1 Лабораторная работа № 8 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Введение Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин, поскольку практически нет ни одной области деятельности, где не требовалось измерять и регулировать температуру. Диапазон температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов: 1) сверхнизкие температуры – 0-4,2 К (градусы Кельвина); 2) низкие – 4,2-273 К; 3) средние – 273-1300 К; 4) высокие – 1300-5000 К; 5) сверхвысокие – от 5000 К и выше. Наиболее часто измеряемые температуры лежат в области низких, средних и высоких температур. Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры. В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные (бесконтактные). Такая классификация основана на наличии или отсутствии непосредственного контакта (касания) термочувствительного элемента с объектом измерения. При контактных методах теплообмена между объектом измерения и термопреобразователем осуществляется посредством теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции (при измерениях в газах и жидкостях). Такие методы основаны на температурной зависимости свойств различных веществ, используемых в качестве термопреобразователя, который находится в непосредственном контакте с объектом измерения и его температура принимается равной измеряемой температуре. Подобные термопреобразователи разделяются на терморезистивные, термоэлектрические, термошумовые и др. Контактные методы и средства применяются для измерения температур в диапазоне от значений, близких к абсолютному нулю, до 1800 С. Используя термопреобразователи из тугоплавких материалов и квазиконтактный метод измерения, при котором термопреобразователь помещается в измеряемую среду на короткое время, можно повысить верхний предел измерений до 2500-3000 С. Терморезистивные и термоэлектрические преобразователи позволяют измерять температуру практически во всем указанном диапазоне и, кроме того, некоторые виды таких преобразователей имеют нормируемые государственными стандартами технические и эксплуатационные характеристики, что обусловило их широкое применение. Целью настоящей работы является изучение контактных методов измерения температуры с применением термоэлектрических и терморезистивных преобразователей и методов расчета погрешностей измерения. 1. Термоэлектрические преобразователи Явление термоэлектричества заключается в том, что если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников), соединив их между собой концами, причем температуру t1 одного места соединения сделать отличной от температуры t 2 другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС (термо-ЭДС), представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников: Et1 , t 2 f t1 f t 2 . Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой - ТП), проводники – термоэлектродами, а места их соединения – спаями. Обычно измеряется не ток, а термо-ЭДС, для чего в разрыв цепи (обычно в одно из мест соединения термоэлек- 2 тродов) включается прибор для измерения напряжения. Спай, контактирующий с объектом измерения, называется измерительным, а спай подключения прибора – соединительным спаем ТП. Для указанных в табл. 1 термопар (с металлическими электродами) в соответствии с ГОСТ Р 50342-92 и ГОСТ 3044-84 устанавливаются номинальные статические характеристики термопар (НСХ), т.е. зависимости термо-ЭДС термопар от температуры измерительного спая при температуре соединительного спая 0 С. В этой же таблице приведены основные параметры термопар. НСХ задаются в виде таблиц или в виде аппроксимирующих полиномов. Более удобным является табличное задание НСХ. Основные параметры ТП по ГОСТ Таблица 1 Тип ТП Условное обозначение НСХ (международное) Материал термоэлектрода: положительный/отрицательный Диапазон измерения температуры (кратковременный), С Диапазон термоЭДС, мВ ТВР ВР (А) вольфрам (95 %) - рений (5 %)/ вольфрам (80 %) - рений (20 %) 0 – 2200 (2500) 0 – 31,13 (33,64) ТПР ПР (В) платинородий (70 % Pt + 30 % Rh)/ платинородий (94 % Pt + 6 % Rh) 300-1600 (1800) 0,43 – 11,26 (13,58) ТПП ПП (S) платинородий (90 % Pt + 10 % Rh)/ платина 0 – 1300 (1600) 0 – 13,15 (16,77) ТХА ХА (К) хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/ алюмель (94,5 % Ni + Al, Si, Mn, Co) -200 - +1000 (1300) -5,89 - +41,27 (52,40) ТХК ХК (L) хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/ копель (56 % Cu + 44 % Ni) -200 - + 600 (800) -9,50 - +49,10 (66,47) ТМК МК (М) медь / копель (56 % Cu + 44 % Ni) -200 - +100 -6,15 - +4,72 Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС некоторых ТП от номинальных значений, определяемых по НСХ, приведены в табл. 2. Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС, от СНХ Таблица 2 Тип ТП Диапазон температур, С Предел допускаемых отклонений E , мВ ТПП 0 – +300 +300 – +1600 0,008 0,008 2,69 10 5 t 300 ХА -200 – 0 0 – +300 +300 – +1300 ХК -200 – 0 0 – +300 +300 – +800 0,080 0,30 10 3 t 200 0,140 0,100 0,20 10 t 200 0,140 0,20 10 t 0,200 0,52 10 t 300 0,140 0,22 10 3 t 300 3 3 3 3 Для определения измеряемой температуры по генерируемой термопарой ЭДС, но при температуре соединительного спая t cc , отличной от 0 С, необходимо автономное измерение температуры этого спая и проведение соответствующего расчета. Если t cc 0 , то EТП t x ,0 EТП t x , t cc EТП t cc ,0 , где EТП t x , t cc - ЭДС, развиваемая ТП при измеряемой температуре t x и температуре соединительного спая t cc ; EТП t x ,0 - ЭДС ТП при температуре измерительного спая t cc и нулевой температуре соединительного спая. Таким образом, по известной или измеренной температуре соединительного спая НСХ ТП определяется EТП t x ,0 . Измеряется EТП t x , t cc и далее находится сумма EТП t x ,0 и EТП t x , t cc . По суммарной ЭДС с использованием НСХ ТП находится измеряемая температура t x . В приложениях 1, 2 приведены НСХ ТП типа ТХА и ТХК. 2. Термометры сопротивления Среди терморезистивных преобразователей особое место занимают металлические термометры сопротивления (ТС), для которых характеристики нормируются государственными стандартами (ГОСТ Р 50353 – 92, ГОСТ 6651 – 84). По металлу, используемому для изготовления чувствительного элемента, ТС бывают платиновыми (ТСП), медными (ТСМ) и никелевыми (ТСН). По способу контакта со средой, температура которой измеряется, ТС делятся на погружаемые и поверхностные. Статической характеристикой ТС называется зависимость сопротивления ТС от температуры R1 f t . В зависимости от номинального сопротивления при 0C R0 условные обозначения номинальных статических характеристик преобразования (НСХ) и основные показатели некоторых типов ТС приведены в табл. 3. Основные параметры ТС Подгруппа ТС ТСП ТСМ ТСН R0 , Ом Таблица 3 Условное обозначение НСХ Диапазон температур t max ,C t min ,C российское международное 50 50П Pt 50 -260 +850 100 100П Pt 100 -260 +850 50 50M Cu 50 -200 +200 100 100M Cu 100 -200 +200 100 100H Ni 100 -60 +180 НСХ ТС должны соответствовать уравнению Rt Wt R0 , где Rt – сопротивление ТС при температуре t, Ом; Wt – значение соотношения сопротивлений при температуре t к сопротивлению при С. Значения Wt задаются стандартными таблично или аналитически в виде интерполяционных уравнений. В табл. 4 приведены примеры интерполяционных уравнений. На практике удобнее пользоваться табличными данными для Wt . Для ТС установлены три класса допуска на допускаемые отклонения R0 и W100 от своих номинальных значений. Значения этих допускаемых отклонений приведены в таблицах 5 и 6. 4 Примеры интерполяционных уравнений Таблица 4 Диапазон температур, С Значения коэффициентов уравнения Подгруппа ТС Интерполяционные уравнения Rt R0 1 At Bt 2 C t 100C t 3 -200 – 0 Wt 1 At Bt C t 100C t 2 ТСП Rt R0 1 At Bt 2 0 – +850 Wt 1 At Bt 2 Rt R0 1 t -50 – +200 ТСМ Wt 1 t Rt R0 1 t -10 – +200 Wt 1 t Rt R0 1 t Bt t 10 -100 – -10 Wt 1 t Bt t 10 Допускаемые отклонения R0 Подгруппа ТС Для НСХ с W100 1,3850 A 3,90802 10 3C 1 B 5,802 10 7 C 2 C 4,2735 10 12C 3 Для НСХ с W100 1,4260 4,26 10 3C 1 W100 1,4280 Для НСХ с W100 1,3850 Для НСХ с 4,28 10 3C 1 B 5,0 10 7 C 2 Таблица 5 Допускаемое отклонение R0 для классов допуска, % А В С 0,005 0,1 0,2 0,05 0,1 0,2 --0,24 ТСП ТСМ ТСН Допускаемые отклонения W100 Подгруппа ТС 3 Номинальное значение W100 1,3850 1,3910 1,4260 1,6170 ТСП ТСМ ТСН Таблица 6 Наименьшее допускаемое отклонение для классов допуска W100 А В С 1,3845 1,3840 1,3835 1,3906 1,3900 1,3895 1,4255 1,4250 1,4240 --1,6130 Наибольшее допускаемое значение W100 не ограничивается. В табл. 7 приведены допускаемое отклонение определения температуры по статической характеристике ТС по отношению к его НСХ. Допускаемые отклонения определения температуры Подгруппа ТС Класс допуска А ТСП В С А ТСМ В С Таблица 7 Допуск, С t 0,15 0,002 t t 0,3 0,005 t t 0,16 0,008 t t 0,15 0,0015 t t 0,25 0,0035 t t 0,15 0,0065 t 5 Измерительный ток, который приходится пропускать через ТС при измерении его сопротивления, не должен вызывать увеличение его сопротивления из-за нагрева при 0C более, чем на 0,1% от его номинального значения. Значение этого тока следует выбирать из ряда: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0 мА. В приложениях 3 и 4 приведены НСХ для ТСМ и ТСП. 3. Состав стенда В состав стенда входят несколько ТП и ТС, технические характеристики которых приведены в приложении и на стенде. В работе используется цифровой мультиметр (ЦМ), с помощью которого измеряются ЭДС ТП и сопротивления ТС. Технические характеристики прибора приведены на стенде. 4. Задание 1. Ознакомиться с датчиками и приборами стенда и внести в протокол их паспортные данные. Тип датчика указывается на головке датчика. В работе используются термометры сопротивления с W100 =1,3910 и W100 =1,428 2. Измерить с помощью термометра сопротивления (ТС) температуру окружающего воздуха. Рассчитать погрешность измерения температуры с учетом погрешности ТС и цифрового мультиметра (ЦМ). 3. Поместить ТС в термостат, включить нагрев и провести ряд измерений температуры. Рассчитать погрешность измерения температуры. 4. Поместить в нагретый термостат термопару (ТП), дождаться установившегося режима и провести измерение температуры. Выключить термостат и в течение его остывания провести ряд измерений температуры. Найти результаты с поправкой на температуру соединительного спая. Рассчитать погрешность измерения температуры с учетом погрешности ТП, погрешности измерения температуры соединительного спая ТП и погрешности ЦМ. НСХ преобразователи типа ТХА. Температура соединительного спая – 0 С Приложение 1 t ,C Em , мВ t ,C Em , мВ t ,C Em , мВ 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0,198 0,397 0,597 0,798 1,000 1,203 1,407 1,611 1,817 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 2,022 2,229 2,436 2,643 2,850 3,058 3,266 3,473 3,681 3,888 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 4,095 4,302 4,508 4,714 4,919 5,124 5,327 5,531 5,733 5,936 Приложение 2 НСХ преобразователя типа ТХК Температура свободных концов – 0 С t ,C Em , мВ t ,C Em , мВ t ,C Em , мВ 0 5 10 0 0,318 0,638 50 55 60 3,299 3,643 3,989 100 105 110 6,842 7,208 7,576 6 15 20 25 30 35 40 45 50 0,961 1,287 1,616 1,947 2,282 2,618 2,957 3,299 65 70 75 80 85 90 95 100 4,338 4,689 5,042 5,398 5,756 6,116 6,478 6,842 115 120 125 130 135 140 145 150 7,946 8,318 8,693 9,069 9,446 9,826 10,208 10,591 Приложение 3 НСХ преобразователя типа ТСМ Wt t ,C t ,C 0 1,0000 50 5 1,0214 55 10 1,0428 60 15 1,0642 65 20 1,0856 70 25 1,1070 75 30 1,1284 80 35 1,1498 85 40 1,1712 90 45 1,1926 95 50 1,2140 100 Wt 1,2140 1,2354 1,2568 1,2782 1,2996 1,3210 1,3424 1,3638 1,3852 1,4066 1,4280 t ,C 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 Wt 1,4280 1,4922 1,4708 1,4922 1,5136 1,5350 1,5564 1,5777 1,5991 1,6205 1,6419 Приложение 4 Отношения сопротивлений Wt для платиновых ТС с W100 = 1,3910 t,oC 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Wt 1,0000 1,0198 1,0396 1,0594 1,0792 1,0989 1,1186 1,1343 1,1579 1,1775 1,1971 1,2166 1,2361 1,2556 1,2751 1,2945 t,oC 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 Wt 1,3139 1,3332 1,3526 1,3719 1,3910 1,4104 1,4296 1,4488 1,4679 1,4870 1,5061 1,5252 1,5442 1,5632 1,5822 Кончаловский В.Ю., Семенов В.Ф., Ю.С.Солодов Ю.С.Измерение температуры:Методическое руководство к лабораторной работе № 8 по курсу “Метрология и инженерный эксперимент”. - М.: Изд-во МЭИ, 1999. -6 с.