonde pokazivale istu temperaturu (temperaturu okoline), međutim tijekom zagrijavanja i hlađenja došlo je do razlika u izmjerenim temperaturama. Činilo se kao da jedna vrsta temperaturnih sondi, otporne PT1000 ili digitalne DS18B20 imaju nedopustivo veliku grešku u mjerenjima. Daljnje istraživanje usmjerilo se je na utvrđivanju koje od korištenih sondi griješe pri kontaktnom mjerenju temperature površine.
III. EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA
Kako bi se utvrdilo koje sonde čine grešku prilikom mjerenja temperature proveden je sljedeći eksperiment: temperaturne sonde PT1000 i DS18B20 postavljene su da mjere temperaturu vode koja se zagrijavala do vrenja, slika3.
Slika 3. Eksperimentalni postav u pokusu mjerenja temperature vode sondama PT1000 i DS18B20.
Pritom je korištena identična oprema kao u pokusu zagrijavanja na sinkronom generatoru u mirovanju. Rezultati opisanog pokusa prikazani su na slici 4.
0 1000 2000 3000 4000
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
vrijeme, s
tem
pera
tura
, °C
DS18B20PT1000
Slika 4. Rezultati pokusa mjerenja temperature vode sondama PT1000 i DS18B20.
Pokusom mjerenja temperature vode utvrđeno je da obje vrste sondi mjere temperaturu fluida s deklariranom točnošću od strane proizvođača. U slučaju kada se mjeri temperatura fluida, cijeli senzor je uronjen u fluid. Pritom u senzoru ne postoji gradijent temperature već je senzor u termičkoj ravnoteži s fluidom, odnosno nalazi se na temperaturi fluida.
Međutim, mjerenje temperature površine razlikuje se od mjerenja temperature fluida jer površina kojoj se mjeri temperatura općenito ne mora imati temperaturu kao i njezina okolina. Temperaturni senzor montiran na mjerenoj površini izložen je temperaturi površine i temperaturi okoline, te se u njemu javlja temperaturni gradijent. Zbog postojanja temperaturnog gradijenta, toplina prelazi sa senzora na okolinu i zbog toga senzor ima manju temperaturu od mjerene temperature površine. Za postizanje zadovoljavajuće točnosti kontaktnog
mjerenja temperature površine potrebno je ostvariti što bolji toplinski kontakt sonde sa površinom i čim više ograničiti toplinski kontakt sonde sa okolinom. Kako bi se to ostvarilo, ideja je postaviti oko sonde kupolu od nekog materijala kako bi ju se dodatno prilijepilo za površinu i zaštitilo od utjecaja temperature okoline. Pitanje je da li koristiti toplinski izolacijski ili vodljivi materijal.
Toplina sa temperaturne sonde na okolinu također
može prelaziti preko izvoda pomoću kojih je sonda spojena s mjernim sustavom. Taj utjecaj je to izraženiji što su izvodi većeg presjeka. Da bi se dokazao ovaj efekt dodatno su grijane priključne žice sondi PT1000 i DS18B20 za vrijeme mjerenja temperature. Na slici 5. prikazan je izgled temperaturnih sondi nakon zagrijavanja njihovih priključnih izvoda. Pritom su izvodi sonde PT1000 duže zagrijavani u odnosu na izvode sonde DS18B20, što se može vidjeti na slici 6., gdje su prikazana njihova očitanja temperature tijekom dodatnog zagrijavanja izvoda.
Slika 5. Izgled temperaturnih sondi PT1000 i DS18B20 nakon zagrijavanja izvoda. Lijevo je prikazana PT1000 sonda.
0 50 100 150 200 250 300 350 40020
30
40
50
60
70
80
90
100
vrijeme, s
tem
pera
tura
, °C
DS18B20PT1000
Slika 6. Očitanja mjerenja temperature tijekom dodatnog zagrijavanja izvoda sondi PT1000 i DS18B20.
Osim navedenih utjecaja, uočio se utjecaj enkapsulacijskog materijala na točnost mjerenja temperature. Naime od same površine kućišta sonde, do
senzora koji mjeri temperaturu nalazi se 2 mm enkapsulacijskog materijala koji je toplinski izolator. Kada toplina prelazi sa plohe na senzor, na tom dijelu enkapsulacijskog materijala stvara se pad temperature, te se zbog toga senzor nalazi na nižoj temperaturi u odnosu na plohu čiju je temperaturu potrebno mjeriti. Korištene DS18B20 temperaturne sonde izvedene su u T0-92 kućištu (slika 7.).
Slika 7. Smještaj integriranog kruga s temperaturnim senzorom unutar enkapsulacijskog materijala temperaturne
sonde DS18B20 izvedene u TO-92 kućištu.
Da bi se navedeni utjecaj eliminirao, uklonjen je enkapsulacijski materijal između plohe i samog senzora koji se nalazi u TO-92 kućištu. Na taj način dodatno je poboljašana toplinska veza između plohe na kojoj se mjeri temperatura i temperaturnog senzora.
Kako bi se ispitali svi navedeni utjecaji, te kako bi se istražilo od kakvog materijala načiniti kupolu oko sonde kako bi se povećala točnost mjerenja temperature, na armaturni vodič postavilo se 13 DS18B20 sondi, te 3 PT1000 sonde. Provedeno je niz pokusa zagrijavanja i hlađenja armaturnog vodiča, dok su sve temperature sonde su mjerile temperaturu na njegovoj površini.
Slika 8. Smještaj temperaturnih sondi na armaturnom vodiču.
Tablica 1. Načini lijepljenja i debljine izvoda sondi korištenih u eksperimentima zagrijavanja i hlađenja
armaturnog vodiča.
Sonda Način lijepljenja Dijametar izvoda
PT1 Super-ljepilo 0.2 mmPT2 Super-ljepilo 0.2 mmPT3 Super-ljepilo 0.2 mmDS1 Kupola od metalnog epoksida 0.13 mmDS2
(SMD) Kupola od metalnog epoksida 0.13 mm
DS3Kupola od metalnog epoksida, sastrugan enkapsulacijski materijal
0.13 mm
DS4 Kupola od metalnog epoksida 0.1 mm
DS5 Termopasta između plohe i sonde, kupola od silikona 0.45 mm
DS6 Termopasta između plohe i sonde, kupola od silikona 0.45 mm
DS7 Lijepljeno super-ljepilom, kupola od dvokomponentnog epoksida 0.45 mm
DS8 Lijepljeno super-ljepilom, kupola od silikona 0.45 mm
DS9 Super-ljepilo 0.45 mmDS10 Super-ljepilo 0.1 mmDS11 Super-ljepilo 0.13 mmDS12
(SMD) Stegnuto plastičnim vezicama 0.13 mm
DS13 Alufolija oko sonde, kupola od silikona 0.1 mm
IV. REZULTATI I DISKUSIJA
Na slikama 9. do 12. prikazani su rezultati mjerenja temperature tijekom zagrijavanja i hlađenja armaturnog vodiča. Zadovoljavajuća točnost mjerenja temperaturnih sondi smatra se odstupanje od ±5 °C od temperaturnih sondi PT1 do PT3. Također je kriterij za zadovoljavajuću tehnologiju lijepljenja i montiranja temperaturne sonde bilo dovoljno dobro mehaničko učvršćenje temperaturne sonde za plohu, s obzirom da su sonde morale biti montirane na rotor sinkronog generatora.
Očitanja temperaturne sonde koje su dovoljno točno mjerile i koje su bile zadovoljavajuće dobro mehanički učvršćene za plohu prikazane su na slikama 9. i 10.
0 1000 2000 3000 4000 5000 600020
40
60
80
100
vrijeme, s
tempe
ratura
, °C
PT1PT2PT3DS1DS2DS3DS4DS12
Slika 9. Očitanja mjerenja temperature sondi PT1000 i DS18B20 tijekom pokusa zagrijavanja i hlađenja armaturnog
vodiča. Očitanja sondi s dovoljnom točnošću.
2500 3000 3500
103
104
105
106
107
108
109
110
vrijeme, s
tempe
ratura
, °C
PT1PT2PT3DS1DS2DS3DS4DS12
Slika 10. Detalj očitanja mjerenja temperature sondi PT1000 i DS18B20 tijekom pokusa zagrijavanja i hlađenja
armaturnog vodiča.
Prema [8] kontaktni toplinski otpor među dvije plohe znatno opada sa narinutim mehaničkim opterećenjem, odnosno silom među njima. Tako je najveću temperaturu mjerila temperaturna sonda DS12, koja je sa plastičnim vezicama bila stegnuta za armaturni vodič.
Očitanja temperaturne sonde koje su nedovoljno točno mjerile i koje su ne dovoljno dobro mehanički učvršćene za plohu prikazane su na slikama 11. i 12. Pritom temperaturna sonda DS13 nije bila dovoljno dobro mehanički učvršćena za plohu.
0 1000 2000 3000 4000 5000 600020
30
40
50
60
70
80
90
100
110
vrijeme, s
tempe
ratura
, °C
PT2DS5DS6DS7DS8
Slika 11. Očitanja mjerenja temperature sondi PT1000 i DS18B20 tijekom pokusa zagrijavanja i hlađenja armaturnog
vodiča. Očitanja sondi koje su nedovoljno točno mjerile (DS5-DS8).
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
40
60
80
100
vrijeme, s
tempe
ratura
, °C
PT2DS9DS10DS11DS13
Slika 12. Očitanja mjerenja temperature sondi PT1000 i DS18B20 tijekom pokusa zagrijavanja i hlađenja armaturnog
vodiča. Očitanja sondi koje su nedovoljno točno mjerile (DS9-DS11 i DS13).
V. ZAKLJUČAK
Kako bi se postigla zadovoljavajuća točnost mjerenja temperature površine kontaktnim temperaturnim sondama DS18B20 u TO-92 kućištu potrebno je osigurati što bolji toplinski kontakt sonde s površinom na kojoj se mjeri temperatura i smanjiti toplinski kontakt sonde sa okolinom.
Temperaturne sonde DS18B20 u TO-92 kućištu izvedene su tako da je između plohe i mikroelektroničkog senzora koji mjeri temperaturu oko 2 mm enkapsulacijkog materijala. Taj materijal je slabo toplinski vodljiv. Kada toplina prelazi sa plohe kroz enkapsulacijski materijal do senzora, na enkapsulacijskom materijalu stvori se osjetni pad temperature zbog čega se smanjuje točnost mjerenja temperature. Kako bi se smanjio ovaj utjecaj potrebno je sa sonde sastrugati taj enkapsulacijski materijal. Nadalje,
vrlo učinkovit način za smanjenje odvođenja topline sa sondi jest korištenje vodiča malog presjeka za spajanje sondi sa akvizicijskim sustavom. Vodiči temperaturnih sondi izloženi su temperaturi okoline, dok su sonde izložene temperaturi plohe kojoj se mjeri temperatura. Zbog razlika temperatura postoji temperaturni gradijent koji uzrokuje odvodnju topline sa sonde, te na taj način smanjuje točnost mjerenja temperature površine. Korištenjem vodiča malog presjeka znatno se može smanjiti odvodnja topline sa sonde, čime se povećava točnost mjerenja temperature.
Toplinski kontakt između površine i sonde može se povećati tako da se cijela sonda prekrije nekim toplinski dobro vodljivim materijalom malog toplinskog kapaciteta koji je u toplinskom kontaktu s površinom kojoj treba izmjeriti temperaturu. Takvi materijali brzo se zagriju te ubrzo imaju istu temperaturu kao i površina kojoj treba izmjeriti temperaturu. Materijal koji ima takva svojstva je metalni epoksid. Temperaturna sonda lijepi se metalnim epoksidom na plohu kojoj treba izmjeriti temperaturu pomoću kupole od metalnog epoksida u kojoj se nalazi sonda. Na taj način sonda i ploha kojoj treba izmjeriti temperaturu izmjenjuju toplinu preko veće površine, čime se povećava toplinski kontakt sonde i površine i ujedno smanjuje toplinski kontakt sonde s okolinom. Metalni epoksid ujedno je i električki izolator, tako da nema bojazni od kratkog spajanja izvoda temperaturne sonde.
Svi postupci eksperimentalno su provjereni mjerenjem temperature površine na armaturnom vodiču. Kao referentno mjerenje temperature uzimala se temperatura mjerena kontaktnom temperaturnom sondom PT-1000.
LITERATURA
[1] V. Bego, "Mjerenja u elektrotehnici," 9th ed., Zagreb, Graphis, 2003, ISBN 953-6647-46-X, pp. 9-36
[2] J. B. Wabster, "The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook", CRC Press, IEEE press, 1999, ISBN 084932145X, chapter: 4, 32, 43
[3] I. Ilić, Z. Maljković, I. Gašparac et. al. “Methodology for Determining the Actual P-Q Diagram of a Hydrogenerators” Journal of Energy, Vol.56 No.2 pp. 141 - 181, February 2007
[4] Hanić, Z.; Kovačić, M.; Vražić, M.; , "Influence of mounting temperature probes on the excitation winding on its temperature field," Electrical Machines (ICEM), 2010 XIX International Conference on , vol., no., pp.1-6, 6-8 Sept. 2010
[5] Hanić, Z.; Vražić, M.; Stipetić, S.; , "Some problems related to surface temperature measurement of synchronous generator excitation winding in rotation," Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), 2010 14th International , vol., no., pp.T7-15-T7-20, 6-8 Sept. 2010
[6] M. Vražić, I. Gašparac, M. Pavlica, "Some Problems of Synchronous Hydro-Generator Temperature Measurement",: A.P.D.E.E. 2008, Coimbra, Portugal, Page(s): 1-4, September 2008
[7] M. Kovačić, M Vražić, I. Gašparac, "Bluetooth wireless communication and 1-wire digital temperature sensors in synchronous machine rotor temperature measurement," Power Electronics and
Motion Control Conference (EPE/PEMC), 2010 14th International , vol., no., pp.T7-25-T7-28, 6-8 Sept. 2010
[8] C.L Yeh, C.Y Wen, Y.F Chen, S.H Yeh, C.H Wu, An experimental investigation of thermal contact conductance across bolted joints, Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 25, Issue 6, December 2001, Pages 349-357, ISSN 0894-1777
