Лекция 12. Измерения температуры

Пояснения к работе

Прямые измерения активного электрического сопротивления

Лабораторная работа № 3.8.

Цель работы: Получение навыков измерения активного электрического сопротивления (далее сопротивления). Ознакомление с методами измерения активного сопротивления. Приобретение сведений об устройстве и характеристиках некоторых омметров.

Задание для домашней подготовки

Используя рекомендованную литературу, изучите следующие вопросы:

- основные понятия метрологии;

- классификация и характеристики измерений;

- классификация и характеристики средств измерений;

- способы получения и представления результатов однократных измерений;

- принцип действия, устройство и характеристики средств измерений, используемых при выполнении настоящей работы.

Подавляющее большинство выполняемых на практике измерений являются однократными. Выбор подходящего средства измерений основывается на известной информации о свойствах и примерном значении измеряемой величины, а также на требованиях к точности измерения.

Температура – один из важнейших параметров химико-технологических процессов. В промышленности весьма широкий диапазон контролируемых температур и различные условия их измерения, объясняет применение различных методов измерения и измерительных приборов. Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагрева тела. Это условная статистическая величина прямо пропорциональна средней кинетической энергии частиц вещества (молекул или атомов).

Единицей термодинамической температуры считается 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точкой воды.

Воспроизведение термодинамической шкалы большие трудности, поэтому международная конференция в 1948 году утвердила шкалу, воспроизводимую по определенным постоянным реперным точкам. В дальнейшем, числовые значения реперных точек уточнялись в целях максимально возможного согласования с термодинамической шкалой. В качестве постоянных точек используется равновесие между двумя фазами чистых веществ, а именно: между жидкой и газообразной (точка кипения) или твердой и жидкой (точка затвердевания).Иногда используются тройные точки. Наибольшая точность воспроизведения достигается в тройной точке воды – 273,16К. В качестве эталонных приборов применяют платиновые термометры сопротивления (терморезисторы) в диапазоне 13,81 К – 630,74°С и термопары 630,74°С – 1064,43°С.

Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием в 1742 году, в которой расстояние по шкале между точкой таяния льда и точкой кипения воды делилось на 100 частей. Градус Цельсия узаконен в системе СИ как производная единица, определяемая по формуле:

Во многих странах Западного полушария и в первую очередь в США общепринятой является шкала Фаренгейта. В качестве нижней опорной точки (0°F) изобретатель шкалы использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки – температуру тела человека (96°F – в старину было принято считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина. Согласно этой шкалы, разность температур между таянием льда и кипением воды делится на 180 частей, а температуре таяния льда приписана температура 32°F.

Перевод в °С или К из °F легко можно сделать по формулам:

В качестве эталонного термометра в интервале температур от 13.81 до 903,89 К принимается платиновый термопреобразователь сопротивления. Этот интервал разбит на 5 подинтервалов, для каждого из которых определены интерполяционные формулы в виде полиномов до четвертой степени.

В интервале температур от 903,89 до 1337,58 К используется эталонный платина-платинородиевый термоэлектрический термометр. Интерполяционной формулой, связывающей термо-ЭДС с температурой, здесь является полином второй степени.

Температуры выше 1337,58 К воспроизводятся квазимонохроматическим пирометром с использованием закона излучения Планка.

12.1 Классификация средств измерения температуры

Таблица 12.1

12.2 Способы и средства измерения температуры

Таблица 12.2

12.2.1. Типичные датчики расширения.

1) Расширение жидкостей.

Жидкостный датчик – термометр (ртуть, керосин, спирт). Визуальный отсчет по уровню жидкости в капилляре, но возможен и электрический выход (контактный датчик).

2) Расширение газов.

Рис. 12.1

3) Расширение металлов.

Биметаллический датчик

Рис. 12.2

При повышении температуры контактная группа из пластин инвара и латуни изгибаются и размыкается цепь из-за разного температурного коэффициента расширения (ТКР) пластин.

Диапазон измерения температуры от -20ºС до 40ºС.

Дилатометрическое реле температуры

Рис. 12.3

12.2.2. Термометрические датчики (терморезисторы).

В термометрических датчиках (терморезисторах) – сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами:

1) Температура терморезистора определяется окружающей средой:ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется «термометром сопротивления».

2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения.

В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п.

Известно, что температурный коэффициент электрического сопротивления металлов положительный (сопротивление возрастает при повышении температуры – возрастает рассеяние электронов на неоднородностях кристаллической решетки).

У полупроводников – сопротивление уменьшается при повышении температуры – возрастает число электронов проводимости (носителей тока).

Металлические термометры сопротивления имеют следующие достоинства: высокую точность измерения, возможность использования в комплекте с ним измерительных приборов со стандартными шкалами, взаимозаменяемость, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору, возможность использования их с информационно вычислительными системами.

Для изготовления чувствительных элементов полупроводниковых термометров сопротивления (термисторов) применяют смеси различных полупроводниковых веществ: окислов меди и марганца, окислов кобальта и марганца, двуокиси титана и окисла магния и т.д. для измерения низких температур используется германиевый термометр сопротивления.

Чувствительный элемент терморезисторов изготовляют различной формы. Наиболее распространены формы в виде небольшого цилиндра, стержня, шайбы и бусинки. Для предохранения от возможных механических повреждений и вредного воздействия среды, температура которой измеряется, чувствительный элемент покрывают эмалью, помещают в защитный чехол.

На рис. 12.4 представлен полупроводниковый терморезистор, чувствительный элемент которого выполнен в виде небольшого цилиндрического стержня 8, покрытого эмалевой краской и металлической фольгой 3, с контактными колпачками 2, 4 и выводами 1, 5.

Рис. 12.4

На рис. 12.5 показан терморезистор, у которого чувствительный элемент 1 выполнен в виде шарика диаметром 0,5 мм, защищенного стеклянной оболочкой 4. В шарик вмонтированы платиновые электроды 2, соединенные с выводами 3.
Для выпускаемых промышленностью полупроводниковых терморезисторов (ПТР) зависимость их сопротивления от температуры, не превышающей 100ºС, определяется по формуле:

.

где R t – сопротивление термометра при температуре t, выраженной в ºC;

А и В – постоянные коэффициенты, зависящие от материала термометра и его конструкции.

Рис. 12.5

К достоинствам полупроводниковых термометров сопротивления относятся: большая чувствительность, которая примерно на порядок выше чувствительности металлических термометров сопротивления; малая инерционность, что имеет существенное значение для исследования нестационарных тепловых процессов; большое сопротивление (от единиц до сотен килоОм), позволяющее не учитывать при измерении температуры изменение сопротивления соединительных проводов при изменении температуры окружающей среды.

Однако полупроводниковые терморезисторы имеют и ряд существенных недостатков, препятствующих широкому распространению их на производстве. К ним в первую очередь относится большой разброс температурных показателей даже внутри одного и того же типа (значительно отличаются номинальные значения сопротивлений и температурные коэффициенты для термометров одного и того же типа). Это исключает взаимозаменяемость и возможность получения градуировочной таблицы для определенного типа полупроводниковых терморезисторов. Каждый экземпляр терморезистора, предназначенный для измерения и сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально.

К другим недостаткам относятся нелинейность зависимости электрического сопротивления от температуры и малая допустимая мощность рассеивания при прохождении измерительного тока.

При измерении температуры в промышленных условиях, например, в комплекте с логометрами, эти приборы снабжают шкалой, отградуированной в градусах Цельсия, которая действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

Терморезисторы совместно с измерительным устройством представляют собой термометр сопротивления. В термометрах сопротивления может быть использована любая электрическая схема, предназначенная для измерения сопротивления.

Неуравновешенная мостовая схема (переносной прибор) измеряет дисбаланс моста при изменении сопротивления датчика температуры. Погрешности измерения в схеме связаны с нестабильностью источника питания (сухая батарея), с удаленностью датчика от прибора, с влиянием температуры окружающей среды на сопротивление линии (рис. 12.6).

Рис. 12.6

Погрешность, связанная с нестабильностью источника питания, устраняется в приборе введением режима контроля, который необходимо проводить перед каждым измерением.

В режиме контроля датчик заменяется эталонным сопротивлением. Вращая движок переменного сопротивления, подводим стрелку индикатора под точку на шкале, что означает установку расчетного тока потребления моста.

Дополнительные добавочные и подгоночные резисторы r компенсируют значительный разброс в характеристике зависимости сопротивления от температурыокружающей среды (рис.12.7).

Рис. 12.7

Применение автоматического моста (рис. 12.8,а) позволяет автоматизировать измерения текущих значений температур, а логометр (рис. 12.8,б) в качестве указателя обеспечивает независимость показаний прибора при колебаниях питающего напряжения.

Рис. 12.8

Если бы соединение датчика с измерительным прибором осуществлялось двумя проводами, то сопротивления этих проводов складывались с сопротивлением датчика R _t и это создавало бы погрешность измерения. При наличии же трех соединительных проводов в два плеча моста добавляются одинаковые сопротивления Rл, и ток в измерительной диагонали практически не будет зависеть от изменения сопротивления соединительных проводов.

Логометром называют аналоговый электромеханический прибор магнитоэлектрического типа, положение подвижной части которого зависит от соотношения токов, протекающим по двум отдельным обмоткам жесткоскрепленных рамок (рис. 12.9).

Рис. 12.9

У логометра две катушки (рожки), расположенные в зазоре постоянного магнита, которые могут свободно вращаться. Противодействующая пружина отсутствует и угол отклонения пропорционален отношению токов в рамке.

Так как любой из токов I ₁ и I ₂ зависит от напряжения одинаково, то напряжение питания в формуле сокращается.

12.3 Платиновые терморезисторы

Платиновые терморезисторы обладают высокой стабильностью и воспроизводимостью характеристик. Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования. Поэтому они используются для точных измерении температур в соответствующем диапазоне.

Для стандартных терморезисторов имеются градуировочные таблицы (ГОСТ 6651–78) и установленные нормы па допустимые отклоне­ния градуировочных характеристик. Согласно этому ГОСТу платиновые термометры используются в диапазоне температур от – 260 до 1100°С.

Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от температуры определяется следующими формулами:

где R _t – сопротивление терморезистора при температуре t°С; R ₀ – сопротивление при 0°С; А = 3,96847۫۫٠10 ^–3 (ºС) ^–1; В = – 5,847٠10 ^–7 (ºС) ^–2; С = – 4,22٠10 ^–12 (ºС) ^–4.

12.4 Медные терморезисторы

Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры:

где α = 4,26٠10^{– 3} (ºС) ^–1.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180°С.

По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым.

Медный терморезистор можно применять только до температуры 200°С в атмосфере, свободной от влажных и коррозирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Верхний предел температуры для медных термометров сопротивления при введении индивидуальной градуировки может быть увеличен до 260°С.

Помимо платиновых терморезисторов при измерениях высоких температур (до 1800°С) предлагается использовать вольфрам, платинородий, иридий и их сплавы.

При измерениях низких температур находят применение свинцовые, индиевые, германиевые и угольные терморезисторы, а также новые типы сплавов и композиционных материалов. Находят применение также никелевые термометры сопротивления. Никель имеет относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость его сопротивления от температуры линейна только до температур не выше 100 °С.

Чувствительность терморезистора (реакция на нагрев) определяется температурным коэффициентом электросопротивления α, который вычисляется как относительное приращение сопротивления на единицу температуры:

Например, плечи мостовых измерительных схем выполняют из материала «манганин» с самым малым температурным коэффициентом сопротивления α = 0,000015 1/град, т.е. их сопротивление практически не зависит от температуры.

Для платинового провода при t < 800°С α = 0,00398 1/град, медного провода – при t = 100 – 150°С α = 0,004 1/ град, никелевого провода при t = 250 – 300°С α = 0,0046 1/град.

12.5 Погрешности измерений

Источниками погрешностей, возникающих при измерении температуры термометрами сопротивления, является нестабильность во времени начального сопротивления термометра и его температурного коэффициента сопротивления (ТКС), изменение сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегрев термометра измерительным током (рис.12.10).

Рис. 12.10

Величина допустимого измерительного тока через термометр в диапазоне измеряемых температур до 750°С определяется из выражения:

.

где I – ток; d – диаметр проволоки термометра, мм, Δt – допустимое приращение показаний термометра за счет его нагревания током.

В диапазоне температур от – 50 до 100°С перегрев находящегося в спокойном воздухе провода диаметром d = 0,05... 0,1 мм определяется из формулы:

.

12.6 Поверка приборов

Поверка прибора – сравнение показаний рабочего прибора с показаниями образцового прибора.

Одной из основных задач, решаемых при выполнении поверки является определение значения погрешности СИ или проверки находится ли значение погрешности СИ в заданных границах, т. е. проверка правильности передачи размера единицы от эталона к образцовым и рабочим СИ.

Совокупность приемов и использования принципов, способов и средств поверки, положенные в основу передачи размера единицы от вышестоящих в поверочной схеме СИ нижестоящим, получила название методов поверки.

Методы поверки выбирают не произвольно, а в строгом соответствии с требованиями нормативных документов. Основополагающим нормативным документом, устанавливающим методы передачи размера какой-либо одной физической величины, является государственная поверочная схема.

Применительно к конкретным типам СИ методы поверки, как и операции поверки, устанавливаются при их метрологической аттестации и регламентируются государственными или отраслевыми стандартами, а также стандартами предприятий.

Поверка логометра – лабораторная работа.

Сличение мер с помощью компарирующих устройств может осуществляться методом противопоставления или методом замещения. Общим для этих методов является выработка сигнала о наличии разности размеров сравниваемых величин.

Если этот сигнал путем подбора, например, размера образцовой меры или путем принудительного изменения его размера будет сведен к нулю, то такая разновидность метода противопоставления или замещения получает дополнительное наименование нулевого.

Фрагменты лабораторной работы представлены на рис. 12.11. Детальное описание проведения лабораторной работы представлены в соответствующих методических указаниях.

Рис. 12.11

Дата добавления: 2015-04-30