Методы измерения температуры
реклама
Методы измерения температуры Каждому равновесному состоянию тела можно поставить в соответствие некоторый параметр, характеризующий температуру этого тела, причём, чем больше температура, тем больше значение этого параметра. Величина указанного параметра называется значением температуры. Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры. Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства воды. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686 - 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра, 0Re и Фаренгейта, 0F применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах. Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 C, а температура кипения воды o становится приблизительно равной 99,975 oC. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых 1 спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки. После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Теоретический цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Когда подвод теплоты Q1 в цикл осуществляется при постоянной температуре Т1 и отвод теплоты Q2 – при меньшей температуре Т2, то совершенная в цикле работа определяется разностью Q1 – Q2. Термический к.п.д. цикла Карно расчитывается по формуле: η = (Q1 - Q2) / Q1 = (Т1 – T2) / T1 или можно записать 1 - Q2 / Q1 = 1 - T2 / T1 Если Т2 =0, то и Q2 = 0 и цикл должен бы иметь максимальный к.п.д., т.е. равный единице или 100%. Отсюда вытекает понятие абсолютного нуля температурной шкалы. С точки зрения термодинамики абсолютный нуль – это такое состояние, когда движение молекул в веществе полностью прекращается. Если известна температура теплоисточника Т1, то можем вычислить и температуру теплоприемника Т2: Т2 = Т1 ∙ (Q2 / Q1 ) Из последнего выражения следует, что температуру термодинамического тела можно определить, зная температуру теплоисточника Т1 и количества подведенной в процесс и отведенной из процесса теплоты в цикле Карно. Это является теоретической предпосылкой для создания температурной шкалы, поскольку на практике трудно реализовать идеальный цикл Карно и трудно точно измерить количества подведенной и отведенной теплоты. Представленная формула показывает принципиальную возможность определения температурной шкалы только лишь 2 через одну температуру, т.е. работа, совершенная в цикле зависит лишь от температуры теплоисточника Т1 и теплоприемника Т2. Отметим, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 - 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Температуры кипения, замерзания и тройной точки воды в различных температурных шкалах: С 0 Температура кипения воды 0 Re 0 F K 0 Ra Цельсия Реомюра Фаренгейта Кельвин Ренкина 100 80 212 373,15 671,67 0 0 32 273,15 491,67 100 80 180 100 180 0,01 0,008 32,02 273,16 491,69 при давлении 101325 Ра Температура замерзания воды при давлении 101325 Ра Разность между температурой кипения и замерзания при давлении 101325 Ра Тройная точка воды Соотношения температур в разных температурных шкалах: Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая ITS90. Эта шкала имеет 16 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. 3 Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К. В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па. ОСНОВНЫЕ РЕПЕРНЫЕ ТОЧКИ МТШ-90 Реперная точка T90/K t90/°C e-H2 Тройная точка 13.8033 –259.3467 e-H2 Давление паров ≈17 ≈ –256.15 e-H2 Давление паров ≈20.3 ≈ –252.85 Ne Тройная точка 24.5561 –248.5939 O2 Тройная точка 54.3584 –218.7916 Ar Тройная точка 83.8058 –189.3442 Hg Тройная точка 234.3156 –38.8344 H2O Тройная точка 273.16 0.01 Ga Точка плавления 302.9146 29.7646 In Точка затвердевания 429.7485 156.5985 Sn Точка затвердевания 505.078 231.928 Zn Точка затвердевания 692.677 419.527 Al Точка затвердевания 933.473 660.323 Ag Точка затвердевания 1234.93 961.78 Au Точка затвердевания 1337.33 1064.18 Сu Точка затвердевания 1357.77 1084.62 Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор 4 температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам. Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом. Термометрическими признаками могут быть изменения: 1. объёма газа или жидкости, (приборы - газовый и ртутный термометры) 2. электрического сопротивления тел, (приборы - термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару), 3. разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т.д. Приводя термометрическое тело (датчик термометра) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же значение температуры, которое показывает термометр. Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах - приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы. Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем (1564 - 1642) и представлял собой газовый термометр. 5 Рис. 1.1. Газовый термометр постоянного объема 1 - сосуд с газом, 2 - соединительные трубки, 3- манометр, 4 - постоянный уровень Газовый термометр постоянного объёма (см. рис. 1.1) состоит из термометрического тела - порции газа, заключенной в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина. Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур. Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность жидкостей нелинейным образом зависит от их температуры. 6 Жидкостной термометр - это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от 35 oC до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 C) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 107 Па), чтобы o воспрепятствовать кипению ртути. Применение в жидкостном термометре вместо ртути таллия позволяет существенно понизить нижнюю границу измерения температуры до -59 oC. Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -80 oC до +80 oC) и пентановый (от -200 oC до +35 oC). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака. Жидкостные термометры: а,b – лабораторныe, c – промышленный, d – термометр с наконечником под углом 900С, e - термометр с наконечником под углом 135 0С, f – прямой термометр в гильзе, g – ртутный контактный тесмометр. 7 Термометры в гильзах для измерения температуры в сосудах, работающих под давлением. С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали электрический те, сигнал. в которых Это термометрическим термосопротивления признаком является (металлические и полупроводниковые) и термопары. В металлическом термометре сопротивления измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Зависимость электрического сопротивления в медном термометре сопротивления: Rt = R0 (1 + α∙t) R0 – эл. сопротивление медного проводника при 0 0С. 8 α – температурный коэффициент, равный 4,28 ∙ 10-3 1/0С Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки. Металлические термометры сопротивления изготовляют из тонкой медной или платиновой проволоки, помещенной в электроизоляционный корпус . Зависимость электрического сопротивления от температуры (для медных термометров диапазон от -50 до +180 С, для платиновых диапазон от -200 до +750 С) весьма стабильна и воспроизводима. Это обеспечивает взаимозаменяемость термометров сопротивления. Для защиты термометров сопротивления от воздействия измеряемой среды применяют защитные чехлы. Приборостроительная промышленность выпускает много модификаций защитных чехлов, рассчитанных на эксплуатацию термометров при различном давлении (от атмосферного до 500•105 Па), различной агрессивности измеряемой среды, обладающих разной инерционностью (от 40 с до 4 мин) и глубиной погружения (от 70 до 2000 мм). а – чувствительный элемент термометра сопротивления, b – термометр сопротивления в разрезе. 1 –платиновая спираль, 2 – керамическая трубка, 3,4 – пробки, 5 – порошок из инертного материала ( окись алюминия), 6 – соединительные концы, 7 – защитный корпус, 8,9 – 9 керамические трубки-изоляторы, 10 – порошок окиси алюминия, 11 –металлическая трубка, 12 – пластиковая головка, 13 – керамическая уплотнительная мастика. Специальный капсульный термометр сопротивления: 1 – защитная гильза, 2 – термомтетрическое тело, 3 – соединение выходных концов. Промышленные термометры сопротивления и преобразователи (слева направо): с резьбовым штуцером Pt100 термометр сопротивления; нормирующий преобразователь или трансмиттер (выходной сигнал 4...20 mA или 0…10 V); кабельный термометр сопротивления; комплектный термометр сопротивления с нормирующим преобразователем; комплектный термометр сопротивления с программируемым преобразователем. Платиновый термометр сопротивления Pt100 фирмы SIEMENS с нормируемым преобразователем (выходной сигнал 4...20 mA или 0…10 V) с датчиком температуры наружного воздуха или воздуха в помещении. Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) для измерений в промышленности применяют редко, хотя их чувствительность гораздо выше, чем проволочных термометров сопротивления. Это объясняется тем, что градуированные характеристики термисторов значительно отличаются друг от друга, что затрудняет их взаимозаменяемость. Термометры сопротивления представляют собой первичные преобразователи с удобным для дистанционной передачи сигналом - электрическим сопротивлением, для измерения такого сигнала обычно применяют автоматические уравновешенные мосты. При необходимости выходной сигнал 10 термометра сопротивления может быть преобразован в унифицированный сигнал. Для этого в измерительную цепь включают промежуточный преобразователь. В этом случае измерительным будет прибор для измерения постоянного тока. Способы подключения термометров сопротивления. При измерении температуры термометрами сопротивления возникает необходимость измерения сопротивления термометра, который подсоединяется к измерительному прибору соединительными проводами. Поэтому сопротивление, подключенное к измерительному прибору, больше, чем сопротивление термометра. Чтобы исключить или уменьшить влияние этого дополнительного сопротивления на результаты измерения, используют различные способы, которые зависят от схемы подключения термометра и мето да измерения или схемы измерительного прибора. Сопротивление соединительных проводов Rл должно с помощью подгоночного сопротивления Rпк быть подогнано до значения Rэкв , при котором проводилась градуировка прибора. Градуировочное значение сопротивления соединительных проводов указывается на шкале прибора либо в его паспорте. К измерительным приборам Рис. 6.4. Схемы подсоединения термометров сопротивления К измерительным приборам Рис. 6.5. Схема подгонки сопротивления соединительных проводов двухпроводной линии 11 Различают двух-, трех- и четырех-проводные схемы подсоединения термометров сопротивления к измерительному прибору (рис. 6.5). При двухпроводной схеме включения термометр сопротивления и сопротивление соединительных проводов последовательно включены в одну из ветвей измерительной схемы (рис. 6.4,а). Подгонка сопротивления соединительных проводов до градуировочного значения чаще всего осуществляется следующим образом: 1. После того как собрана схема и проложены (смонтированы) соединительные провода, последовательно с термометром и соединительными проводами включаются подгоночная катушка Rп.к (рис. 6.4а) и эквивалентное сопротивление Rэкв. Значение эквивалентного сопротивления соответствует сопротивлению термометра при определенной температуре, например 100, 50 или 250 оС. 2. Зажимы термометра закорачивают, и ветвь измерительной схемы состоит из - сопротивления реальных соединительных проводов Rл, - эквивалентного сопротивления, имитирующего сопротивление термометра при определенной температуре, RЭКв - и подгоночного сопротивления Rп.к (рис. 6.4,б). 3. Затем включают измерительную схему и изменяют Rп.к до тех пор, пока измерительный прибор не встанет на отметку шкалы, соответствующую температуре, на которую рассчитано эквивалентное сопротивление. 4. После этого эквивалентное сопротивление RЭКв либо отключается, либо закорачивается, а закоротка с зажимов термометра снимается. Таким образом подгоняют сопротивление соединительных проводов термометра до расчетного (градуировочного) значения. Однако если в процессе эксплуатации температура соединительных проводов (как правило, медных) будет отличаться от их температуры при подгонке сопротивления, то и само сопротивление этих проводов будет отличаться от градуировочного значения. Погрешность, вызванная неправильностью подгонки или изменением сопротивления с температурой, независимо от диапазона измерения измерительного прибора для двухпроводной схемы подключения термометра может быть определена из выражения Δt = ( Rэкл – Rгрл) /S где Δt — погрешность измерения, °С; Rэкл —значение сопротивления линии (соединительных проводов) в условиях эксплуатации, Ω (Ом); Rгрл —градуировочное (расчетное) значение сопротивления линии, Ω (Ом); S — коэффициент преобразования термометра в области измеряемой температуры, Ом/К. Для уменьшения погрешности, вызываемой несоответствием сопротивления соединительных проводов градуировочному значению, применяют термометры с тремя выводами от термометра сопротивления в измерительную схему. При трехпроводной схеме подключения термометра (рис. 6.5, б) соединительные провода от головки термометра идут к измерительной ветви, сравнительной ветви и источнику питания. В симметричных уравновешенных схемах, когда сопротивления измерительной и сравнительной ветвей одинаковы, изменение температуры соединительных проводов не вызывает погрешности, так как сопротивление проводов изменяется на одну и ту же 12 величину. Подгонка сопротивления соединительных проводов осуществляется последовательным измерением попарно соединенных проводов. Четырехпроводная схема подключения термометра (рис. 6.5, в) применяется, как правило, при компенсационном методе измерения сопротивления, который позволяет полностью исключить влияние изменения сопротивления соединительных проводов на показания прибора. Еще одна особенность, которая имеет место при измерении сопротивления термометра, заключается в том, что для измерения сопротивления по термометру должен идти ток. При этом согласно закону Джоуля — Ленца Q = I2·R выделяется теплота, которая нагревает термометр до более высокой температуры, чем температура измеряемой среды, что вызывает соответствующее изменение его сопротивления. В промышленных условиях рассчитывают измерительный ток таким образом, чтобы погрешность за счет самонагрева не превышала 0,1 % Rо — сопротивления термометра при 0°С. В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры ( NTC – типа ( негативный температурный коэффициент) RT - сопротивление термистора при температуре Т RT0 – сопротивление термистора при температуре Т0 T0 – начальная температура, например, 293К (200С) B – опытный коэффициент Так как температурный абсолютной коэффициент величине металлов, коэффициент может то и сопротивления значительно полупроводников превосходить чувствительность таких по соответствующий термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров. Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений 13 и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов. Другой принцип измерения температуры реализован в термопарах. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) - при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру измерительного спая. В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термо-ЭДС. Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т1 ≠ Т2), то в цепи протекает электрический ток (рис. 1). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока. Рис. 1 Явление Зеебека Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов. Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б). 14 Рис. 2 (а,б) Подключение термопары к измерительному прибору В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рис. 3). Рис. 3 Принцип работы термопары Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной. На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рис. 4). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы. 15 Рис. 4 Техника компенсации холодного спая На рис. 5 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер. Рис. 5 Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар При выборе термопары для измерния температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. В стандартах приведены вид и порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар от температуры, которые определяются по градуировочным таблицам для каждого типа термопар. В табл. 2 приведены особенности и области применения некоторых типов термопар. Таблица 2 Тип термопары Особенности применения ТХА Обладают: — наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах ТХК Обладают: — наибольшей чувствительностью; — высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С. Предназначены для работы в окислительных и инертных Недостаток: высокая чувствительность к деформациям средах. 16 ТПП Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах; — высокой надежностью при работе в вакууме (но менее стабильны в нейтральных средах). Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах. Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар ТВР Обладают: — возможностью длительного применения при температурах до 22О0 °С в неокислительных средах; — устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте. Термопары с термоэлектродами из сплава платины с 10% родия относительно электрода из чистой платины могут использоваться как стандартные для установления номинальных статических характеристик термопар методом сравнения. Недостаток - плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3 ТНН Обладают: — высокой стабильностью термоЭДС (по сравнению с термопарами ТХА, ТПП, ТПР); — высокой радиационной стойкостью; — высокой стойкостью к окислению электродов. Предназначены в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. общепромышленные: o погружные термопары - предназначены для измерения температуры газовой или жидкой среды внутри рабочих объемов и в каналах твердых тел; o поверхностные термопары - предназначены для o измерения температуры поверхности твердых тел; специальные миниатюрные термопары; 17 Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромельалюмель, платинородий-платина. NB! Термопары смотри в Loeng 5.2 Temperatuuri myytmine (termopaarid) или http://www.cta.ru/rubrics/239877.htm № 1/1999 Измерение температуры: теория и практика Виктор Гарсия В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор (сопротивление), согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов. Измерение температуры тел по их тепловому излучению Бесконтактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. Бесконтактные термометры — пирометры и пирометрические преобразователи — позволяют проводить измерение температуры бесконтактным методом, т.е. на расстоянии от объекта измерения. По принципу действия, основанному на зависимости параметров излучения от температуры измеряемого тела или среды, пирометры и пирометрические преобразователи подразделяются на - квазимонохроматические (яркостные), - спектрального отношения (цветовые), 18 - полного излучения (радиационные) - и частичного излучения. В основе принципа действия пирометров и пирометрических преобразователей лежат физические законы. Закон Планка устанавливает зависимость спектральной энергетической яркости абсолютно черного тела от его температуры где λ — длина волны, м; Т— температура тела, К; С1 = 1,191 ∙ 10-16 Вт ∙ м2; С2 = 1,438∙ 10-2 м ∙ К — константы уравнения. Для видимого участка спектра и Т< 3000 К вместо закона Планка используют формулу Вина Интегральная энергетическая яркость определяется законом Стефана— Больцмана где σ = 1,805 ∙10-8 Вт/( м2 ∙К4) — постоянная Стефана — Больцмана. Энергетическая яркость реальных физических тел меньше яркости абсолютно черного тела. Спектральная энергетическая яркость реального тела связана с яркостью абсолютно черного тела где ελТ — интегральный коэффициент черноты при температуре Т. 19 Яркостные пирометры используют зависимость спектральной энергетической яркости тела от температуры. Цветовые пирометры основаны на перераспределении энергетических яркостей внутри данного участка спектра при изменении температуры (отношения энергетических яркостей для двух длин волн). Радиационные пирометры основаны на зависимости интегральной энергетической яркости тела в широком спектральном интервале от температуры. Пирометр (инфракрасный термометр) – прибор для бесконтактного измерения температуры. В зависимости от области применения, инфракрасные (ИК) термометры бывают двух типов: стационарные и переносные (портативные). Пирометры относятся к группе приборов неразрушающего контроля, что позволяет проводить измерение температур без непосредственного контакта с измеряемой поверхностью, как в случае с «обычными», контактными, термометрами. Их использование гарантирует безопасность при диагностике дефектов и мониторинге различных процессов. Принцип действия инфракрасного (радиационного) пирометра основан на измерении абсолютного значения энергии, излучаемой объектом. Дальность работы пирометра обусловлена его оптическим разрешением. Для высокотемпературных приложений, в которых требуются высокие точность и оптическое разрешение, в условиях неопределенной или меняющейся излучающей способности объекта, а также при наличии неблагоприятных условий, наиболее предпочтительным будет использование пирометров спектрального отношения. Приборы измерения температуры Потенциометры При измерении малых постоянных напряжений (менее 10мВ) можно воспользоваться как методом непосредственной оценки, так и методом сравнения с мерой. При повышенных требованиях к точности измерений (относительная погрешность измерений менее 10 -4 ), используются или компенсаторы (потенциометры) постоянного тока или интегрирующие цифровые вольтметры высокого класса точности. Высокоточные цифровые вольтметры, подходящие для этого случая, существенно дороже аналогичных по точности потенциометров. Поэтому, если в лабораторных условиях необходимо измерить малое постоянное напряжение с высокой точностью, удобно использовать компенсаторы (потенциометры) постоянного тока. Компенсаторы (потенциометры) постоянного тока предназначены для измерения методом сравнения с мерой ЭДС, напряжения и величин, функционально с ними связанных. Существует несколько способов (методов) практической реализации метода сравнения с мерой, и все они обеспечивают весьма высокую точность измерений. При использовании компенсатора (потенциометра) реализуется разновидность метода сравнения, известная как нулевой метод измерений. При использовании этого метода измеряемая величина одновременно или периодически сравнивается с мерой, и результирующий эффект воздействия этих величин на устройство сравнения доводится до нуля. Очевидно, что используемая в нулевом методе мера должна быть изменяемой (регулируемой), а погрешность метода тем меньше, чем 20 выше чувствительность устройства сравнения. Из сказанного ясно, почему нулевой метод известен также под названием компенсационного метода измерений, а соответствующие средства измерений называются компенсаторами. В измерительной технике компенсаторы, служащие для измерения постоянного напряжения, известны также под названием потенциометров. При выполнении измерений с помощью потенциометра измеряемая величина, сравнивается с мерой, в качестве которой выступает образцовое компенсирующее напряжение, создаваемое регулируемым источником образцового напряжения (ИОН). В электрической схеме этот источник включается встречно с источником измеряемого напряжения, который характеризуется напряжением холостого хода Ux и внутренним сопротивлением R вн (рис.3.3.1). В качестве устройства сравнения (нуль–индикатора) служит гальванометр, обладающий высокой чувствительностью. Значение напряжения на выходе ИОН (компенсирующего напряжения) Uком изменяется в процессе измерений до тех пор, пока Uком не уравновесит Ux . Рис. 3.3.1 Схема, поясняющая принцип работы потенциометра При выполнении соотношения: Uком = Ux (3.3.1) ток через нуль – индикатор (НИ) не проходит. В этот момент и снимаются показания потенциометра. С одной стороны напряжение на выходе ИОН известно с высокой точностью, с другой – вследствие высокой чувствительности гальванометра, точность, с которой выполняется равенство (3.3.1), тоже велика, поэтому, результат измерений также получается с высокой точностью. У потенциометра есть еще одно уникальное свойство. В момент снятия результатов измерений ток через источник напряжения не протекает, следовательно, падение напряжения на его внутреннем сопротивлении Rвн отсутствует, следовательно, напряжение, измеряемое на его зажимах, совпадает с напряжением холостого хода источника. 21 Таким образом, при использовании потенциометра методическая погрешность измерений, обусловленная влиянием входного сопротивления средства измерений, практически сведена к нулю, и с помощью потенциометра можно выполнять прямые измерения не только величины падения напряжения, но и ЭДС источника. Выпускаемые промышленностью потенциометры постоянного тока обычно имеют класс точности в пределах от 0,0005 до 0,5. Потенциометрам постоянного тока присущи и недостатки. Во-первых, максимальное значение измеряемого напряжения на входных клеммах прибора не может превышать 1,5 – 2 вольт, во-вторых, процесс измерений с помощью этих приборов весьма трудоемок. Для того, чтобы расширить пределы измерений потенциометров, используют делители напряжения. В этом случае измеряемое напряжение подается на вход делителя, а к его выходу подключается потенциометр (рис.3.3.2). Рис. 3.3.2 Схема подключения потенциометра для расширения пределов измерения Основными характеристиками делителя напряжения являются номинальное значение коэффициента деления К и погрешность воспроизведения этого значения. Для удобства измерений номинальное значение коэффициента деления К выбирается из ряда 10 -n , где n = 0, 1, 2 и т. д. Значение коэффициента деления связано с сопротивлениями верхнего R1 и нижнего плеч делителя R2 соотношением: 22 При использовании делителя от источника измеряемого напряжения потребляется некоторая мощность, т. к. через делитель протекает ток. Следовательно, теряется одно из основных преимуществ компенсационного метода измерений. Чтобы свести эти потери к минимуму, общее сопротивление делителя R1 + R2 должно быть намного больше, чем внутреннее сопротивление источника измеряемого напряжения Rвн. Использование делителя приводит и к изменению вида измерений. Измерения, выполняемые с помощью потенциометра, являются прямыми. Использование делителя приводит к тому, что измерения становятся косвенными. Зависимость между измеряемой величиной Ux и показаниями потенциометра Uп имеет вид: Как правило, R2 << R1, поэтому погрешность косвенных измерений в рассматриваемом случае можно вычислить по формуле: где - предел относительной погрешности потенциометра, определяемый по его классу точности, - предел относительной погрешность воспроизведения номинального значения сопротивления верхнего плеча делителя. Разработано несколько типовых электрических схем потенциометров постоянного тока. Одна из таких схем (упрощенная) приведена на рис.3.3.3. 23 Рис. 3.3.3 Электрическая схема потенциометра постоянного тока В рассматриваемом потенциометре компенсирующее напряжение образуется за счет сложения падений напряжения, возникающих при протекании рабочего тока Ip1 через измерительные сопротивления R2 и R4 первого контура и рабочего тока Ip2 через измерительные сопротивления R6 и R8 второго контура. Рабочие токи создаются с помощью высокостабильных вспомогательных источников питания Б2 и Б3. Значения величин рабочих токов регулируются с помощью регулировочного резистора R3 в первом и регулировочного резистора R5 во втором контуре. Регулировку выполняют до тех пор, пока падение напряжения, возникающее при протекании рабочих токов через установочные сопротивления R3 и R7, не станет равным ЭДС нормального элемента. Гальванометр (Г), который служит в качестве индикатора нуля, включается в цепь первого контура с помощью кнопки «▲ I», а в цепь второго – с помощью кнопки «▲ 2». При измерении неизвестного напряжения Uх гальванометр включается кнопкой В3. Высокая точность воспроизведения ЭДС нормального элемента, высокая точность и температурная стабильность используемых резисторов, высокая стабильность вспомогательных источников питания способствуют достижению высокой точности измерений. Автоматические электронные потенциометры предназначены для промышленного измерения температуры и работают в комплекте с термопарами 24 (или телескопом радиационного пирометра). Измерение температуры в комплекте с термопарами осуществляется компенсационным методом, сущность которого состоит в автоматическом уравновешивании потенциометром неизвестной термо-э.д.с. термопары известным падением напряжения на определенном участке рабочей цепи потенциометра. Автоматическая компенсация осуществляется следящей системой потенциометрa, основной частью которой является электронный усилитель. Напряжение небаланса, вызванное нарушением равновесия в цепи термопара - потенциометр, после усиления приводит в действие реверсивный двигатель, перемещающий реохорд до тех пор, пока не будет достигнута компенсация, т.е. равенство падения напряжения в цепи и измеряемой термо-э.дс. В этом случае ток разбаланса станет равен нулю. Основные достоинства электронных потенциометров: • автоматическая непрерывная компенсация термо-э.д.с. термопары; • независимость показаний потенциометра от величины сопротивления внешней цепи, так как ток в цепи термопары равен нулю; • автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары; • высокая точность измерения. Автоматический потенциометр является показывающим и самопишущим одноточечным (многоточечным) прибором для измерения температуры с помощью термопары. Потенциометры: a – многоточечный потенциометр фирмы Omega со складывающейся диаграммой, b – многоточечный потенциометр фирмы JUMO с ленточной диаграммой, c – портативный потенциометр фирмы Omega с дисковой диаграммой, d – портативный регистратор фирмы Omega с 4-мя измерительными каналами. 25