Методы и средства измерений температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы и средства измерений температуры

1. Особенности измерений температуры. Термометрические свойства веществ. Относительная и абсолютная температурные шкалы. МТШ 90. Классификация СИ температуры

Особенности измерений температуры. Термометрические свойства веществ

Температура - физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства тел называют термометрическими. К ним относят длину, объем, плотность, термоЭДС. Средство измерений температуры называют термометром.

Относительная и абсолютная температурные шкалы

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства.

Первые шкалы появились в XVIII веке. Для построения их выбирались две опорные, или реперные точки t1 и t2, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. Разность температур t1-t2 называют основным температурным интервалом.

Фаренгейт (1715 г.), Реомюр (1776 г.) и Цельсий (1742 г.) при построении шкал основывались на допущении линейной связи между температурой t и термометрическим свойством, в качестве которого использовалось расширение объема жидкости V, т. е.

T=a+bV

где а и b -- постоянные коэффициенты.

Подставив в это уравнение V=V1 при t=t1 и V=V2 при t=t2, после преобразований получим уравнение температурной шкалы:

. (1)

В шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия точке плавления льда t1 соответствовали +32,0 и 0°, а точке кипения воды t2.-- 212,80 и 100°. Основной интервал t2-t1 в этих шкалах делится соответственно на N=180, 80 и 100 равных частей, и 1/N часть каждого из интервалов называют градусом Фаренгейта - t°F, градусом Реомюра - f°R и градусом Цельсия - t°C. Для шкал, построенных по указанному принципу, градус не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток - масштаб шкалы.

Для пересчета температуры из одной указанной шкалы в другую используют соотношение .

Термодинамическая шкала температур основана на использовании второго закона термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, определяется только температурами нагревателя Тн и холодильника Тх и не зависит от свойств рабочего вещества, т. е.

(2)

где Qн и Qх - количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.

Кельвином было предложено для определения температуры использовать равенство

. (3)

Следовательно, используя один объект в качестве нагревателя, а другой - в качестве холодильника и проводя между ними цикл Карно, можно определить отношение температур объектов путем измерения отношения теплоты, взятой от одного объекта и отданной другому. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего (термометрического) вещества и называется абсолютной шкалой температур. Обозначая количество теплоты, полученной от нагревателя (кипящая вода) и отдаваемой холодильнику (тающий лед), соответственно через Qкв и Qтл и приняв Tтл=100, используя (3), получим

и . (4)

Для любой температуры Т нагревателя при неизменном значении температуры Ттл холодильника и количества теплоты Qтл, отдаваемой ему рабочим веществом машины Карно, будем иметь

. (5)

Выражение (5) является уравнением стоградусной термодинамической шкалы температур и показывает, что значение температуры Т по данной шкале линейно связано с количеством теплоты Q, полученной рабочим веществом тепловой машины при совершении ею цикла Карно, и не зависит от свойств термометрического вещества. За один градус термодинамической температуры принимают такую разность между температурой и температурой таяния льда, при которой производимая по обратимому циклу Карно работа равна 1/100 части работы, совершаемой в цикле Карно между температурой кипения воды и таяния льда (при условии, что в обоих циклах количество теплоты, отдаваемое холодильнику, одинаково).

Из выражения (2) следует, что при максимальном значении =1 должна быть равна нулю Тх. Эта наименьшая температура была названа Кельвином абсолютным нулем. Температуру по термодинамической шкале обозначают Т в К.

Любая температура в абсолютной шкале Кельвина может быть определена как Т=273,15К+t (где t--температура в °С). Необходимо отметить, что один градус Кельвина (1К) соответствует одному градусу Цельсия (1°С), так как обе шкалы базируются на одинаковых реперных точках.

МТШ 90

На основе проведенных в различных странах исследований VII Генеральной конференции по мерам и весам в 1927 г. было принято термодинамическую шкалу заменить «практической» температурной шкалой и назвать ее международной температурной шкалой.

Для построения международной температурной шкалы было выбрано шесть воспроизводимых реперных точек, значения температуры которых по термодинамической шкале были тщательно измерены в различных странах с помощью газовых термометров и приняты наиболее достоверные результаты. С помощью реперных точек градуируются эталонные приборы для воспроизведения международной температурной шкалы.

В 1948, 1960, 1968 и 1990 гг. в положения о международной температурной шкале был внесен ряд уточнений и дополнений, так как на основе усовершенствованных методов измерений были обнаружены отличия этой шкалы от термодинамической, особенно в области высоких температур, а также в связи с необходимостью продлить температурную шкалу до более низких температур. В настоящее время действует принятая на XIII конференции по мерам и весам усовершенствованная шкала под названием «Международная температурная шкала 1990» (МТШ--90). Температуры МТШ--90 снабжаются индексом (Т90 или t90).

Основные реперные точки шкалы МТШ-90 осуществляются как точки плавления, затвердевания и тройные точки чистых веществ. Тройная точка - такое состояние вещества, при котором твердая, жидкая и газообразная фазы находятся в тепловом равновесии. Точка плавления или затвердевания - такое состояние вещества, при котором происходит равновесный фазовый переход от твердого к жидкому состоянию вещества (или наоборот) при внешнем давлении 101325 Па.

Таблица 1 - Основные реперные точки температуры в диапазоне

0 - 961,78 °С.

Реперная точка	Обозначение	Температура по МТШ-90, °С
Тройная точка воды	TPW	0,01
Точка плавления галлия	Ga	29,7646
Точка затвердевания индия	In	156,5985
Точка затвердевания олова	Sn	231,928
Точка затвердевания цинка	Zn	419,527
Точка затвердевания алюминия	Al	660,323
Точка затвердевания серебра	Ag	961,78

Интерполяционным прибором МТШ-90 в диапазоне 0 - 961,78 °С является эталонный платиновый термометр сопротивления. Чувствительный элемент термометра представляет собой тонкую платиновую спираль, закрепленную без напряжений на каркасе из изоляционного материала (обычно кварца). Важнейшими требованиями к термометру являются высокая чистота платиновой проволоки, свободное расширение проволоки при нагреве и охлаждении, высокое сопротивление изоляции при температурах выше 800 °С. В зависимости от диапазона температур используются два типа эталонных термометров: термометры для средних температур (ПТС) от 0 °С до 660,323 °С и высокотемпературные термометры (ВТС) от 660,323 до 961,78 °С.

В шкале МТШ-90 установлен метод построения интерполяционной функции платинового термометра с использованием стандартной функции и функции отклонения. Термометрическим параметром является относительное сопротивление термометра W(T), определяемое как отношение сопротивления термометра при температуре Т к его сопротивлению в тройной точке воды. При градуировке термометра определяют его относительное сопротивление в реперных точках шкалы.

Стандартная функция термометра представляет собой полином девятой степени с известными коэффициентами Wref(T). Функции отклонения ДW(T) различны для разных поддиапазонов температур. Их коэффициенты рассчитываются по результатам градуировки термометра в реперных точках. Интерполяционная функция термометра определена как сумма функций:

W(T) = Wref(T) + ДW(T). (6)

В положении о шкале МТШ-90 установлены следующие требования к эталонному платиновому термометру для диапазона 0-961,78 °С:

W(Ga) ? 1.11807;

W(Ag) ? 4,2844.

Первое требование отражает высокую чистоту платиновой проволоки, второе требование определяет минимальное допустимое сопротивление изоляции каркаса.

Классификация СИ температуры

Контактные приборы и методы по принципу действия разделяются на:

а) термометры расширения, принцип действия которых основан на зависимости объемного расширения жидкости и линейных размеров твердых тел от температуры.

б) манометрические термометры, принцип действия которых основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в зависимости от температуры

в) термоэлектрические термометры (термопары), принцип действия которых основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

г) термометры сопротивления, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бесконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного теплового или оптического излучения можно представить следующими направлениями:

а) пирометрами - измерение температуры самосветящихся объектов пламени, плазмы, астрофизических объектов.

б) радиометрия - измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение находится в инфракрасном диапазоне длин волн.

в) тепловидение - радиометрическое измерение температуры с пространственным преобразованием температурного поля в телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объемах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах.

2. Термометры расширения. Манометрические термометры

Термометры расширения построены по принципу изменения объемов жидкостей (жидкостные термометры) или линейных размеров твердых тел (деформационные термометры).

Жидкостные металлические термометры

Жидкость в таком термометре заключена в металлическую колбу, соединенную капиллярной трубкой с манометром Бурдона. Когда жидкость при нагревании расширяется, в ней увеличивается давление, которое затем регистрируется датчиком давления типа трубок Бурдона. Для ртути диапазон измерения -39.. .650°С, для спирта -46... 150°С, для ксилена -40...400°С, для эфира 20...90°С. Эти приборы могут использоваться для дистанционных измерений на удалении от термометрической колбы. Точность около +1%.

Источником погрешностей для этого вида термометров является жидкость в соединительной капиллярной трубке, температура которой также воздействует на давление. Ошибка снижается при уменьшении объема соединительной трубки, следовательно, при использовании капиллярных трубок. Другой способ снижения погрешностей -- использование еще одной капиллярной трубки, проложенной вдоль главного капилляра, но немного не доходящего до колбы (Рис. 1).

Рисунок 1 Компенсация влияния окружающей среды

Она соединяется со второй трубкой Бурдона, и стрелка показывающего прибора перемещается уже разностью перемещений обеих трубок Бурдона. Еще один способ заключается в использовании биметаллической пластинки. Последняя соединяется с концом трубки Бурдона и оказывает компенсирующее действие на влияние окружающей температуры на жидкость в капиллярной трубке.

Другие источники ошибок -- это ошибка гидравлического подпора, ошибка от окружающего давления и ошибка степени погружения. Ошибка гидравлического подпора возникает тогда, когда высота термометрической колбы изменена по отношению к трубке Бурдона. Из-за перепада высот жидкости в термометре возникает дополнительное давление. Так как манометр Бурдона измеряет избыточное давление, изменение окружающего давления будет действовать на его показания. Термометрическая колба должна быть полностью погружена для получения правильных показаний.

Биметаллические пластинки (деформационные пластинки)

Биметаллические пластинки состоят из двух различных металлических пластинок одной длины, соединенных вместе. Так как металлы имеют различные коэффициенты термического расширения, то изменение температуры приводит к изгибу пластинки, так что металл с большим коэффициентом расширения окажется на внешней стороне кривизны. Величина, на которую пластинка изогнется, зависит от типа двух используемых металлов, длины биметаллической пластинки и изменения температуры. Если один конец биметаллической пластинки зафиксирован, то величина перемещения другого ее конца является мерой температуры. Это перемещение может быть использовано для размыкания или замыкания контактов электрических цепей, как это показано на Рис. 2 на примере простого термостата, применяемого во многих системах бытового обогрева.

Рисунок 2 Биметаллический термостат

Так как увеличение длины биметаллической полоски увеличивает перемещение, биметаллические термометры обычно выполняются в виде полоски спиральной формы (Рис. 3). Перемещение свободного конца здесь используется для непосредственного перемещения стрелки по шкале. Приборы с биметаллическими полосками прочны, относительно дешевы, могут использоваться в диапазоне -30...600°С, а также в термостатах. Они имеют точность ±1%, но обладают сравнительно медленной реакцией на изменение температуры.



Рисунок 3 Биметаллический термометр

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяют на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).

Манометрические термометры могут быть использованы для измерения температур от -150 до 600°С.

Рисунок 4 Манометрический термометр: 1 - термобаллон; 2 - манометрическая часть; 3 - капиллярная трубка

Диапазон измерения определяется наполнителем термосистемы. Термометры со специальными наполнителями (расплавленными металлами) пригодны для измерения температуры от 100 до 1000°С.

Термосистема термометра (рис. 4, а) состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 3 и манометрической части 2. Чувствительный элемент - термобаллон погружается в объект измерения, и термометрическое вещество в термобаллоне достигает температуры измеряемой среды. При изменении температуры рабочего вещества в термобаллоне изменяется давление, которое через капиллярную трубку передается на пружинный манометр, являющийся измерительным прибором манометрического термометра.

Термобаллон представляет собой цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к химическому воздействию измеряемой среды. Геометрические размеры термобаллона зависят от типа термометров и от задач измерения. Капилляр, соединяющий термобаллон с манометрической пружиной, представляет собой медную или стальную трубку с внутренним диаметром 0,1--0,5 мм. Длина капиллярной трубки в зависимости от эксплуатационных требований может быть от нескольких сантиметров до 60 м. Медные капилляры имеют стальную защитную оболочку, предохраняющую их от повреждений при монтаже и эксплуатации.

В настоящее время промышленностью выпускаются манометрические термометры с унифицированными пневматическим и электрическим (постоянного тока) выходными сигналами классов точности 1; 1,5; 2,5. Важное достоинство манометрических термометров -- возможность использования их на взрывоопасных объектах. Недостатки: необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации прибора и сложность ремонта, а также большие во многих случаях размеры термобаллона для газовых манометрических термометров. Манометрические термометры, используемые в промышленности, имеют классы точности 1--4.

3. Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, материалы. Способы измерения термо-ЭДС. Средства измерений, работающие совместно с ТЭП. Компенсация температуры холодных спаев ТЭП. Удлинение и термостатирование свободных концов ТЭП. Способы соединения ТЭП

Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, материалы

Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников.

На рис. 5 представлена термоэлектрическая цепь, состоящая из двух проводников (термоэлектродов) А и В. Места соединения термоэлектродов 1 и 2 называют спаями. Зеебеком было установлено, что если температура спаев t и to не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Направление этого тока, называемого термотоком, зависит от cooтношения температур спаев, т. е. если t>to, то ток протекает в одном направлении, а при t<to -- в другом.

Рисунок 5 Схема термоэлектрического преобразователя

измерение температура тепловое излучение

При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Рассматриваемый эффект обладает и обратимым свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье). Возникновение термотока и термоЭДС в современной физике объясняется тем, что различные металлы обладают различной работой выхода электронов и поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящая к возникновению разности потенциалов на концах. Таким образом, оба указанных фактора -- контактная разность потенциалов и диффузия электронов -- являются слагаемыми результирующей термоЭДС цепи, значение которой зависит в итоге от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП. Для математической формализации соотношения между контактными термоЭДС и результирующей термоЭДС цепи необходимо принять ряд условий. Один термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой ток идет к другому термоэлектроду, принято считать положительным, а другой--отрицательным. Например, если to<t и ток в этом спае направлен от термоэлектрода А к термоэлектроду В, то термоэлектрод А - термоположительный, а В --термоотрицательный. Обозначим контактную термоЭДС в спае между термоэлектродами А и В при температуре t как Указанная запись означает, что если термоэлектрод А положительный и он в очередности написания идет первым, то термоЭДС имеет положительный знак. При принятом условии запись будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком. В соответствии с законом Вольта, в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равенстве температур спаев термоток этой цепи равен нулю.

Исходя из этого, можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и ту же температуру, например to, то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу, и потому результирующая термоЭДС такого контура равна нулю, т. е.

(7)

или с учетом того, что ,

. (8)

Рассматривая (8) с формальной точки зрения, можно принять следующее правило: результирующая термоЭДС контура равна арифметической сумме контактных термоЭДС, в символе которых очередность записи термоэлектродов соответствует направлению обхода контура (например, против движения часовой стрелки).

Для замкнутой цепи, показанной на рис. 6, результирующая термоЭДС составит

, (9)

или

(10)

Уравнение (10) называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС зависит от разности функций температур t и to. Если сделать t0=const, то и

. (11)

При известной зависимости (11) путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура t в объекте измерения, если температура t0=const. Спай, погружаемый в объект измерения температуры, называют рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свободным спаем (концом).

Следует отметить, что в явном виде зависимость (11) для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных используемых ТЭП устанавливается экспериментально путем градуировки и последующего табулирования или построением графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться постоянной и значение ее стандартизовано на уровне t0=0°С. Примерный вид градуировочной кривой ТЭП показан на рис. 7.

Рисунок 6

Требования к материалам термоэлектродов и устройство ТЭП. К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требований: однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры, жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур; химическая инертность; термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения; технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам материалов; дешевизна и, наконец, наиболее существенное -- стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что позволяет создать стандартные градуировки.

Способы измерения термо-ЭДС

Включение измерительного прибора в цепь термоэлектрического преобразователя. Для измерения термоЭДС ТЭП включают измерительный прибор по одной из двух схем (рис. 7). Обе схемы включения прибора можно представить как включение в цепь, по крайней мере, еще одного, третьего проводника С. При включении измерительного прибора в разрыв спая свободного конца (рис. 7, а) ТЭП имеет один рабочий спай 1 и два свободных спая 2 и 3.

Рисунок 7 Схемы включения измерительного прибора в цепь термоэлектрического преобразователя

При включении по схеме рис. 7, б (в разрыв одного из термоэлектродов) ТЭП имеет четыре спая: рабочий 1, свободный 2 и два нейтральных 3 и 4 при постоянной температуре t1. Покажем, что, несмотря на внешнее различие схем, термоЭДС, развиваемые в обоих случаях, одинаковы, если температуры концов третьего проводника С будут равны.

Для схемы рис. 9, а имеем

 (12)

Если температуры всех спаев одинаковы, то

.

. (13)

Подставляя (13) в (12), получим

, (14)

т. е. уравнение (14) полностью совпадает с основным уравнением ТЭП.

Для цепи (рис. 7, б) получим

.

Учитывая, что и , запишем

(15)

Таким образом, следствием совпадения уравнений (14) и (15) с основным уравнением ТЭП является то, что термоЭДС ТЭП не изменяется от введения в его цепь третьего проводника при равенстве температур его концов. Этот вывод легко распространить на любое число проводников, подключаемых в контур ТЭП, при условии равенства температур концов этих проводников. Указанный вывод может быть отнесен также к подключаемому измерительному прибору.

Отметим, что при неравенстве температур спаев 2 и 3 (рис. 7, а) или 3 и 4 (рис. 7, б) в контуре образуется паразитная термоЭДС.

Компенсация температуры холодных спаев ТЭП

Термопары являются пассивными датчиками, т.к. сами вырабатывают напряжение в ответ на изменение температуры и не требуют для этого внешнего источника питания. Термопары относятся к классу относительных датчиков, поскольку их выходное напряжение определяется разностью температур между двумя спаями и практически не зависит от абсолютной температуры каждого соединения. При измерении температуры при помощи термопары один ее спай служит эталоном, и его температуру необходимо определять при помощи отдельного детектора абсолютной температуры, например, термистора, РДТ или его надо поместить в материал, находящийся в физическом состоянии, температура которого точно известна. Термоэлектрические напряжения всегда очень малы, поэтому такие детекторы, особенно при использовании длинных соединительных проводов, подвержены влиянию различных помех. Для усиления выходного сигнала иногда используют последовательное соединение нескольких термопар, но при этом необходимо обеспечивать, чтобы все эталонные и все чувствительные соединения находились при соответствующих температурах. Такие структуры получили название: термоэлементы. Исторически повелось, что эталонные соединения называются холодными спаями, а чувствительные - горячими.

На рис. 8 показана эквивалентная схема термопары и термоэлемента, состоящая из источников напряжений eh и ес, соответствующих разности потенциалов Зеебека горячего и холодных спаев, и последовательного резистора. Результирующее напряжение схемы Vр является функцией измеряемой разности температур.

Холодный спай может находиться при любой температуре, даже при температуре окружающей среды, единственное условие: значение этой температуры должно быть известно. Поэтому часто для измерения температуры холодного спая используется дополнительный детектор (например, терморезистивный или полупроводниковый) без компенсационных цепей.

Рисунок 8 Эквивалентная схема термопары

Например, чувствительность термистора бр при рабочей температуре Т задается уравнением (16) и имеет размерность Ом/К. Существует несколько способов обработки выходных сигналов. Самый точный метод заключается в раздельном измерении сигналов, последующем определении эталонной температуры Тr по характеристической зависимости эталонного датчика и нахождении разности температур ? по напряжению на термопаре Vр:

(16)

Откуда и находится абсолютная температура измеряемого объекта Тх. Значение чувствительности термопары может быть найдено из соответствующей таблицы.

Способы соединения ТЭП

Соединяя различным образом между собой термоэлектрические преобразователи, можно для конкретных задач измерения значительно улучшить точность.



Рисунок 9 Схемы соединений термоэлектрических преобразователей

Так, при необходимости измерения непосредственно разности температур используется дифференциальный способ соединения ТЭП, показанный на рис. 9, а. Здесь оба конца 1 и 2 ТЭП являются рабочими и каждый из них погружается соответственно в среду с температурой t1 и t2. Нейтральные концы 3 и 4 должны иметь одинаковые температуры to. По развиваемой в контуре термоЭДС определяют разность температур , используя соответствующий участок градуировочной кривой или таблицы ТЭП. Этот участок градуировки определяют измерением одной из температур t2 или t1.

Если температура t измеряемого объекта незначительно отличается от температуры to свободных концов ТЭП, то используется термобатарея (рис. 9, б), представляющая собой систему из п последовательно включенных ТЭП. Спаи, имеющие температуру t, являются рабочими и располагаются в объекте измерения, а свободные концы, имеющие температуру to, располагаются вне объекта. Суммарная термоЭДС в контуре термобатареи в п раз больше, чем в отдельном ТЭП, т. е. равна , благодаря чему увеличивается чувствительность измерения. Термобатареи, собранные в соответствии со схемой рис. 14, в называют дифференциальными преобразователями, с помощью которых измеряют малую разность температур. Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в средах соответственно с температурой t1 и t2, а спаи 3 и 4 -- нейтральные с одинаковой температурой t0. Результирующая термоЭДС здесь равна .

4. Термометры сопротивлений. Конструкция. Метрологические характеристики. Мосты, логометры, нормирующие преобразователи

Термометры сопротивлений

Термометр сопротивления (ТС) - это термометр в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Главное преимущество термометров сопротивления - широкий диапазон температур, высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость. Пленочные платиновые термометры сопротивления отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Изготавливаются также герметичные чувствительные элементы термометров сопротивления различных размеров, что позволяет их использовать в местах, где важно устанавливать миниатюрный датчик температуры. Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления - необходимость использования для точных измерений трех- или четырех- проводной схемы включения, т.к. при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается измеренное сопротивление термометра.

Конструкция. Метрологические характеристики

Особенности конструкции платиновых чувствительных элементов.

1.Самая распространенная конструкция - так называемая «свободная от напряжения спираль» (Strain-free). Эта конструкция выпускается многими предприятиями и считается самой надежной. Вариации основного дизайна заключаются в размерах деталей и материалах, используемых для герметизации корпуса ЧЭ. Для различных диапазонов температур используются разные виды глазури. Эта конструкция ЧЭ также очень распространена за рубежом.

Рисунок 10 Схема ЧЭ

ЧЭ представляет собой платиновую спираль, четыре отрезка которой укладываются в каналы трубки из оксида алюминия и засыпаются мелкодисперсным порошком из оксида алюминия высокой чистоты. Таким образом, обеспечивается изоляция витков спирали друг от друга, амортизация спирали при термическом расширении и вибропрочность. Герметизация концов ЧЭ проводится с помощью цемента, приготовленного на основе оксида алюминия, или специальной глазури.

2. Вторая конструкция - это новая разработка, которая используется в ЧЭ значительно реже из-за высокой стоимости. Так называемая полая конструкция «hollow annulus». Эта конструкция применяется на особо важных объектах, в атомной промышленности, т.к. обладает повышенной надежностью и стабильностью метрологических параметров.

Рисунок 11 Схема ЧЭ

Чувствительный элемент наматывается на поверхность полого металлического цилиндра, изолированную слоем оксида алюминия, образованным способом горячего распыления. Для изготовления цилиндра используется специальный металл, температурный коэффициент расширения которого очень близок к температурному коэффициенту платины. После специальных процедур отжига и обработки поверхности платины изолирующим слоем оксида алюминия ЧЭ вставляется в тонкую металлическую трубку, которая герметизируется с обоих концов. Недостатком данной конструкции, препятствующим ее широкому распространению в промышленности, является высокая стоимость ЧЭ.

3. Пленочные чувствительные элементы типа “thin-film”

Рисунок 12

Пленочный ЧЭ изготавливается нанесением тонкого слоя платины на керамическую подложку. Обычно слой имеет толщину порядка 10-8 см. Слой платины сверху покрывается эпоксидным или стеклянным изоляционным слоем. Технология изготовления освоена многими зарубежными фирмами, в настоящее время пленочный платиновый ЧЭ - это самый дешевый и самый широко продаваемый сенсор. Большим преимуществом является малый размер и масса ЧЭ, это позволяет устанавливать такие ЧЭ в миниатюрные корпуса и получать быструю скорость реагирования на изменение температуры объекта.

Термистор

Сопротивление полупроводников также изменяется с температурой. Группа датчиков, основанная на этом принципе, называется термисторами или терморезисторами. Они изготавливаются из смеси металлических оксидов, таких как оксиды хрома, кобальта, железа, марганца и никеля, сформированных в виде бусинок, дисков или стержней. График температурной зависимости сопротивления термистора является существенно нелинейным и может быть описан экспоненциальным соотношением вида:

(17)

Термисторы дают значительно большие изменения сопротивления на градус по сравнению с металлическими проволочными элементами.

Рисунок 13

Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от -260 до +1100°С. К металлическим проводникам термопреобразователей сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспечивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразователей сопротивления. К числу не основных, но желательных требований относятся: линейность функции , по возможности высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления , большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала.

Изменение сопротивления материала с изменением температуры от 0 до 100 °С характеризуется коэффициентом . Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для большинства чистых металлов он равен , что составляет увеличение электрического сопротивления при повышении температуры на один градус; примерно на 0,4--0,6% от сопротивления при 0°С. Для изготовления стандартизованных термопреобразователей сопротивлений в настоящее время применяют платину и медь.

Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления, равный , и высокое удельное сопротивление 0,1-10-6 Омм.

Недостатком платины является нелинейность функции и, кроме того, платина -- очень дорогой металл.

Медь -- один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от --50 до +200°С. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. Диаметр медной проволоки обычно 0,1 мм, а значение отношения составляет 1,4260--1,4280. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления от температуры линейна и имеет вид , где °С-1.

Никель и железо благодаря своим относительно высоким температурным коэффициентам электрического сопротивления и сравнительно большим сопротивлениям хотя и используются для измерения температуры в диапазоне от -50 до +250°С, однако широко не применяются. Это связано с тем, что градуировочная характеристика их нелинейна, а главное, не стабильна и не воспроизводима, и потому термопреобразователи сопротивления, изготовленные из этих металлов, не стандартизованы.

Конструкция технических термометров с металлическим термопреобразователем сопротивления показана на рис. 14.

Тонкая проволока или лента 1 из платины или меди наматывается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой проволоки каркас вместе с проволокой покрывают слюдой. Длина намотанной части каркаса с платиновой проволокой 50--100 мм, а с медной - 40 мм. Каркас для зашиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3, а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части каркаса между последней и защитной гильзой 3 устанавливаются упругие металлические пластинки 4 или массивный металлический вкладыш.

Помимо наматываемого проволокой каркаса используются двух- и четырехканальные керамические каркасы. В каналах размещают проволочные платиновые спирали, которые фиксируются в каналах каркаса с помощью термоцемента на основе оксида алюминия и кремния.

При изготовлении медных термопреобразователей сопротивления применяют безындукционную бескаркасную намотку. В качестве материала используют изолированную медную проволоку диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. Гильзу 8 с ее содержимым помещают во внешний, обычно стальной, замкнутый чехол 5, который устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 6. На внешней стороне чехла располагается соединительная головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы 9.

Рисунок 14 Конструкция термометра с металлическим термопреобразователем сопротивления

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления применяются для измерения температуры от -100 до 300 °С. В качестве материалов для них используются различные полупроводниковые вещества -- оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия.

Основным преимуществом полупроводников является их большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 3--5%, что делает их очень чувствительным к изменению температуры. Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому даже при очень малых размерах обладают значительным номинальным электрическим сопротивлением (от нескольких до сотен кОм), что позволяет не учитывать сопротивления соединительных проводов и элементов измерительной схемы.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в интервалах, не превышающих 100°С, определяется выражением . В узких интервалах температур (не более 25 °С) используется более простое выражение (где -- сопротивление при температуре Т; К, А, b, В -- постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала полупроводника).

Недостатком полупроводниковых материалов является их значительная нелинейность и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. Поэтому полупроводниковые термопреобразователи сопротивления даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления редко используются для измерения температуры. Они находят широкое применение в системах температурной сигнализации, вследствие присущего им релейного эффекта -- скачкообразного изменения сопротивления при достижении определенной температуры. Кроме того, полупроводниковые термопреобразователи сопротивления используются в качестве чувствительных элементов в различных газоаналитических автоматических приборах.

Мосты, логометры, нормирующие преобразователи

Уравновешенные мосты подразделяют на неавтоматические и автоматические. В них используется нулевой метод измерения. С помощью неавтоматических мостов, используемых в лабораторных условиях, измеряют сопротивление от 0,5 до 107 Ом, в частности производят градуировку термопреобразователей сопротивления и измеряют температуру.



Рисунок 15 Схема уравновешенного моста

Рисунок 16 Трехпроводная схема соединения термопреобразователя сопротивления с мостом

Схема уравновешенного моста показана на рис. 15. Диагональ питания моста ab содержит источник тока, а диагональ измерения dc нуль-индикатор, в частности нуль-гальванометр. Между точками подключения разноименных диагоналей располагаются плечи моста, состоящие в данном случае из постоянных резисторов R1 и R2 и регулируемого R3, а плечо сb содержит измеряемое сопротивление Rt и два соединительных провода каждый сопротивлением Rвн. Если мост уравновешен, то ток в диагонали cd равен нулю, а токи в соответствующих плечах равны, т. е. и , и как следствие, имеем и . Разделив два последних равенства друг на друга, с учетом равенства соответствующих токов имеем

(18)

Полученное выражение, выведенное из условия , предопределяет условие равновесия моста: чтобы мост находился в равновесии, необходимо соблюсти равенство произведений сопротивлений противоположных его плеч. Это достигается путем регулирования сопротивления резистора R3 до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет нуль.

Таким образом, при равновесии моста имеет место равенство

. (19)

Из (36) следует, что неизвестное сопротивление Rt может быть определено по значению R3 при постоянном отношении плеч , а также при неизменном значении . В то же время изменяется с изменением температуры окружающей среды, что приводит к искажению результата измерения Rt. Указанный недостаток может быть устранен путем трехпроводного соединения термопреобразователя сопротивления с мостом. При таком соединении питающая диагональ моста доводится (точка b) до термопреобразователя сопротивления. В результате этого соединительные провода оказываются разнесенными к двум плечам моста: одно из сопротивлений - в плече вместе с сопротивлением R3, а другое - в смежном плече вместе с Rt.

Тогда условие равновесия моста:

, (20)

откуда

. (21)

Если сделать мост симметричным , то будем иметь Rt=R3, т. е. результат измерения Rt в этом случае не зависит от сопротивления соединительных проводов .

Недостатком уравновешенных мостов, собранных по указанным схемам (рис. 15 и 16), является неопределенность в измерении, которую вносит переходное сопротивление контакта в регулируемом плече R3. Для устранения этого недостатка подвижный контакт располагают в измерительной диагонали, при этом регулируемое сопротивление оказывается размещенным в двух плечах. Таким образом, при уравновешивании моста путем перемещения контакта изменяется сопротивление сразу обоих плеч, а переходное сопротивление контакта, располагаемое теперь в измерительной диагонали, из-за отсутствия тока в момент уравновешивания не сказывается на результате измерения.

Достоинством уравновешенных мостов является независимость их от напряжения питания, минимально допустимое значение которого определяется чувствительностью нуль-индикатора.

Логометры магнитоэлектрической системы используются в комплекте с термопреобразователями сопротивления для измерения температуры.

Логометр со скрещенными рамками (рис. 17) состоит из двух жестко закрепленных между собой рамок 1 и 2, изготовленных из медных изолированных проволок сопротивлением и . На общей оси рамок насажена стрелка прибора 3. В кольцевом воздушном зазоре между цилиндрическим сердечником из мягкой стали 4 и полюсными наконечниками вращаются активные стороны рамки. В отличие от милливольтметра воздушный зазор между сердечником и полюсными наконечниками неравномерен и потому магнитное поле здесь распределяется неравномерно. Так, воздушный зазор на оси х-х минимален и увеличивается по обе стороны от этой оси. Таким образом, магнитная индукция В, пронизывающая активные стороны рамок, является функцией угла поворота рамок , т. е. . Токи и , проходящие соответственно в рамках 1 и 2, направлены так, что возникающие в них моменты и направлены навстречу друг другу. Значение каждого из моментов может быть выражено зависимостями и , где с - постоянный коэффициент, зависящий от геометрии рамок; и - магнитная индукция, пронизывающая рамки 1 и 2 соответственно.

Отличием логометра от милливольтметра является то, что здесь нет противодействующих повороту рамок пружин, а уравновешивание момента, действующего в одной из рамок, происходит за счет момента другой рамки. С целью исключения погрешности измерения токоподводы рамок выполняют безмоментным, например, из тонкой золотой ленты, или маломоментными - из бронзовой проволоки малого диаметра.

Рассмотрим работу логометра. Пусть, например, при изменении сопротивления увеличится ток , что приведет к увеличению момента который начнет поворачивать подвижную систему против движения часовой стрелки. При этом окажется, что активные стороны рамки 1 будут перемещаться из поля большей магнитной напряженности в поля с меньшей напряженностью. Активные же стороны рамки 2, наоборот, из поля с меньшей магнитной напряженностью в поле с большей напряженностью. В процессе этого перемещения момент будет уменьшаться, a расти вследствие уменьшения и роста . При некотором угле поворота подвижной системы наступит состояние равновесия:

или ,

(22)

. (23)

Из (23) следует, что угол поворота подвижной системы , или показание логометра, определяется отношением (по-гречески логус) двух токов, что объясняет название прибора - логометр.

Выражая каждый из токов и через напряжение питания контуров U и соответствующие сопротивления, имеем

. (24)

В уравнении (24) величины ,, , - постоянные, поэтому , т. е. в рассматриваемом случае логометр измеряет сопротивление . В виду того, что логометр непосредственно измеряет отношение двух токов, генерируемых от одного источника, изменение напряжения его в определенных пределах не влияет на показания прибора. Это его преимущество. Так как рамки 1 и 2 выполнены из меди, то при изменении температуры окружающей среды сопротивления рамок изменяются, что отражается на показаниях прибора.

Рисунок 17 Схема логометра, включенного в мостовую схему

Для уменьшения влияния температуры последовательно с сопротивлениями и рамок включаются добавочные резисторы с сопротивлениями и , выполненные из манганина. Значения этих сопротивлений много больше, чем и . Однако при этом условии вследствие уменьшения токов уменьшается чувствительность логометра. Для увеличения чувствительности логометра и одновременно уменьшения температурного коэффициента прибора используют схему симметричного неравновесного моста, в диагональ которого включаются рамки логометра (рис. 17). Здесь сопротивления резисторов симметричных плеч попарно равны, т. е. и при значении , соответствующем середине диапазона измерения по шкале; - сопротивление для изменения пределов измерения; - медное сопротивление для температурной компенсации; и - соответственно эквивалентное и уравнительное сопротивления, служащие для подгонки сопротивления соединительной линии. Приведенная схема позволяет для логометров класса точности 1,5 иметь дополнительную погрешность не более ±0,75% от значения диапазона измерения на каждые 10°С изменения температуры окружающей среды в пределах от 5 до 50°С. Логометры бывают показывающими, самопишущими, многоточечными и, кроме того, могут иметь встроенные устройства для сигнализации и регулирования. Классы точности промышленных логометров: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5.

5. СИ высоких температур. Классификация методов измерения температуры. Характеристики теплового излучения, основные физические явления и законы. Пирометры: оптические, фотоэлектрические, цветовые, радиационные пирометры. Динамические характеристики средств измерений температуры. Метрологическое обеспечение средств измерений температуры: поверочная схема, эталоны

Все физические тела, температура которых превышает абсолютный нуль, испускают тепловые лучи. Средства измерения, определяющие температуру тел по их тепловому излучению, называют пирометрами излучения или просто пирометрами.

Тепловое излучение представляет собой электромагнитное изучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии в отличие, например, от люминесценции, которая возбуждается внешними источниками энергии. Пирометры используются в основном для измерения температуры от 300 до 6000°С и выше. Для измерения температур выше 3000°С методы пирометрии являются практически единственными, так как они бесконтактны. Теоретически верхний предел измерения температуры пирометрами излучения неограничен.

Бесконтактные методы измерения обладают тем положительным свойством, что при использовании их не искажается температурное поле объекта измерения. В то же время для тех интервалов температур, где могут применяться и контактные методы, последним отдается предпочтение из-за их более высокой точности.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной спектр лучения, т.е. излучает волны всех длин в диапазоне от 0 до . Видимое глазом человека излучение, называемое светом, охватывает диапазон длин волн 0,40-0,75 мкм. Невидимые лучи охватывают инфракрасный участок спектра, т. е. диапазон от =0,75 до =400 мкм, за которым следует постепенный переход в радиоволновой диапазон. Лучи с <0,40 мкм также невидимы относятся к ультрафиолетовому диапазону, за которым следуют рентгеновские и гамма лучи.

Если на внешнюю поверхность тела падает поток лучистой энергии Ф (энергия, отнесенная к единице времени), то он частично поглощается Фп, отражается Фот и пропускается Фпр. Соотношение между этими потоками зависит от свойств тела и, в частности, от состояния его поверхности (степень шероховатости, цвет, температура). Если тело поглощает весь падающий на него лучистый поток, то коэффициент поглощения его и такое тело называют абсолютно черным.

Реальные тела не являются абсолютно черными и лишь некоторые из них по оптическим свойствам близки к ним, например нефтяная сажа, платиновая чернь имеют коэффициенты поглощения, мало отличающиеся от единицы.

Внешняя поверхность не только поглощает, но и испускает собственное излучение, зависящее от температуры.

В качестве величин, характеризующих тепловое излучение тела, в пирометрии используется спектральная энергетическая светимость (интенсивность монохроматического излучения, или излучательность) , полная энергетическая светимость (интегральная излучательность) , а также спектральная энергетическая яркость (индекс * относится к абсолютно черному телу):

, (25)

где - спектральная энергетическая светимость - поток испускаемого излучения Физл с единицы поверхности при температуре Т в единичном интервале длин волн (от до ), Вт/м3;

; (26)

здесь - интегральная излучательность - полная энергия излучения единицы поверхности тела при температуре Т в единицу времени для всех длин волн от =0 до =, Вт/м2.

(27)

где - спектральная энергетическая яркость, представляющая собой спектральную энергетическую светимость, отнесенную к единице телесного угла d, Вт/(ср*м3).

При измерении температуры яркостными визуальными пирометрами спектральная энергетическая яркость является основной величиной, воспринимаемой глазом человека. Она прямо пропорциональна спектральной энергетической светимости, т. е.

(28)

где k - постоянный коэффициент, равный 1/.

В соответствии с законом Кирхгофа излучательная способность тел пропорциональна их коэффициентам поглощения. Так как коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен единице, то оно обладает максимальной излучательной способностью. Реальные тела при одинаковой температуре имеют различную излучательную способность, оценку которой производят по отношениню к излучательной способности абсолютно черного тела:

(29)

(30)

где - коэффициент спектрального излучения (степень черноты монохроматического излучения), являющийся функцией длины волны и температуры Т; - коэффициент полного излучения (степень черноты полного излучения).

Согласно закону Кирхгофа для всех реальных тел

и ,

где и - коэффициенты поглощения соответственно полный и монохроматический.

Тело, у которого не зависит от температуры и длины волны, называют серым. Реальные тела могут быть приняты как серые только в ограниченном интервале длин волн . Зависимость между спектральной энергетической светимостью абсолютно черного тела , его температурой Т и длиной волны для любых значений и Т устанавливается законом Планка:

...