Средства измерения температуры контактным методом. Методы измерения температуры
К атегория:
Термическая обработка
Приборы и методы измерения температуры
В высокочастотной технике чаще применяются электрические методы измерения температуры, хотя в некоторых случаях может оказаться целесообразным применение неэлектрических методов, и поэтому они заслуживают упоминания.
Вся область измерения температуры условно делится на две части - термометрию, включающую определение температуры до 500-600 °С приборами (термометрами), и пирометрию, охватывающую измерение более высоких температур приборами, называемыми пирометрами.
Различают пять групп приборов для измерения температуры со следующими верхними пределами их применения:
— термометры расширения – 550 °С
— манометрические термометры – 550 °С
— электрические термометры сопротивления – 500 °С
— термоэлектрические пирометры – 1600 °С
— пирометры излучения (включая фотопирометры, для которых верхний предел практически не ограничен) – 2000 °С
Термометры расширения. Примером термометров расширения могут служить жидкостно-стеклянные термометры, широко применяемые для измерения температур в пределах от -80 до -(-500 °С - в случае изготовления из специального термометрического стекла и до +700 °С - при изготовлении из плавленого кварца.
Принцип действия жидкостно-стеклянных термометров основан на тепловом расширении жидкости, называемой обычно рабочим веществом термометра. В качестве рабочего вещества применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, петролейный эфир, пентан и др.
Ртутные термометры обладают рядом преимуществ перед термометрами с другими жидкостями. Так, ртуть не смачивает стекла, что увеличивает точность отсчета показаний, имеет меньшую теплоемкость по сравнению с органическими жидкостями примерно в 12 раз, благодаря чему ртутные термометры менее инерционны.
Для целей технологической сигнализации и для применения в простейших схемах регулирования температуры изготовляются контактные ртутные термометры.
Различают термометры одноконтактные и двухконтактные. Первые обеспечивают замыкание электрического. контакта на фиксированной отметке шкалы, вторые - на любой отметке.
В цепи контактных термометров при 3-4 включениях в минуту допускается максимальный переменный ток, равный 1 а при напряжении 6 в.
К недостаткам жидкостно-стеклянных термометров следует отнести их хрупкость, невозможность дистанционной передачи показаний, большую термическую инерцию и затруднительность отсчета показаний из-за нечеткости шкалы и плохой видимости столбика жидкости в капилляре.
К термометрам расширения относятся также дилатометрические и биметаллические термометры.
Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на изменении линейных размеров твердых тел в зависимости от изменения их температуры.
Термометры, основанные на расширении твердых тел, для измерительных целей используются сравнительно редко. Шире применяются температурные реле, основанные на этом принципе, имеющие своим назначением электрическую сигнализацию предельных температур, а также работу в схемах автоматических регуляторов температуры. Биметаллические термометры используются, кроме того, как компенсаторы влияния температуры в некоторых измерительных приборах.
Манометрические термометры. Манометрические термометры являются техническими приборами для измерения температуры в пределах от -50 до +550 °С в различных областях техники. Они имеют основную погрешность измерения, не превышающую + 1,5%.
Устройство манометрического термометра показано на рис. 1. Прибор состоит из термобаллона, погружаемого в среду с измеряемой температурой, капилляра и показывающего прибора, устройство которого не отличается от устройства обычного манометра. Герметически закрытая система, состоящая из термобдллона, капилляра и трубчатой пружины манометра, заполнена рабочим веществом, например, азотом. При нагревании термобаллона давление азота внутри системы увеличивается и трубчатая пружина несколько выпрямляется. Движение конца пружины вызывает поворот стрелки, указывающей на шкале прибора измеряемую температуру.
Манометрические термометры выполняются показывающими и самопишущими. Производятся также контактные манометрические термометры для целей электрической сигнализации предельных температур.
Преимуществами манометрических термометров по сравнению с жидкостно-стеклянными являются возможность автоматической записи показаний, возможность установки вторичного прибора на некотором расстоянии от места измерения благодаря наличию длинного (до 60 м) гибкого капилляра, соединяющего его с первичным прибором (термобаллоном), а также большая механическая прочность.
Общим недостатком этих приборов является большая термическая инерция и трудности ремонта при нарушении герметичности системы.
Термометры сопротивления. Термометры сопротивления представляют собой устройство, состоящее из тепловоспринимающей части, электроизмерительного прибора и источника тока.
Рис. 1. Манометрический термометр: 1 1 - термобаллон; 2 - капилляр; 3 - трубчатая пружина
Действие этого устройства основано на свойстве металлов увеличивать свое электрическое сопротивление при повышении температуры, вследствие чего изменяется ток в цепи, составленной из тепловоспринимающей части, источника тока и измерительного прибора. Тепловоспринимающая часть, или чувствительный элемент, термометра сопротивления представляет собой тонкую проволоку, намотанную на каркас из изоляционного материала. Длина чувствительного элемента термометра сопротивления составляет несколько сантиметров, и поэтому он измеряет температуру не в отдельной точке, а некоторую среднюю температуру тех слоев среды, которые находятся в области его расположения.
Электроизмерительными приборами, работающими в комплекте термометра сопротивления могут служить:
а) уравновешенный измерительный мост (простой или автоматический;
б) неуравновешенный измерительный мост;
в) логометр.
К металлам, применяемым для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, предъявляются следующие требования:
1) большой температурный коэффициент сопротивления;
2) большое удельное сопротивление;
3) постоянство химических и физических свойств;
4) легкость получения одинаковых свойств.
Этим требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, никель и железо.
Технические термометры сопротивления изготовляются преимущественно из платины, меди и в очень ограниченном количестве из никеля (условные обозначения ЭТП , ЭТМ и ЭТН ). В СССР серийно выпускаются термометры сопротивления с чувствительными элементами из платины и меди.
Платиновые термометры предназначаются для измерения температур в интервале от - 200 до + 500 °С. Медные термометры сопротивления применяются для длительного измерения температур в интервале от -50 до -4-100 °С. При более высоких температурах (до 150 °С) медные термометры могут быть использованы только для кратковременных измерений.
Термометры каждого типа-ЭТП, ЭТМ и ЭТН - по ГОСТ 6651-53 могут изготовляться различных разновидностей.
По условиям эксплуатации различают термометры стационарные и переносные; по числу чувствительных элементов - термометры с одним выводом и с несколькими; по числу выводных проводников от каждого чувствительного элемента - термометры с двумя, тремя и четырьмя проводниками; по степени инерционности различают термометры большой инерционности БИ, обыкновенной инерционности ОИ и малой инерционности МИ.
К достоинствам термометров сопротивления относятся:
1) высокая степень точности измерения температуры;
2) возможность градуировки шкалы прибора на любой температурный интервал в пределах допустимых температур;
3) возможность дистанционной передачи показаний и централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору;
4) возможность автоматической записи измеряемой температуры.
Наиболее широко в комплекте с техническими термометрами сопротивления применяются магнитоэлектрические логометры, у которых отсчитывают температуру непосредственно по шкале и показания которых в известных пределах не зависят от колебаний напряжения источников тока.
В настоящее время в СССР распространены следующие приборы: ЛПБ-логометр профильный большой; ЛМПУ - логометр магнитоэлектрический профильный утопленного монтажа; CJIM - самопишущий логометр на 1, 3 или 6 точек измерения и записи.
Термоэлектрические пирометры. Термоэлектрический пирометр состоит из теплочувствительного элемента - термопары - и измерителя т. э. д. с. (термоэлектродвижущей силы).
Измерение температуры при помощи термопары основано на явлении, состоящем в том, что нагревание места спая проволок из разных металлов вызывает появление т. э. д. е., которая (при постоянной температуре холодных концов, называемых также, иногда свободными концами термопары) зависит только от температуры горячего спая (называемого иногда также рабочим спаем или рабочим концом термопары) и материала взятых проволок. Геометрические размеры и форма проволок на величину т. э. д. с. совершенно не влияют.
Зависимость т. э. д. с. термопары от температуры горячего спая определяется экспериментально путем градуировки при температуре свободных концов, равной t0 = 0 °С, и дается в виде таблицы или графика.
Для измерения т. э. д. с. к свободным концам термопары (рис. 22, а) или в разрыв одного из электродов (рис. 22, б) присоединяется магнитоэлектрический милливольтметр.
Включая прибор, мы тем самым вводим в цепь термопары третий проводник С, отличающийся по своей природе от проводников А и В.
Можно показать, что термоэлектродвижущая сила термопары не изменится от введения в ее цепь нового проводника, если только температуры концов этого проводника одинаковы. При таком условии схемы включения измерительного прибора а и б равноценны и отличаются только тем, что, кроме горячего спая, в одном случае имеются два холодных спая, а во втором - один холодный и два нейтральных.
Рис. 2. Включение прибора в термоэлектрическую цепь: а - вхолоднщй спай; б - в электрод
В качестве термоэлектродов, т. е. проводников, из которых составляется термопара, применяются металлы и сплавы, развивающие сравнительно большие т. э. д. с. Это дает возможность применять менее чувствительные, а следовательно, более надежные в эксплуатации приборы, служащие для измерения т. э. д. с.
Оценку величины т. э. д. с. различных термопар можно произвести, пользуясь термоэлектрическим рядом табл. 3, в которой приведены значения т. э. д. с. металлов и сплавов в паре с платиной при температуре горячего спая 100 °С и холодного спая 0 °С.
Т. э. д. с. любой пары из этого ряда получается алгебраическим вычитанием т. э. д. с. одного электрода из т. э. д. с. другого.
Важнейшим требованием, предъявляемым к термопаре, является постоянство ее термоэлектрической характеристики. В настоящее время для четырех различных типов термопар установлены стандартные градуировочные характеристики (ГОСТ 3044-45 и ГОСТ 6071-51).
По конструктивному выполнению термопары весьма разнообразны. В зависимости от назначения они выполняются с различной защитной арматурой, не меняющей градуировки термопары, но увеличивающей ее термическую инерцию.
В качестве вторичного измерительного прибора в комплекте с термопарой могут применяться показывающие, самопишущие или контактные милливольтметры или автоматические потенциометры. Для записи быстротекущих процессов нагрева может быть применен магнитоэлектрический осциллограф с чувствительным шлейфом.
Пирометры, основанные на использовании методов измерения температур тел по их излучению. Измерение температур тел по интенсивности их излучения осуществляется бесконтактным способом, не искажающим температурного поля объекта измерения, чем этот метод существенно отличается от методов, основанных на применении термоприемников, которые должны находиться в непосредственном контакте с телом, температуру которого измеряют.
Методы измерения температуры тел по интенсивности излучения основываются на следующих физических предпосылках:
1) с изменением температуры тела изменяется интенсивность излучения;
2) с изменением температуры тела интенсивность излучения меняется не только количественно, но и качественно, иначе говоря, изменяется состав лучистого потока, т. е. количественное соотношение лучей различных длин волн.
В соответствии с этими положениями различают три метода измерений:
1) радиационный, основанный на измерении суммарной мощности излучения нагретого тела;
2) оптический (монохроматический, яркостной), основанный на измерении мощности излучения для заданной длины волны;
3) цветовой, основанный на измерении отношения мощностей излучения для двух заданных длин волн и
На рис. 23 приведены кривые интенсивности излучения для абсолютно черного тела, которые показывают, что:
1) суммарная или интегральная мощность излучения (площадь, ограниченная кривой для соответствующей температуры и осью абсцисс) быстро растет с ростом температуры (закон Стефана - Больцмана);
2) максимум интенсивности излучения по мере роста температуры перемещается в область более коротких волн (закон Вина).
Полная, или интегральная, энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени температуры этого тела. Очевидно, измерив полную энергию излучения, мы можем определить температуру тела,
Рис. 3. Зависимость интенсивности лучеиспускания абсолютно черного тела от длины волны и абсолютной температуры
Такой метод измерения температуры носит название радиационного метода, а приборы, основанные на принципе измерения интегральной энергии излучения, называются радиационными пирометрами.
Радиационный пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, при измерении температуры физического тела (не абсолютно черного) будет давать заниженные показания, так как излучательная способность физических тел всегда меньше излу-чательной способности абсолютно черного тела. Эти показания могут быть исправлены, если известен коэффициент интегральной излучательной способности, представляющий отношение интегральной энергии излучения физического тела к интегральной энергии
излучения абсолютно черного тела при одной и той же температуре.
Для физических тел этот коэффициент всегда меньше единицы. Величина его зависит от материала тела, состояния поверхности, температуры и других факторов. Практически физическое тело излучает как абсолютно черное лишь в одном случае, когда оно находится в закрытой печи, внутренняя поверхность которой имеет ту же температуру, что и находящееся там тело. Глазок в печи может быть принят за абсолютно черное тело. В этом случае радиационный пирометр будет измерять истинную температуру.
Радиационные пирометры (рис. 4) различных конструкций состоят из двух основных частей: телескопа и измерительного прибора (показывающего или самопишущего).
Оптическая система телескопа концентрирует энергию излучения нагретого тела на термоприемнике. Термоприемник, помещенный внутри телескопа, обычно представляет собой миниатюрную термобатарею, т. э. д. с. которой служит мерой температуры нагретого тела.
В комплекте с радиационным пирометром могут применяться различного типа показывающие и самопишущие милливольтметры, а также лабораторные и автоматические потенциометры.
Оптический метод (монохроматический, яркостной) основан на определении интенсивности излучения нагретого тела, соответствующей вполне определенной длине волны. Практически в приборах используется излучение в некотором узком диапазоне длин волн от X до X f АХ. Обычно выбирают X = 0,65 мк из тех соображений, что к более длинным волнам человеческий глаз уже не восприимчив, волны же короче 0,65 мк могут быть срезаны при помощи красного светофильтра.
Рис. 4. Схема устройства радиационного пирометра: 1 - объектив; 2 - диафрагму; 3 - экран; 4- термобатарея; 5 - красный светофильтр; 6 - окуляр; 7 - гальванометр
Оптический пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, будет показывать при измерении температуры физических тел не действительную, а так называемую яркостную, или черную монохроматическую, температуру, так как коэффициент монохроматической излучательной способности, представляющий отношение интенсивности излучения физического тела и интенсивности излучения абсолютно черного тела в лучах заданной длины волны при одной и той же температуре, всегда меньше единицы.
Рис. 5. График поправок к оптическому пирометру
Для многих материалов коэффициенты монохроматической излучательной способности хорошо изучены. Пользуясь данными этой таблицы и кривыми поправок на неполноту излучения (рис. 5), можно определить поправку к яркостной температуре (показание оптического пирометра). Эту поправку следует прибавить к яр костной температуре для того, чтобы получить истинную.
Рис. 6. Схема устройства оптического пирометра: 1 - объектив; 2 - лампа накаливания; 3 - красный светофильтр; 4 - окуляр; 5 - реостат; 6 - аккумулятор; 7 - гальванометр;
Принцип действия прибора Изображение источника излучения, температуру которого хотят измерить, с помощью объектива получается в плоскости нити пирометрической лампочки. Наблюдатель, глядя в окуляр через красный светофильтр, видит нить лампочки, проектирующейся на фоне изображения источника излучения. Меняя положение движка реостата, можно установить такую силу тока пирометрической лампочки, при которой нить «исчезает» на фоне изображения. Это происходит в тог момент, когда яркость нити лампочки будет равна яркости изображения источника излучения. Соответствующая этому равенству яркостей сила тока отсчитывается по включенному в цепь амперметру, шкала которого обычно градуируется непосредственно в градусах яркостной температуры.
Каждый оптический пирометр имеет специальное устройство для монохроматизации (т. е. выделения одноцветных лучей) пучка лучей, попадающих в глаз наблюдателя. Для этой цели применяются стеклянные светофильтры из специального красного стекла.
Нить пирометрической лампочки стараются не нагревать выше 1500 °С, а измерение более высоких температур осуществляется путем уравнения яркости нити и ослабленной поглощающим фильтром яркости изображения источника излучения.
В соответствии с этим электроизмерительный прибор имеет две градусные шкалы: от 800 до 1400-1500 °С для работы без поглощающего фильтра и до 2000 °С с введенным между лампочкой и объективом поглощающим фильтром.
Оптические пирометры обеспечивают более высокую точность, чем радиационные, но не дают возможности осуществлять непрерывный отсчет температуры или ее автоматическую запись.
Цветовой метод измерения температуры основан на измерении интенсивностей излучения двух выбранных длин волн.
Цветовой метод измерения температуры теоретически является наиболее совершенным. Физические тела, температуру которых приходится измерять, являются чаще всего серыми излучателями, т. е. такими, которые, по сравнению с абсолютно черным телом, излучают слабее во всех частях спектра. Коэффициенты монохроматической излучательной способности этих тел имеют одинаковую величину для лучей любой длины волны. В этом случае отношение интенсивностей излучения не зависит от излучательной способности тела, и цветовой пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, должен показывать действительную температуру серого тела.
Практическое осуществление пирометра, использующего измерение отношения интенсивностей излучения для двух длин волн, оказывается достаточно сложным, поэтому последние не получили еще широкого распространения.
Фотоэлектрические пирометры. В фотоэлектрических пирометрах чувствительным органом, воспринимающим излучение раскаленных тел, является фотоэлемент.
Фотоэлемент представляет собой устройство, меняющее свои электрические свойства в зависимости от количества и качества падающего на его чувствительную поверхность излучения. Важной характеристикой фотоэлементов, применяемых в фотоэлектрических пирометрах, является их спектральная чувствительность, т. е. чувствительность к различным частям спектра излучения.
Фотоэлектрические пирометры можно разделить на три группы. К первой группе следует отнести фотопирометры, в которых используется вся или большая часть спектральной чувствительности фотоэлемента.
Эти фотопирометры реагируют на суммарную энергию излучения нагретого тела. В этом отношении их можно сравнить с радиационными пирометрами. Фотопирометры этой группы, проградуи-рованные по абсолютно черному телу, дают правильные показания лишь при измерении температуры тел, которые могут быть практически приняты за абсолютно черные.
Ко второй группе относятся фотопирометры, в которых так же, как и в оптических пирометрах, используется энергия излучения в узком диапазоне длин волн.
К третьей группе относятся цветовые фотопирометры, действие которых основано на измерении отношения интенсивностей излучения двух заданных длин волн.
В литературе описывается много различных схем и конструкций фотопирометров, однако серийно отечественной промышленностью выпускается только один тип ФЭП -3, предназначенный для измерения температуры прокатываемого металла в прокатных цехах. Прибор дает показания яркостной температуры и выпускается по классу 1.
Для измерения температуры при нагреве деталей или изделий токами высокой частоты может быть использован фотоэлектрический пирометр, разработанный НИИ ТВЧ им. проф. В. П. Вологдина. Головка этого прибора может быть установлена непосредственно на индукторе или отнесена от него на некоторое расстояние. Фотопирометр дает возможность автоматически отключать генератор при нагреве заготовки до заданной температуры.
образователи в зависимости от рода измеряемой величины имеют соответствующие названия: термометры, термопреобразователи, манометры, преобразователи давления, расходомеры, преобразователи расхода и т.п.
Вопросы для самопроверки
1. Что называется средством измерения?
2. Что входит в средства измерений?
3. Охарактеризуйте основные виды средств измерений.
4. Дайте характеристику государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации.
5. Дайте определение класса точности и допускаемых погрешностей.
Раздел 2. Методы и средства измерения температуры
Более подробная информация по данному разделу содержится в ,
с.33…91; , с.18…80.
В разделе рассматриваются 6 тем:
1. Международная температурная шкала МТШ-90.
2. Термометры расширения.
3. Термопреобразователи расширения.
4. Термоэлектрические преобразователи.
5. Методика измерения температуры контактными средствами.
6. Измерение температуры тел по их тепловому излучению.
при работе с теоретическим материалом следует ответить на вопросы, приведенные в конце данного раздела.
После проработки теоретического материала раздела 2 студентам очной и очно-заочной формы обучения следует выполнить лабораторные работы (№№ 3, 4 и 5 для очной формы обучения и №№ 3 и 4 для очно-заочной формы обучения), студентам очно-заочной и заочной формы обучения – контрольную работу №1, а затем (для всех форм обучения) – тренировочный тест №2.
Изучение раздела заканчивается контрольным мероприятием: необходимо ответить на вопросы контрольного теста №2.
2.1. Международная температурная шкала МТШ-90
Непосредственное измерение температуры невозможно. В принципе все явления, происходящие под воздействием тепла (например, расширение веществ, изменение электрического сопротивления, излучение нагретых тел), можно использовать для измерения температуры. Однако, количественная оценка возможна лишь при соотнесении показаний термометра с некоторой эталонной температурой, например, с температурой тройной точки воды.
Для унификации результатов измерений различными средствами, основанными на различных методах, применяется международная температурная шка-
ла. По мере развития техники температурных измерений использовались различные температурные шкалы: МТШ-27, МПТШ-68, МТШ-90 (цифры указывают год международного принятия шкалы).
В метрологическом аспекте температура является величиной, не подчиняющейся закону аддивности (аддивность – свойство величины, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям, каким бы образом не был разбит объект). Поэтому для измерения температуры необходимо иметь не только единицу измерения, но и шкалу, в которой температура определена через ка- кую-либо подчиняющуюся закону аддивности величину, связанную с температурой функциональной зависимостью (например, ЭДС, сопротивление, и т.п.)
Идеальная температурная шкала – это термодинамическая температурная шкала, основанная на втором законе термодинамики. Единицей термодинамической температуры Т является градус Кельвина К – 1/273,16 часть температуры тройной точки воды. Широко применяется практика выражения температуры в виде ее значения относительно точки плавления льда (273,15К). Выраженная таким образом температура известна как температура Цельсия (символ t ) и определяется как t = Т - 273,15. Единицей температуры Цельсия является градус Цельсия (символ ºС), размер которого равен Кельвину (это означает, что температурный интервал 1 ºС =1 К). В Международной температурной шкале 1990 г. (МТШ-90) используются как температура Кельвина (символ Т 90 ), так и температура Цельсия (символ t 90 ).
Для изменения аддивных величин (например, длины, массы) можно опираться на воспроизведение размеров их единиц. Так как температура не подчиняется закону аддивности, то воспроизведение одной эталонной точки (тройной точки воды) не позволит точно определить другие температурные точки. Поэтому необходимо точное воспроизведение нескольких температурных точек (они называются реперными), которым присвоено определенное значение температур, совокупность их образует температурную шкалу. Между реперными точками шкала воспроизводится с помощью эталонных средств, в которых температура определяется через какую-либо аддивную величину, связанную с температурной функциональной зависимостью заданного вида. Коэффициенты этой зависимости находятся по температурам реперных точек.
Международная температурная шкала МПТШ-90 охватывает диапазон от 0,65 К до наивысшей температуры, доступной измерению в соответствии с законом излучения Планка для монохроматического излучения. Она разбита на ряд диапазонов, содержащих реперные точки, внутри которых используются определенные типы термометров.
В настоящее время используются различные методы измерения температуры, которые можно разделить на две группы: контактные и бесконтактные.
Средства измерения температуры
Таблица 3.1 |
|||
Тип средства измерения |
Разновидность средст- |
Предел применения, ºС |
|
ва измерения первич- |
|||
ного преобразователя |
|||
Термометры расширения |
Жидкостные |
||
стеклянные |
|||
Манометрические |
|||
Биметаллические |
|||
Термометры сопротивле- |
Металлические |
||
(проводниковые) |
|||
Термопреобразователи |
|||
сопротивления |
|||
Полупроводниковые |
|||
термопреобразователи |
|||
сопротивления |
|||
Термоэлектрические |
Термопреобразователи |
||
термометры |
(при длительном при- |
||
Пирометры |
Монохроматические |
||
Полного и частичного |
|||
излучения |
|||
Спектрального отно- |
|||
В контактных методах требуется непосредственный контакт первичного преобразователя с контролируемым объектом или средой. К ним относятся термометры расширения (стеклянные, манометрические и биметаллические), термометры сопротивления, термоэлектрические термометры.
Бесконтактные методы позволяют измерять температуру на расстоянии от контролируемого объекта или среды. Этот метод используется в пирометрах.
В табл. 3.1 приведены наиболее распространенные средства измерения температуры и примерные пределы их применения.
2.2. Термометры расширения
Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении жидкостей. При изменении температуры изменяется объем термометрической жидкости, при этом изменяется положение уровня жидкости в капилляре, по которому отсчитывается значение температуры. Жидкостные термометры изготавливаются из различных марок стекла в виде резервуаров и наполняются различными термометрическими жидкостями или ртутью. Большим преиму-
Рис. 3.1. Лабораторные ртутные термометры:
а - с вложенной шкалой: 1 - стеклянный резервуар; 2 - капилляр; 3 - шкальная пластина; 4 - стеклянная оболочка; б - палочный: 7 - резервуар; 2 - тол-
стостенный капилляр; 3 - шкала на наружной поверхности капилляра
ществом последней является то, что она не смачивает стекло и легко может быть получена химически чистой. Цена деления стеклянных термометров находится в пределах (0,01... 10) °С и определяется назначением термометра и видом применяемой термометрической жидкости. Основная масса выпускаемых термометров по своей конструкции делится на две группы:
2) термометры палочного типа, у которых шкала нанесена непосредственно на внешнюю поверхность толстостенного капилляра (рис. 3.1, б).
По назначению жидкостные термометры подразделяются на лабораторные, технические (производственные) и рабочие эталоны (образцовые). Технические термометры (рис. 3.2) могут быть прямые или угловые (под углом 90 или 120º). Они могут иметь специальное назначение (медицинские, метеорологические и т.д.). Особые технические характеристики (вибростойкие, электроконтактные).
Рис. 3.2. Технические стеклянные термометры:
а - прямой; б - угловой
Термометры манометрические и биметаллические
Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления газа, жидкости или насыщенного пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры. Конструктивно термометр состоит из термобаллона 1 , погружаемого в контролируемую среду, манометра 3 для измерения давления и соединяющего их капилляра 2 (рис. 3.3). Такие термометры используются для измерения температур от – 200 до 600 °С и выпускаются следующих разновидностей.
Газовые манометрические термометры применяются для измерения температур в интервале от -200 до 600 °С. В качестве наполнителя используется гелий (при низких температурах), азот (при средних температурах) или аргон (при высоких температурах).
Рис. 3.3. Схема манометрического термометра:
1 – термобаллон; 2 – капилляр; 3 – манометр
Класс точности газовых термометров 1 или 1,5. Они могут выпускаться показывающими или самопишущими, могут снабжаться дополнительными устройствами.
Конденсационные манометрические термометры используются для изме-
рения температур в интервале от –25 до 300 °С. Термобаллон термометра примерно на 3/4 заполнен жидкостью с низкой температурой кипения, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Капилляр и манометрическая пружина также заполнены жидкостью. Количество жидкости в термобаллоне должно быть таким, чтобы при максимальной температуре не вся жидкость переходила в пар. В качестве термометрических жидкостей используется фреон-22 (при низких температурах), метил хлористый, этил хлористый, ацетон, толуол, спирт (в порядке возрастания пределов измерения). Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости, определяемого, в свою очередь, температурой, при которой находится рабочая жидкость, т.е. температурой измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Эта зависимость давления насыщения пара от температуры имеет нелинейный вид, она однозначна, когда измеряемая температура не превышает критическую.
Жидкостные манометрические термометры находят небольшое распро-
странение. Они используются для измерения температур в интервале от – 50 до 300 °С. В качестве термометрических жидкостей используется жидкость ПМС-5 при низких температурах, при высоких - жидкость ПМС-10. Рабочее вещество жидкостных манометрических термометров практически несжимаемо. Поэтому изменение объема рабочей жидкости в термобаллоне при изменении температуры соответственно диапазону измерения вызовет такое увеличение давления в термосистеме, при котором манометрическая пружина изменит свой внутренний
Средства измерения температуры
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в рамках непрерывно развивающегося постиндустриального общества, требующего внедрения новейших технологий , особенно востребованы специалисты в области стандартизации , сертификации и управления качеством. Это обусловлено тем, что специалисты данного профиля владеют знаниями о методах и средствах определения характеристик продукции, хорошо знакомы с методами инструментального контроля как основного средства эффективного подтверждения соответствия объекта предъявляемым требованиям.
В настоящее время существует потребность измерения тепловых величин во всех производственных направлениях. Кроме того, основные параметры контроля производственных показателей качества часто зависят от температуры и могут быть выражены как функции от температурных полей, и, следовательно, измерение температуры в данных случаях является необходимым условием контроля.
Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.
В отличие от таких физических величин, как масса, длина и т. п., температура является не экстенсивной (параметрической), а интенсивной (активной) величиной. Если гомогенное тело разделить пополам, то его масса также делится пополам. Температура, являясь интенсивной величиной, таким свойством аддитивности не обладает, т. е. для системы, находящейся в термическом равновесии, любая часть системы имеет одинаковую температуру. Поэтому не представляется возможным создание эталона температуры, подобно тому, как создаются эталоны экстенсивных величин.
1. ТЕМПЕРАТУРА И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ
Понятие температуры возникло из ощущений человека, в какой мере нагреты или, наоборот, охлаждены окружающие тела. И только в результате требований науки и техники о количественном определении температуры было сформулировано более чёткое понятие температуры. По определению Максвелла, температура тела есть его термическое состояние, рассматриваемое с точки зрения его способности сообщать тепло другим телам. С другой стороны, температуру можно определить как степень нагретости тела. Первые приборы для измерения температуры, появившиеся в XVI в., позволили выделить температуру как особую физическую величину, значение которой определялось по температурной зависимости какого-либо свойства тела, т. е. по шкале этого свойства. Так возникла область измерений температуры, которую впоследствии назвали термометрией.
Термометрия – раздел технической физики, в котором изучаются методы и средства измерения температуры, теоретические основы способов построения термодинамической и практических температурных шкал и созданные на этой основе эталоны и образцовые средства измерений температуры.
Температура – физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества. Если привести в контакт два тела при различных температурах, то более нагретое тело (с более высокой температурой) будет охлаждаться, а менее нагретое – нагреваться. Процесс теплопередачи и изменения температур тел будет продолжаться до тех пор, пока их температуры не станут равными, т. е. пока не наступит тепловое или термодинамическое равновесие.
Температурные зависимости физических свойств веществ можно положить в основу методов измерения температуры и построения температурной шкалы.
Температурная шкала – это ряд последовательных значений температуры, образуемый в соответствии с выбранным законом, определяющим взаимосвязь термометрического параметра (свойства) и температуры.
Для построения температурной шкалы выбирают две основные точки t 1 и t 2, которым присваивают произвольные значения температуры. Интервал между этими точками (t 2 – t 1) называют основным интервалом температурной шкалы. Разделив основной интервал на N равных частей, устанавливают цену деления шкалы, другими словами, размер единицы температуры.
Принимая линейную зависимость между температурой t и физическим (термометрическим) свойством Е , можно найти уравнение шкалы:
DIV_ADBLOCK25">
Шкала Ренкина – температурная шкала с началом при абсолютном нуле, причём размер единицы температуры – градуса Ренкина (°Rn) равен размеру единицы температуры Фаренгейта (°F): l° Rn = l° F.
Соотношение между температурами Т Rn и t F следующее: t F = T Rn – 459,67.
Шкала Реомюра (1736 г.) основана на ртутном термометре с двумя опорными точками: точкой плавления льда (0 °R) и точкой кипения воды (80 °R). Интервал между этими точками составляет 80 равных температурных частей, а размер единицы температуры – градуса Реомюра равен 1/80 части указанного интервала.
Шкала Цельсия (1742 г.) основана на ртутном термометре с двумя опорными точками: точкой плавления льда (0 °С) и точкой кипения воды (100 °С), интервал между которыми составляет 100 равных температурных частей, а размер единицы температуры – градуса Цельсия равен 1/100 части указанного интервала.
2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
В соответствии с Международной практической температурной шкалой 1968 г. основной температурой является термодинамическая температура, единица которой – Кельвин (К). На практике часто применяется температура Цельсия. Между температурой Цельсия и термодинамической температурой существует следующее соотношение: t, C = T, K – 273,15.
По способу измерения температуры методы можно разделить на контактные и бесконтактные.
Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходим непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. И в результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и с другой – несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды.
Для реализации контактных методов измерения применяются термометры расширения (стеклянные, жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические), термопреобразователи сопротивления (проводниковые и полупроводниковые) и термоэлектрические преобразователи.
Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от – 260 до 2200 ºС и кратковременно 2500ºС.
Бесконтактные методы измерения не оказывают никакого влияния на температуру среды и тело. Но зато они сложнее и их методические погрешности существенно больше, чем контактных методов.
Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения), тепловизорами.
Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от 01.01.01ºС.
3. КОНТАКТНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Термометры, применяются для измерения температуры контактным методом.
Термометры для измерения температуры контактным методом: термометры расширения, использующие принцип теплового расширения жидкости (жидкостные) или твердого тела (дилатометрические и биметаллические); манометрические термометры, использующие зависимость между температурой и давлением газа или паров жидкости в замкнутой термосистеме; термопреобразователи (термометры) сопротивления, использующие изменения электрического сопротивления металлов от температуры; термоэлектрические термометры (термопары), использующие зависимость между термо-ЭДС, развиваемой термопарой (горячим спаем) из двух различных проводников, и разностью температур спая и свободных концов термопары.
Термометры технические жидкостные состоят из резервуара с термометрической жидкостью и соединенной с ним капиллярной трубкой. За капилляром располагается шкала в °C. Корпус прибора - стеклянный. При изменении температуры объем жидкости внутри прибора изменяется, вследствие чего столбик жидкости в капилляре поднимается или опускается пропорционально изменению температуры.
В качестве термометрической жидкости в термометрах расширения применяется:
Ртуть при изменении температуры от -30°C до +600°C;
Спирт при изменении температуры от -80°C до +80°C;
Толуол при изменении температуры от -80°C до +100°C;
Керосин при изменении температуры от 0°C до +300°C или другие органические жидкости.
Рис. 1. Установка технического жидкостного термометра: 1 – защитная гильза; 2 – заполнитель; 3 - термометр
Для удобства установки термометры изготавливаются прямые и угловые (под углом 90°, 120° и 135°). Для установки стеклянных термометров и предохранения их от повреждения применяются металлические оправы. В металлической оправе инертность термометра увеличивается. Для уменьшения времени запаздывания зазор между защитной оправой и хвостовиком заполняется техническим маслом (при температуре измерения до 150°С), медными опилками (при температуре свыше 150°С до 650°С). Принцип работы дилатометрических термометров основан на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с различными термическими коэффициентами линейного расширения. Они применяются в устройствах сигнализации и регулирования температуры. Работа биметаллических термометров основана на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Биметаллическая лента согнута в виде плоской или винтовой спирали, один конец которой укреплен неподвижно, а другой - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры. Класс точности приборов 1 %, 1,5 %.
Манометрические термометры
Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объеме от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).
Могут использоваться для измерения температур в диапазоне от -150 до +6000С. Диапазон измерения определяется свойствами рабочего вещества. Термометры с специальным наполнением могут применяться в диапазоне 100…10000С.
Рис. 2 Схема манометрического термометра
Термосистема манометрического термометра (рис. 2) состоит из термобаллона 1, капилляра 2, плоской трубчатой пружины 3. Термосистема заполнена рабочим веществом в указанной замкнутой системе. Термобаллон помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. При нагревании рабочее вещество расширяется и, поскольку система замкнутая, внутри ее давление увеличивается. Вследствие этого плоская пружина стремиться принять круглый профиль и она распрямляется, а свободный конец перемещается. Перемещение через тягу 5 передается на зубчатый сектор 6, который находится в зацеплении с зубчатым колесом 7. На ось колеса насажена стрелка указателя 8, которая вместе со шкалой 9 образуют отсчетное устройство прибора.
Для создания противодействующего момента предусмотрена 10, один конец которой закреплен на зубчатом колесе, а другой – на станине прибора. Влияние температуры окружающей среды на показания прибора компенсируется биметаллическим или инварным компенсатором 4.
Термобаллон – цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к воздействиям агрессивных сред. Диаметр термобаллона 5…30 мм, длина – 60…500 мм.
Капилляр – медная или стальная трубка с внутренним диаметром 0,1…0,5 мм. Длина капилляра в зависимости от эксплуатационных требований колеблется от нескольких сантиметров до 60 м. Медные капилляры имеют стальную пружинную защитную оболочку, предохраняющую их от механических повреждений в процессе монтажа и эксплуатации.
Пирометры и тепловизоры имеют перед контактными датчиками температуры, как ряд преимуществ, так и некоторые недостатки - зависимость показаний от расстояния до измеряемого объекта, от отражательных свойств измеряемой поверхности, от излучения прямо не попадающих в поле зрения пирометра областей измеряемого объекта. Для того чтобы выбрать способ измерения, нужно оценить все за и против.
На сегодня существует большой выбор портативных переносных и стационарных пирометров для различных применений, а также доступные по цене тепловизоры.
Переносные пирометры измеряют температуру в диапазоне от -30°С до 3000°С с погрешностью до 0,75% от измеряемой величины, могут запоминать до 100 значений температуры, передавать данные измерений по цифровому выходу на персональный компьютер.
Стационарные пирометры измеряют температуру от -40°С до 3000°С с погрешностью до 0,3% от измеряемой величины, имеют оптическое разрешение до 300:1, время отклика до 1 мс и выходные сигналы - термопары типа J/K/E/N/T/R/S, 0-5 В, 4-20 мА, интерфейсы RS-485 или RS-232, механическое реле.
Тепловизор имеет следующие технические характеристики:
Неохлаждаемая микроболометрическая матрица 160 x 120 ячеек;
Диапазон измеряемых температур от 0 оС до 250 оС;
Спектральный диапазон 7-14 мкм;
ЖКИ дисплей с тремя градациями яркости изображения для разных условий работы;
Оптическое разрешение 90:1, минимальное расстояние до объекта измерения 60 см;
Лазерный прицел - указатель центра зоны съемки;
Память до 100 снимков и данных;
Время непрерывной работы без перезарядки - 5 часов;
Связь с персональным компьютером по USB-порту.
Все эти приборы специально разработаны и откалиброваны для решения проблем измерения температуры в промышленности. В настоящее время бесконтактный метод измерения температуры широко востребован в энергетике. Он применяется для диагностики электрооборудования под напряжением, для технического обслуживания энергооборудования. С помощью пирометров и тепловизоров можно быстро и безопасно контролировать температуру электрических двигателей, корпусов трансформаторов, кожухов шинопроводов, оборудования электрических подстанций, обнаруживать осушенные участки высоковольтных кабельных линий, котролировать температуру электроизоляторов. В жилищно-коммунальном хозяйстве с помощью пирометров и тепловизоров производят контроль температуры труб подачи и забора воздуха, измеряют температуру теплотрасс, определяют места утечек тепла, проводят инспекцию кровли . Бесконтактный метод измерения температуры позволяет сократить время проведения измерений и обезопасить персонал, продлить срок службы средства измерения и расширить диапазон измеряемых температур. Дешевизна бесконтактного метода контроля температуры, его оперативность и доступность позволяют использовать пирометры и тепловизоры практически на любом предприятии.
Благодаря своей простоте в работе, широкому диапазону измеряемых температур, малому времени отклика, отсутствию необходимости контактировать с объектом, своим функциональным возможностям бесконтактные средства измерения температуры находят широкое применение не только там, где это единственно возможное средство измерения, но и постепенно начинают вытеснять контактные датчики температуры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления процессами.
Как известно, операции измерений, испытаний и контроля являются ключевыми в оценке соответствия процесса заданным требованиям и управлении качеством в дальнейшем. Особенности применения той или иной измерительной операции определяются спецификой выполняемых работ .
В данной работе рассмотрены основные виды измерений и контроля, применяемые при осуществлении теплового процесса. Внимание уделено средствам и методам измерения, которые, наиболее часто применяются на практике:
Средства и методы измерения температуры.
Приведены различные типы термометров, изучены принцип действия и особенности применения термоэлектрических преобразователей, а также преобразователей сопротивления.
Кроме этого, внимание уделено бесконтактным средствам измерения температуры.
Рассмотрены принцип действия, а также основные области применения пирометров и тепловизоров.
Знание конструкции, принципа действия, особенностей их включения может помочь обоснованно решать измерительные задачи в инструментальном контроле качества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клюев, контроль и диагностика: справочник / под ред. . – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2005. – 656 с.
2. Контрольно-измерительные приборы и инструменты: учебное пособие / , . – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 464 с.
3. Пономарев, и практические аспекты теплофизических измерений: монография. В 2-х кн. / , . – Тамбов: Тамб. гос. техн. ун-т, 2006. – Кн. 1. – 208 с.
4. Профос, П. Измерения в промышленности: справочник. В 3 кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура / П. Профос; пер. с нем. – М.: Металлургия, 1990. – 384 с.
5. Раннев, и средства измерений: учебник для вузов / , . – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 336 с.
6. Харт, Х. Введение в измерительную технику / Х. Харт; пер. с нем. – М.: Мир, 1999. – 391 с.
Температурой называется статистическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинематической энергии молекул тела. За единицу температуры принимают кельвин (К). Температура может быть также представлена в градусах Цельсия (°С). Нуль шкалы Кельвина равен абсолютному нулю, поэтому все температуры по этой шкале положительные. Связь между температурами t по Цельсию и T по Кельвину определяется следующим уравнением:
Измерить температуру непосредственно, как, например, линейные размеры, невозможно. Поэтому температуру определяют косвенно - по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических.
Измерение температуры связано с преобразованием сигнала измерительной информации (температуры) в какое-либо свойство, связанное с температурой.
Для практических целей, связанных с измерением температуры, принята Международная температурная шкала (МТШ-90) (рис. 2.89), которая является обязательной для всех метрологических органов. Она основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ, которым присвоены определенные значения температуры.
Рис. 2.89. с реперными точками (подчеркнуты)
Для измерения температуры наибольшее распространение получили следующие методы, основанные:
На тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел (термомеханический эффект);
Изменении давления внутри замкнутого объема при изменении температуры (манометрические);
Изменении электрического сопротивления тел при изменении температуры (терморезисторы);
Термоэлектрическом эффекте;
Использовании электромагнитного излучения нагретых тел.
Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами . Они подразделяются на две большие группы: контактные и бесконтактные.
Контактное измерение температуры .
Термометры расширения нашли широкое распространение в практике контактных измерений температуры. Основные типы механических контактных термометров, их метрологические характеристики, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.18.
Наименование прибора | Тип прибора | Пределы измерений,°С | Погрешность измерения,% | Инерцион ность | Преимущества | Недостатки | Область применения |
Металли ческие термометры расширения | Дилато метриче ские | Дешевые, надежные, малое время срабатывания; очень большие перестановочные усилия | Малая точность, высокая инерционность | Температурные выключатели |
|||
Биметал лические | Дешевые, надежные; большие перестановочные усилия | Низкая точность | Оценочный контроль температуры, температурные выключатели |
||||
Жидкостные термометры | Жидкостные стеклянные | Очень дешевые | Малая механическая прочность, нет дистанцион- ности | Лабораторные термометры, бытовые термометры |
|||
Жидкостные манометрические | Дешевые, надежные, не требуют внешних источников энергии; дистан- ционность до 50 м, большие перестановочные усилия | Температура соединительного капилляра влияет на показания прибора | Промышленные термометры, термореле |
||||
Конденса ционные манометри ческие | Нелинейная статическая характеристика | ||||||
Газовые термометры | С гелиевым заполнением | Принцип измерения соответствует определению термодинамической температуры | Малая механическая прочность, большая трудоемкость процесса измерения | Поверочные (калибровочные) работы |
Конструктивно подразделяются на палочные (рис. 2.90, а) и технические со вложенной шкалой (рис. 2.90, б). Принцип их действия основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Жидкостный термометр состоит из стеклянной оболочки 1, капиллярной трубки 3, запасного резервуара 4 и шкалы 2. Термометрическая жидкость заполняет резервуар и часть капиллярной трубки. Свободное пространство в капилляре заполняется инертным газом или из него удаляется воздух.
Рис. 2.90. :
а - палочный; б - технический со вложенной шкалой; 1 - стеклянная оболочка; 2 - шкала; 3 - капиллярная трубка; 4 - запасной резервуар
В качестве термометрической жидкости применяют органические заполнители: толуол, этиловый спирт, керосин, пентан. Наиболее широкое распространение получили термометры с ртутным наполнением. Это объясняется свойствами ртути находиться в жидком состоянии в широком диапазоне температур и не смачивать стекло, что позволяет использовать капилляры с небольшим диаметром канала (до 0,1 мм) и обеспечивать высокую точность измерения. Так, ртутные образцовые термометры 1-го разряда имеют погрешность 0,002...2°С.
Органические заполнители характеризуются более низкой температурой применения, меньшей стоимостью, большей погрешностью измерения.
Стеклянные термометры в зависимости от назначения и области применения подразделяются на образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические.
Лабораторные термометры обеспечивают измерение в интервале температур 0...500°С, который разбит на четыре диапазона, что позволяет получить погрешность измерений, не превышающую ±0,01 °С (0... 60 °С); ±0,02 °С (55... 155 °С); ±0,05°С (140...300 °С) и ±0,1 °С (300...500°С).
В качестве технических применяют только термометры со вложенной шкалой, которые имеют две модификации: прямые и угловые. Допускаемая погрешность обычно равна цене деления. При стационарной эксплуатации в различных точках технологических агрегатов термометры устанавливают в специальных металлических защитных чехлах (кожухах).
Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации в лабораторных и промышленных установках применяют специальные электроконтактные технические термометры двух типов:
1) с постоянными впаянными контактами, которые обеспечивают замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух или трех заранее заданных температурах;
2) с одним подвижным контактом (перемещается внутри капилляра с помощью магнита) и вторым неподвижным, впаянным в капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи при любом значении выбранной температуры.
Перемещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает цепи между контактами, к которым подводится напряжение постоянного или переменного тока и нагрузка на которые не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.
Биметаллические и дилатометрические термометры основаны на свойстве твердых тел в различной степени изменять свои линейные размеры при изменении их температуры.
В основном металлы и их сплавы относятся к материалам с высоким температурным коэффициентом линейного расширения. Так, для латуни он равен (18,3...23,6)*10 -6 °С -1 , для никелевой стали 20*10 -6 °С -1 . В то же время есть сплавы, имеющие низкий коэффициент линейного расширения: сплав инвар - 0,9*10 -6 °С -1 , плавленый кварц - 0,55*10 -6 °С -1 .
На рис. 2.91, а представлена конструкция биметаллического термометра, в котором в качестве термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с существенно различными коэффициентами линейного расширения: латуни 1 и инвара 2. При увеличении температуры свободный конец пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом, по величине этого перемещения судят о температуре.
Данный тип устройств часто используется как термореле в системах сигнализации и автоматического регулирования, а также в качестве температурных компенсаторов в измерительных устройствах, например в радиационных пирометрах, манометрических термометрах и т. п.
На рис. 2.91, б приведена конструкция чувствительного элемента пневматического дилатометрического преобразователя температуры.
Рис. 2.91. :
а - биметаллический: 1 - латунь; 2 - инвар; б - дилатометрический: 1 - корпус; 2 - стержень; 3 - трубка; 4 - шарик; 5 - толкатель; 6 - пружина; 7 - преобразователь
В корпусе 1, изготовленном из латуни (нержавеющей стали) расположены трубка 3 и стержень 2, выполненный из инвара (кварца). Стержень 2 через трубку 3 и толкатель 5 с помощью пружины 6 постоянно поджимается к нижнему концу корпуса 1. Шарик 4 исключает появление люфтов между стержнем и компенсационной трубкой, которая выполнена также из латуни и предназначена для исключения температурной погрешности при установке на объектах с различной толщиной тепловой изоляции. Изменение разности удлинений корпуса 1 и стержня 2, пропорциональное изменению температуры измеряемой среды, трансформируется в пневматический сигнал в преобразователе 7, усиливается и поступает на регистрирующий прибор.
Дилатометрические преобразователи выпускают и с электрическим выходным сигналом. Класс точности устройств 1,5 и 2,5 с диапазоном измеряемых температур от -30 до +1000 °С.
Жидкостные манометрические термометры (рис. 2.92) основаны на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего герметически замкнутую термосистему термометра. Термосистема состоит из термобаллона 4, капилляра 5 и манометрической одно- или многовитковой пружины 6. Капилляр 5 соединяет термобаллон с неподвижным концом манометрической пружины. Подвижный конец пружины запаян и через шарнирное соединение 7, поводок 3, сектор 2 связан со стрелкой прибора 1.
Рис. 2.92. :
1 - стрелка; 2 - сектор; 3 - поводок; 4 - термобаллон; 5- капилляр; 6 - пружина; 7 - шарнирное соединение
При изменении температуры среды изменяется давление термометрического вещества в замкнутом пространстве, в результате чего чувствительный элемент (манометрическая пружина) деформируется и ее свободный конец перемещается. Данное перемещение преобразуется в поворот регистрирующей стрелки относительно шкалы прибора.
В зависимости от термометрического вещества манометрические термометры подразделяются на газовые, конденсационные и жидкостные.
В газовых термометрах термобаллон, капилляр и манометрическая пружина заполняются каким-либо инертным газом (азотом, гелием и др.). Диапазон измерения весьма широк и лежит в пределах от критической температуры газа (азот - 147 °С, гелий - 267 °С) до температуры, определяемой теплостойкостью материала термобаллона.
В конденсационных термометрах насыщенные пары некоторых низкокипящих жидкостей (ацетон, метилхлорид, этилхлорид) меняют давление при изменении температуры. Диапазон измерения этих приборов от 0 до +400 °С при погрешности измерений ±1 %.
В жидкостных термометрах термосистема заполнена хорошо расширяющейся жидкостью (ртутью, керосином, лигроином и др.). Диапазон измерения этих приборов от -30 до +600 °С при погрешности измерений ±1 %.
На показания манометрических термометров значительное влияние оказывают внешние условия: изменения температуры окружающего воздуха, различная высота расположения термобаллона и пружины, колебания атмосферного давления.
Манометрические термометры имеют ограниченную длину линии связи от термобаллона к показывающему прибору, большую инерционность и динамическую погрешность.
Класс точности манометрических термометров 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0 при работе в интервале температур окружающего воздуха от 5 до 50 °С и относительной влажности до 80 %.
Манометрические термометры применяют для измерения температуры охлаждающей воды, воздуха, жидкого и газообразного топлива, на установках для заправки и т. п.
Термометры сопротивления .
Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента в виде терморезистора, защитного чехла и соединительной головки.
Принцип действия чувствительного элемента основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. В качестве материалов для их изготовления используют чистые металлы: платину, медь, никель и полупроводники. Платина является основным материалом для изготовления термометров сопротивления. В качестве чувствительного элемента в полупроводниковых термометрах сопротивления используют германий, окиси меди и марганца, титана и магния.
Основные метрологические характеристики термометров сопротивления, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.19.
Таблица 2.19. Основные метрологические характеристики электрических контактных термометров |
||||
Характеристики | Термометры сопротивления | |||
металлические | полупроводниковые | стандартные | в тонком чехле |
|
Пределы измерений, °С | ||||
Погрешность измерения, % | ||||
Инерционность | ||||
Преимущества | Высокая точность, линейная статическая характеристика | Высокая чувствительность, возможны измерения в точке | Дешевые, хорошая линейность статической характеристики | Прочность, малая тепловая инерция, линейная статическая характеристика |
Недостатки | Невозможно измерение температуры в точке | Нелинейная статическая характеристика, большой разброс параметров, низкая стабильность параметров во времени | Большая тепловая инерция | Не известны |
Область применения | Энергетика, непрерывные технологические процессы в химии, пищевая промышленность | Энергетика, технологические процессы в химии, производство искусственных материалов, медицина | Энергетика, непрерывные производства, пищевая промышленность | Энергетика, непрерывные производства, химия, медицина, строительство, производство искусственных материалов |
Для решения различных задач термометры сопротивления подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие, которые, в свою очередь, подразделяются на лабораторные и технические.
Эталонные термометры сопротивления предназначены для воспроизведения и передачи шкалы МПТШ в интервале 13,81... ...903,89 К. В качестве эталонных, образцовых и лабораторных приборов повышенной точности применяют платиновые термометры сопротивления.
Технические термометры сопротивления в зависимости от конструкции подразделяются: на погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го класса точности и т.д.
Одна из конструкций промышленных термометров сопротивления, используемых для измерения температур жидких и газообразных сред, представлена на рис. 2.93, а. Термометр состоит из чувствительного элемента 5, расположенного в стальном защитном кожухе 3, на котором приварен штуцер 2. Провода 9, армированные фарфоровыми бусами 4, соединяют выводы чувствительного элемента 5 с клеммной колодкой б, находящейся в корпусе головки 1. Сверху головка 1 закрыта крышкой 10, снизу имеется сальниковый ввод 7, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 8.
Чувствительный элемент термометра сопротивления (рис. 2.93, б) выполнен из металлической тонкой проволоки толщиной 0,03...0,1 мм с безындукционной каркасной или бескаркасной намоткой.
Рис. 2.93. :
а - конструкция термометра: 1 - корпус головки; 2 - штуцер; 3 - защитный кожух; 4 - фарфоровые бусы; 5 - чувствительный элемент; 6 - клеммная колодка; 7 - сальниковый ввод; 8 - монтажный кабель; 9 - провода; 70 - крышка; б - конструкция чувствительного элемента термометра: 1 - глазурь; 2 - пространство; 3 - каркас; 4 - платиновые спирали; 5 - выводы
В качестве каркаса для платиновых термометров применяют плавленный кварц и керамику на основе окиси алюминия. В каналах каркаса 3 расположены четыре (или две) последовательно соединенные платиновые спирали 4. К верхним концам спиралей припаяны выводы 5, выполненные из платины или сплава иридия с радием. Пространство 2 между спиралями и каркасом заполнено порошком окиси алюминия. Крепление спиралей и выводов в каркасе производится глазурью 1.
При применении термометров сопротивления о температуре можно судить по изменению электрического сопротивления его чувствительного элемента, падению напряжения на нем при постоянном токе или значению тока при постоянном напряжении.
Наибольшее распространение получила первая схема, когда изменение сопротивления служит мерой температуры (рис. 2.94). В этом случае терморезистор 1 включают в одну из диагоналей моста последовательно с регулировочным резистором Rv, служащим для приведения к определенному значению сопротивления подводящих проводов. Показания гальванометра 3, включенного в диагональ моста, зависят также от напряжения питания моста, для поддержания постоянства которого в цепь питания включен регулировочный резистор.
Рис. 2.94. :
1 - терморезистор (термометр сопротивления); 2 - уравнительный резистор RA; 3 - гальванометр; 4 - измерительный мост с резисторами Rv, R2, R3, Я4, RA; 5 - источник питания; 6 - регулировочный резистор Rv
Термоэлектрические термометры состоят из термопары, защитного чехла и соединительной головки, они основаны на термоэлектрических свойствах чувствительного элемента.
Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы в спае двух разнородных проводников (например, хромель - копель), температура которого отличается от температуры вторых выводов. Для получения зависимости термоЭДС от одной температуры t2 необходимо температуру t1 поддерживать на постоянном уровне, обычно при 0 или +20 °С. Спай, помещаемый в измеряемую среду, называют горячим, или рабочим, концом термопары, а спай, температуру которого поддерживают постоянной, - холодным, или свободным, концом.
Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, а свободные - при известной и постоянной температуре t1.
Основные метрологические характеристики термоэлектрических термометров, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения см. в табл. 2.19.
В качестве термопар (ТП) наиболее часто применяют комбинации материалов, имеющих высокое значение развиваемой термо- ЭДС, стабильность характеристик при различных температурах, воспроизводимость и линейную зависимость термоЭДС от температуры, простоту технологической обработки и получения спая, а именно: хромель-копелевые (TBP), хромель-алюмелевые (TXK)[L], платинородий-платиновые (ТХА)[К], вольфрам-рениевые (Tnn)[S] и др. В квадратных скобках приведены условные обозначения номинальных статистических характеристик преобразования. Наиболее точной является термопара ТПП, которая используется в качестве рабочих эталонов и образцовых термометров 1-го, 2-го и 3-го разряда.
Основные характеристики термоэлектрических термометров представлены в табл. 2.20.
Термопара | Градуировка | Химический состав термоэлектрода | Пределы применения, C | Пределы допускаемой погрешности, С, при температуре, С | ||||||
положительного | отрицательного | |||||||||
Стандартной градуировки |
||||||||||
Платино-родий-платиновая (ТПП) | Платинородий (90% Pt+10% Rh) | Платина (100% Pt) | ||||||||
Платино-родий-платино-родиевая (ТПР) | Платинородий (70% Pt + 30% Rh) | Платинородий | ||||||||
Хромель- алюмелевая (ТХА) | Хромель (89% Ni + 9,8 % Сг + 1% Fe + 0,2% Mn) | (94 % Ni + 2 % А1 + 2,5 % Mn + + 1 % Si + 0,5% Fe) | ||||||||
Хромель-копелевая (ТХК) | (55 % Си + 45 % Ni) | |||||||||
Вольфрам-рениевая (ТВР) | Вольфрам-рений (95 % W + 5 % Re) | Вольфрам-рений (80% W + 20% Re) | 1,33 ±0,03 (1,40 ± 0,03) |
|||||||
Нестандартной градуировки |
||||||||||
Вольфрам-рениевая | Вольфрам-рений (90 %W + 10% Re) | Вольфрам-рений | ||||||||
Вольфрам-молибденовая | Вольфрам (100% W) | Молибден (100% Mo) | ||||||||
Молибден-алюминий (99,5 % Mo + 0,5 % Al) | ||||||||||
Медь константа-новая | Медь (100% Си) | Константан (42% Ni + 58% Cu) |
На рис. 2.95 показана конструкция термоэлектрического термометра. Термопара 7 установлена в защитный кожух 6. В головке 2 термометра расположено контактное устройство 1 с зажимами для соединения термоэлектродов 3 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от корпуса керамическими трубками 5. В качестве термоэлектродов используют проволоку диаметром 0,3...0,5 мм.
Рис. 2.95. :
1 - контактное устройство; 2 - головка; 3 - термоэлектроды; 4 - штуцер; 5 - керамические трубки; В - защитный кожух; 7 - термопара
Спай на рабочем конце термопары 7 образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.
Для измерения возникающей термоЭДС в контур термопары в холодный спай (рис. 2.96, а) или в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 2.96, б) с помощью проводов С включают измерительный прибор ИП. В первом случае (см. рис. 2.96, а) в схеме присутствуют три спая: горячий 2 и два холодных (1 и 3), во втором случае (см. рис. 2.96, б) в схеме - четыре спая: горячий 4, холодный 1 и нейтральные 2 и 3, причем температура последних t3 должна быть одинаковой.
Рис. 2.96. :
а: 1 и 3 - холодные спаи; 2 - горячий спай; 6: 1- холодный спай; 2 и 3 - нейтральные спаи; 4 - горячий спай
В схеме уравновешивающего преобразования (рис. 2.97) уравновешивание ЭДС термопары осуществляется за счет сигнала с мостовой схемы, управляемой двигателем Д.
Рис. 2.97. :
R1-R8 - сопротивления компенсационного моста; R1, R3 - терморезисторы; R9, R10 - сопротивления делителя напряжения; ТП - термопары; С - конденсатор; У - усилитель; Д - двигатель; ОУ- отсчетное устройство излучения
Компенсация методических погрешностей в термоэлектрических термометрах, обусловленных изменением температуры холодного спая, осуществляется путем применения мостовых схем с термосопротивлением, питаемых стабилизированным постоянным напряжением.
Бесконтактное измерение температуры .
О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называются пирометрами. Они позволяют измерять температуру в диапазоне от 100 до 6000 °С и выше.
Физические тела характеризуются либо непрерывным спектром излучения (твердые и жидкие вещества), либо избирательным (газы). Участок спектра в интервале длин волн 0,02...0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому излучению, участок 0,4... 0,76 мкм - видимому излучению, участок 0,76... 400 мкм - инфракрасному излучению. Интегральное излучение - это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн.
Монохроматическим называется излучение, испускаемое при определенной длине волны.
На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:
Суммарного (полного) излучения, в которых измеряется полная энергия излучения;
Частичного излучения (квазимонохроматические), в которых измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;
Спектрального отношения, в которых измеряется интенсивность излучения фиксированных участков спектра.
В пирометрах полного излучения оценивается не менее 90 % суммарного потока излучения источника. При измерении температуры реального тела пирометры этого типа показывают не действительную, а так называемую радиационную температуру тела.
Поэтому эти пирометры называются радиационными. При известном суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с радиационной температуры тела на его действительную температуру. Исходя из этого, пирометры полного излучения удобно использовать при измерениях разностей температур в неизменных условиях наблюдения в диапазоне 100...3 500°С. Основная допустимая погрешность в технических пирометрах возрастает с увеличением верхнего предела измерения температуры. Так, для 1000 °С - ±12 %, для 2000 °С - ±20 %.
Рис. 2.98. :
1 - линза; 2 - диафрагма; 3 - приемник излучения; 4 - окуляр; 5 - фильтр; ОУ - отсчетное устройство
В радиационном пирометре (рис. 2.98) лучи нагретого тела поступают на линзу 1, которая направляет их через диафрагму 2 на приемник излучения 3. Приемник излучения состоит из большого числа термопар (термобатарея), горячие спаи которых выполнены в виде секторных тонких пластинок. Сигнал с термопар, соединенных последовательно, подается на отсчетное устройство ОУ. Через окуляр 4 с фильтром 5 производится наведение пирометра на объект измерения. Основные метрологические характеристики приемников полного излучения, их принципиальные схемы, основные преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.21.
Таблица 2.21. Основные метрологические характеристики приемников полного излучения |
||||||
Характеристики | Электрические | Пневматические | Оптические |
|||
Термобатареи | Болометры | Тепловые быстродействующие индикаторы | Пироэлектрические кристаллы | Детектор Голея | Жидкие кристаллы |
|
Пределы измерения | Теоретически не ограничены, зависят от конструкции |
|||||
Чувствительность | 10 0 В * Вт -1 | 10 -4 В Вт -1 | ||||
Инерционность, с | ||||||
Преимущества | Высокая временная стабильность | Большая по сравнению с термобатареями чувствительность | Малая тепловая инерция | Малая тепловая инерция, широкий частотный диапазон | Чрезвычайно широкий частотный диапазон | Большая разрешающая способность (10-3 К) |
Недостатки | Большая по сравнению с болометрами инерционность | Необходимость источника питания, собственное нагревание | Малая чувствительность | Исчезновение поляризации выше точки Кюри | Невозможны статические измерения | Высокая инерционность |
Область применения | Пирометрия, спектроскопия, радиометрия | Обнаружение лазерного излучения | Пирометрия, спектрометрия, регистрация температурных полей | Спектрометрия | Медицина, исследования |
|
Они подразделяются на электрические (термобатареи, болометры, тепловые индикаторы, пироэлектрические кристаллы), пневматические (детектор Голея) и оптические (жидкие кристаллы). Наибольшая чувствительность (10 5 В*Вт -1) у пневматических приемников. У электрических она составляет от 10 -4 до 10 3 В*Вт -1 .
Классификация средств измерения температуры
Классификация средств измерения температуры ведется по используемому термометрическому свойству:
1. Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме:
Газовые; пределы измерения -150…600 0 С;
Жидкостные; пределы измерения -150…600 0 С;
Конденсационные; пределы измерения -50…350 0 С.
2. Термоэлектрический эффект (термо ЭДС)
Термоэлектрические преобразователи (термопары); пределы измерения -200…2200 0 С.
3. Измерение электрического сопротивления
Металлические термопреобразователи сопротивления; пределы измерения -260…1100 0 С;
Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления; пределы измерения -240…300 0 С;
4. Пирометры излучения
Квазимонохроматические; пределы измерения 700…6000 0 С;
Спектрально отношения; пределы измерения 1400…2800 0 С;
Радиационные; пределы измерения 50…3500 0 С.
Манометрические термометры
Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объеме от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).
Могут использоваться для измерения температур в диапазоне от -150 до +600 0 С. Диапазон измерения определяется свойствами рабочего вещества. Термометры с специальным наполнением могут применяться в диапазоне 100…1000 0 С.
|
Термосистема манометрического термометра (рис. 1) состоит из термобаллона 1, капилляра 2, плоской трубчатой пружины 3. Термосистема заполнена рабочим веществом в указанной замкнутой системе. Термобаллон помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. При нагревании рабочее вещество расширяется и, поскольку система замкнутая, внутри ее давление увеличивается. Вследствие этого плоская пружина стремиться принять круглый профиль и она распрямляется, а свободный конец перемещается. Перемещение через тягу 5 передается на зубчатый сектор 6, который находится в зацеплении с зубчатым колесом 7. На ось колеса насажена стрелка указателя 8, которая вместе со шкалой 9 образуют отсчетное устройство прибора.
Для создания противодействующего момента предусмотрена 10, один конец которой закреплен на зубчатом колесе, а другой - на станине прибора. Влияние температуры окружающей среды на показания прибора компенсируется биметаллическим или инварным компенсатором 4.
Термобаллон - цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к воздействиям агрессивных сред. Диаметр термобаллона 5…30 мм, длина - 60…500 мм.
Капилляр - медная или стальная трубка с внутренним диаметром 0,1…0,5 мм. Длина капилляра в зависимости от эксплуатационных требований колеблется от нескольких сантиметров до 60 м. Медные капилляры имеют стальную пружинную защитную оболочку, предохраняющую их от механических повреждений в процессе монтажа и эксплуатации.
Для улучшении метрологических характеристик к манометрическим пружинам предъявляется ряд требований. С целью уменьшения температурной погрешности пружина должна иметь по возможности малый объем. Пружина должна иметь возможность раскручиваться на больший угол и свободный ее конец должен обладать значительным тяговым усилием для механического перемещения дополнительных устройств.
В зависимости от конструкции измерительной системы манометрического термометра он бывает показывающий, самопишущий, бесшкальный со встроенным датчиком для дистанционной передачи показаний на расстояние.
Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температур в диапазоне -150…600 0 С. Термометрическое вещество - гелий или азот. Принцип работы основан на законе Гей-Люссака:
P t = P 0 (1 + βt) (9)
где Р 0 и Р t - давление при 0 0 С и при t ;
β - термометрический коэффициент давления газа, равный 1/273,15 или 0,00366 К -1 .
Теоретически линейная связь между Р t и t в соответствии с законом строго не сохраняется для реальных систем. Это связано с тем, что с изменением давления изменяется объем манометрической пружины, а с изменением температуры меняется объем термобаллона, а также происходит массообмен между термобаллоном и капиллярной трубкой. В тоже время эти изменения незначительны и практически можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров равномерны.
Жидкостные манометрические термометры . В качестве термометрического вещества используется ртуть под давлением 10…15 МПа при нормальной температуре или толуол, ксилол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости и т.п. вещества при давлении 0,5…5 МПа. При ртутном заполнении диапазон измерений составляет -30…600 0 С, а для органических жидкостей - 150…300 0 С.
Ввиду того, что жидкость практически несжимаема, объем термобаллона жидкостных манометрических термометров в отличии от газовых должен быть согласован со свойствами используемой манометрической пружины.
При изменении температуры в диапазоне от начальной t н до конечной t к их термобаллона объемом V τ вытесняется жидкость объемом DV τ :
DV τ = V τ (β ж - 3α)(t к - t н) (10)
где β ж - температурный коэффициент объемного расширения жидкости;
α - коэффициент линейного расширения материала термобаллона.
В жидкостных манометрических термометрах, как и в газовых, имеет место погрешность от изменения температуры окружающей среды. Для уменьшения этой погрешности принимаются те же меры, что и для компенсации указанной погрешности в газовых термометрах. Действие инварного компенсатора основано на том, что в капиллярную трубку помещается проволока из инвара и рабочее вещество оказывается в кольцевом зазоре между проволокой и стенкой капилляра. Диаметр проволоки выбирают таким, чтобы при повышении температуры в капилляре приращение кольцевого зазора было тем же, что и приращение объема жидкости в зазоре.
Манометрическим жидкостным термометрам свойственна гидростатическая погрешность, вызванная различным расположением измерительной части относительно термобаллона по высоте. Эта погрешность устраняется после монтажа прибора путем смещения указателя прибора на нужное деление по шкале.
Конденсационные манометрические термометры. В качестве термометрического вещества в этих термометрах используются легкокипящие жидкости, в частности пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол, хлористый метил и т.п. В зависимости от используемого рабочего вещества диапазон измерений лежит в интервале -50…+350 0 С. Специально изготовленные конденсационные термометры применяются для измерения сверхнизких температур. Например, при заполнении гелием можно измерять температуру от 0,8К. Термобаллон термометра заполнен конденсатом на 0,7…0,75 объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости (рис. 2).
Рис. 2 Термобаллон конденсационного термометра низкокипящих жидкостей от температуры Т :
(11)
где L - скрытая теплота испарения;
V п и V ж - удельные объемы пара и жидкости соответственно.
Давление в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара при температуре рабочей жидкости, которая, в свою очередь, равна температуре измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Зависимость давления насыщенного пара от температуры однозначна (до критической температуры), но нелинейна, вследствие чего шкалы конденсационных термометров имеют значительную неравномерность. Для получения равномерной шкалы конденсационные термометры снабжают специальным линеаризирующим устройством. Рабочее давление в конденсационных термометрах зависит только от пределов измерения и закона изменения давления насыщенного пара от температуры.
В связи с этим изменение температуры окружающей среды не оказывают влияния на показания прибора. Действительно, если повышается температура капилляра и манометрической пружины, то объем наполняющей их жидкости увеличивается и частично вытесняется в Термобаллон, где часть объема насыщенного пара сконденсируется и давление в термосистеме не изменится. В силу того, что Термобаллон может быть выполнен малых размеров, эти термометры менее инерционны, чем другие. Кроме того, они более чувствительны, так как давление насыщенного пара резко изменяется с изменением температуры.
Конденсационным термометрам присуща гидростатическая погрешность и погрешность от изменения барометрического давления. Первая компенсируется аналогично жидкостным. Вторая имеет место лишь на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико.
Манометрические термометры - достаточно простые устройства, позволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и передачу их на расстояние. Важное достоинство - возможность использования их на взрывоопасных объектах. Недостатки: необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации прибора и сложность ремонта.
Промышленные манометрические термометры имеют класс точности 1…4.
Передаточная функция манометрического термометра может иметь вид:
(12)
Измерение температуры термоэлектрическими термометрами - термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) основано на использовании открытого в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком термоэлектрического эффекта.
Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников.
Рис. 3 Схема ТЭП
При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Следует отметить, что рассматриваемый эффект обладает обратным свойством: если в такую цепь из вне подать электрический ток, то один спай будет охлаждаться, а другой - нагреваться (эффект Пельтье, Жан Шарль Атаназ; французский физик).
Возникновение термоЭДС в современной физике объясняют различной работой выхода электронов различных металлов и поэтому при соприкосновении этих металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящих к возникновению разности потенциалов на концах проводников. Т.о., оба указанных фактора - контактная разность потенциалов и диффузия электронов - являются слагаемыми результирующей термоЭДС цепи, значение которой в конечном итоге зависит от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП.
Для математической формализации соотношения между контактной 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.
Обозначим контактную термоЭДС в спае между электродами А и В при температуре t как е АВ (t). Указанная запись означает, что если электрод А положительный и он в написании идет первым, то термоЭДС е АВ (t) имеет положительный знак.
При принятом условии запись е ВА (t) будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком в соответствии с законом Вольта: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равновесии температур спаев термоток цепи равен нулю.
Исходя из этого можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и туже температуру, например t 0 , то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу, и поэтому результирующая термоЭДС такого контура Е АВ (t 0 t 0) равна нулю, т.е.:
Е АВ (t 0 t 0) = e AB (t 0) - e AB (t 0) = 0 (13)
или с учетом того, что e AB (t 0) = - e B А (t 0),
Е АВ (t 0 t 0) = e AB (t 0) + e B А (t 0) = 0 (14)
Рассматривая это выражение 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 (рис. 3) результирующая термоЭДС составит:
Е АВ (t t 0) = e AB (t) + e ВА (t 0) (15)
или Е АВ (t t 0) = e AB (t) - e АВ (t 0) (16)
это уравнение называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС Е АВ (t t 0) зависит от разности функций температур t и t 0 . Если сделать t 0 = const, то
e AB (t 0) = с = const
и Е АВ (tt 0) t= const = e AB (t) - c = f(t) (17)
При известной зависимости путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура t в объекте измерения, если температура t = const. Спай, погружаемый в объект измерения, называют рабочим (горячим) спаем или концом, а спай вне объекта - свободным (холодным) спаем или концом.
Следует отметить, что в явном виде зависимость
E = f(t) (18)
для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных ТЭП устанавливается экспериментальным путем методом градуировки и последующего нормирования или построения графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться постоянной на уровне t 0 = 0 0 C.
Необходимо подчеркнуть, что генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от размеров термоэлектродов и спаев.
Включение измерительного прибора в цепь ТЭП. Для измерения термоЭДС в цепь ТЭП включают измерительный прибор по одной из двух схем:
Рис. 4 Схемы включения прибора в цепь ТЭП
Обе схемы включения прибора можно представить как включение в цепь еще одного проводника С . При включении измерительного в разрыв спая свободного конца (схема а ) ТЭП имеет один рабочий спай 1 и два свободных спая 2 и 3.
При включении по схеме б ТЭП имеет четыре спая: рабочий 1, свободный 2 и два нейтральных 3 и 4 при постоянной температуре t 1 . Несмотря на внешнее различие схем, термоЭДС в обоих случаях будут одинаковы, если концы проводника С будут равны.
Для схемы а имеем:
Е АВС (tt 0 t 0) = e AB (t) + e В C (t 0) + e CA (t 0) = 0 (19)
Если температура всех спаев одинакова, то
E ABC (t 0 t 0 t 0) = e AB (t 0) + e BC (t 0) + e CA (t 0) = 0 (20)
e B А (t 0) = e BC (t 0) + e CA (t 0) (21)
Подставляя (21) в (19), получим
E ABC (tt 0 t 0) = e AB (t) + e BA (t 0) = e AB (t 0) = e AB (t) - e AB (t 0) = E(tt 0) (22)
т.е. уравнение полностью совпадает с основным уравнением ТЭП.
Для цепи б имеем:
Е АВС (tt 1 t 0) = e AB (t) + e BC (t 1) + e CB (t 1) + e BA (t 0) (22)
Учитывая, что e BC (t 1) = - e CB (t 1) и e BA (t 0) = -e AB (t 0), то
Е АВС (tt 1 t 0) = e AB (t) - e AB (t 0) = E(tt 0), (23)
т.е. уравнение (23) полностью совпадает с основным уравнением ТЭП.
Это свидетельствует, что введение третьего проводника на влияет на величину термоЭДС , и таким образом обе схемы включения измерительного прибора правомочны.
Поправка на температуру свободных концов ТЭП . Если температура t 0 ’ свободных концов ТЭП отлична от нуля, то показание измерительного прибора при температуре tрабочих концов будет соответствовать генерируемой в этом случае термоЭДС, равной
E(tt 0 ’) = e AB (t) - e AB (t 0 ’) (24)
Как отмечалось, градуировочная таблица или график зависимости термоЭДС от температуры соответствует условию, когда температура t 0 свободных концов термопары равна нулю. Если это условие сохраняется в процессе измерения, то
Е АВ (t 0 t 0) = e AB (t) - e AB (t 0) (25)
Вычтем из (25) выражение (24), тогда
E AB (tt 0) = E(tt 0 ’) + (26)
E AB (tt 0) = E AB (tt 0 ’) + E AB (t 0 ’ t 0) (27)
Здесь E AB (t 0 ’ t 0) представляет собой поправку, определяемую из градуировочных данных используемых ТЭП по измеренной температуре свободных концов. Найденное значение E AB (t 0 ’ t 0) прибавляется к измеренному прибором значению температуры E AB (t 0 ’ t 0) , если t 0 ’ > t 0 = 0, и отнимается при t 0 ’ < t 0 = 0. по значению полученного результата из градуировочной таблицы или графика находят искомую температуру.
Удлиняющие провода и термостатирование свободных концов . Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы ТЭП их следует удалить из зоны с переменной температурой. Для этого целесообразно удлинять не сами термоэлектроды, а продлевать их с помощью специальных проводов. Если провода выбраны правильно, то места их подключения к измерительному прибору рассматриваются как свободные концы.
Условия, которым должны отвечать термоэлектродные провода, определим из схемы рис. 5.
Рис. 5 Схема соединения ТЭП с ИП термокомпенсационными проводами развиваемая в цепи термоЭДС
E = e AB (t) + e BD (t 1) + e DC (t 0) + e CF (t 0) +e FA (t 1) (28)
Если принять, что все спаи имеют температуру t 1 , то
e AB (t 1) + e BD (t 1) + e DC (t 1) + e CF (t 1) +e FA (t 1) = 0 (29)
Вычитая (29) из (28) и имея ввиду уравнение (21), получим
Е = + = E AB (tt 1) + E FD (t 1 t 0) (30)
Пусть провода F и D имеют характеристику, совпадающую с термоэлектродами в интервале 0 0 С…100 ~ 120 0 С, то есть
E FD (t 1 t 0) = E AB (t 1 t 0) (31)
Тогда получим
Е = E AB (tt 1) + E AB (t 1 t 0) = E AB (tt 0) (32)
В практике подбор проводов производят по таблицам.
Свободные концы, удаленные от объекта измерения, подлежат термостатированию. Термостатирование при t = 0 0 С осуществляется путем погружения концов в пробирку с маслом, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом.
Для поддержания свободных концов при температуре, отличной от 0 0 С, используют коробки холодных спаев КХС, снабженные простым автоматическим биметаллическим терморегулятором. Обычно поддерживается температура 5060,5 0 С.
Способы соединения ТЭП . Соединяя между собой термопары различным образом, можно для конкретных задач измерения значительно улучшить их точность.
Рис. 6 Схемы соединения термоэлектрических преобразователей
При необходимости измерения разности температур используется дифференциальный способ соединения (рис. 6а). Здесь оба конца 1 и 2 являются рабочими и помещаются в среды с температурами t 1 и t 2 . Нейтральные концы 3 и 4 должны иметь одинаковую температуру t 0 . По развиваемой в контуре термоЭДС E(t 1 t 2) определяют разность t 1 - t 2 , используя соответствующий участок градуировочной кривой.
Если температура t измеряемого объекта незначительно отличается от температуры t 0 свободных концов ТЭП, то используют термобатарею, представляющую собой систему из n последовательно включенных ТЭП. Суммарная термоЭДС в контуре батареи в n раз больше, чем в одном ТЭП, т.е. равна nE AB (tt 0), благодаря чему увеличивается чувствительность измерения.
Термобатареи, собранные по схеме в рис. 6, называют дифференциальными преобразователями, с помощью которых измеряют любую разность температур. Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в средах с температурами t 1 и t 2 , a спаи 3 и 4 действительно нейтральными с одинаковой температурой t 0 . Результирующая термоЭДС равна nE(t 1 t 2).
Требования к материалам ТЭП .
Несмотря на то, что любые два проводника способны развивать термоЭДС, лишь ограниченное число термоэлектродов используются для создания 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 электрода по его длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;
Технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемости по термоэлектрическим свойствам материалов;
Дешевизна;
Стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что позволяет создать стандартные градуировки.
Ни один из существующих в настоящее время материалов не удовлетворяет полностью всем требованиям, в результате чего для различных пределов измерений термоэлектроды из различных материалов.
Сегодня наша промышленность выпускает достаточно большое количество типов ТЭП, способных измерять температуры в диапазоне от -270 0 С до 2500 0 С. Межгосударственный стандарт ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия» определяет понятия термоэлектрического преобразователя и термопары. Термоэлектрический преобразователь - устройство с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов, предназначенных для измерения температуры. Термопара - два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры. В стандарте нормализованы требования к 12 типам термопар (ТП), некоторые из них представлены в таблице 1.
Таблица 1 Характеристика основных видов ТП
Продолжение табл. 1
При выборе термопар особое внимание необходимо обращать на рабочую атмосферу измеряемой среды. Некоторые типы термопар имеют ограниченную область применения из-за своего химического состава или вредного воздействия рабочей среды на материалы термоэлектродов.
Рабочие среды подразделяются на окислительную, восстановительную и инертную. Под окислительной средой обычно подразумевается воздух (21% объема О 2) или смесь газов при избытке кислорода, в которой происходит окисление вещества. Присоединение атомами кислорода (образование оксида) - частный случай реакции окисления. Слабоокислительная среда содержит кислород в смеси газов на уровне 2…3%. В восстановительной среде идут химические реакции, в которых атомы и ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение валентности элемента. Примеры восстановительных сред - сухой водород Н 2 , СО, углесодержащие газовые среды, эндогаз, экзогаз, коксовый и доменный газы, диссоциированный аммиак, выхлопные газы камер сгорания. Инертная среда существует в газах N 2 , Ar, He и других инертных.
Тип термопары | Рабочие атмосферы | |||
окислительная | восстановительная | инертная | вакуум | |
ТМКн (Т) | ++ | + | + | + |
ТХК | ++ | - | + | + |
ТХКн (Е) | ++ | - | + | + |
ТЖК (J) | ++ | ++ | + | + |
ТХА (К) | ++ | - | + | + |
ТНН (N) | ++ | - | + | + |
ТПП(R,S) | ++ | - | + | + |
ТПР (В) | ++ | - | + | + |
ТВР | - | Н 2 ++ | ++ | ++ |
2. «+» - эксплуатация в данной атмосфере возможна;
Конструкция ТЭП . Для предохранения от механических повреждений и вредного влияния объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную арматуру. На рис. 7 показано устройство стандартного термоэлектрического преобразователя.
В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Горячий спай 2 касается дна гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза вместе с термоэлектродами вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9.
Рис. 7 Конструкция ТЭП
Диаметр электродов 0,5…3 мм. Выбор конструкции ТЭП производится в зависимости от конкретных условий измерений.
Динамическая характеристика ТЭП в общем виде записывается в виде передаточной функции
(33)
Значения постоянной времени Т и транспортного запаздывания τ зависит от конструктивных размеров и используемых материалов защитных гильз. Для выпускаемых промышленностью ТЭП эти величины находятся в пределах Т = 1,5…8 мин, и τ = 9…30 с, а τ/Т = 0,11…0,78.
Средства измерения сигналов ТЭП
В качестве средств измерений, работающих в комплекте с ТЭП, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи.
Магнитоэлектрический милливольтметр . Схема измерительного механизма прибора показана на рис. 8.
Рис. 8 Схема измерительного механизма милливольтметра
крепятся одним концом к оси, другим - к неподвижной части прибора. Они же являются токоподводами.
Рамка представляет собой прямоугольник длиной l и шириной 2r и состоит из n витков тонкой медной проволоки. Благодаря сердечнику 1, расположенному внутри рамки, последняя оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, в силу чего независимо от угла поворота рамки, плоскость ее оказывается параллельной вектору магнитной индукции В .
При протекании по рамке электрического тока I на подвижную систему действует магнитоэлектрический момент
М МЭ = 2rlBI (34)
где 2r - ширина рамки;
l - длина рамки.
Противодействующий момент М ПР , созданный спиральной пружиной или подвеской, равен
М ПР = Wφ (35)
где W - удельный противодействующий момент;
φ - угол поворота рамки.
При некотором угле поворота φ имеем
М ПР = М МЭ (36)
т.е. Wφ = 2rlBI (37)
или (38)
где S 1 = φ/I - чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.
Для получения зависимости угла поворота рамки от напряжения U , подведенного к прибору с внутренним сопротивлением R М , из (38) имеем
(39)
где S U = S 1 /R M = φ/U - чувствительность прибора к напряжению.
Из (39) следует, что чувствительность к напряжению тем меньше чувствительности к току, чем больше внутреннее сопротивление прибора.
Измерение термоЭДС милливольтметром осуществляется по схеме, представленной на рис. 9.
Рис. 9 Схема измерения термоЭДС милливольтметром
Генерируемая ТЭП термоЭДС Е АВ (tt 0) создает в замкнутой цепи ток
где R AB , R FD , R C , R У, R Р, R Д - сопротивления термоэлектродов АВ , удлинительных проводов FD , соединительных линий С , уравнительной катушки, рамки милливольтметра, добавочной катушки соответственно;
R BH = (R AB + R FD + R C + R У) - внешнее по отношению к зажимам ab прибора сопротивление цепи;
R M = (R Р + R Д) - внутреннее сопротивление милливольтметра.
Представим (40) в виде
U ab = IR M = Е АВ (tt 0) - IR ВН (41)
Из (41) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение U ab , подведенное к его зажимам ab , всегда меньше, чем ЭДС в цепи, на значение падения напряжения IR ВН во внешней цепи, обусловленного проходящим в контуре током.
В силу того, что сведение к нулю IR ВН при использовании милливольтметра невозможно, следовательно принципиально невозможно непосредственное измерение ЭДС милливольтметром. В то же время при соблюдении определенных условий измерения с некоторой погрешностью можно принять, что показания милливольтметра однозначно зависят от развиваемой в цепи термоЭДС.
Подставляя (40) в (38), получим
(42)
Отсюда следует, что если иметь R BH + R M = const, то между показаниями φ милливольтметра и измеряемой термоЭДС была однозначная зависимость и шкалу прибора можно было бы градуировать в градусах, соответствующих термоЭДС для данного ТЭП. В то же время внутреннее и внешнее сопротивления меняются в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к погрешности измерения.
Покажем, что уменьшение погрешности может быть достигнуто за счет уменьшения отношения R BH / R M и уменьшения R Р /R M .
Преобразим (40) к виду
(43)
Из выражения (43) видно, что чем меньше отношение R BH / R M по сравнению с единицей, тем в меньшей мере изменение этого отношения, вызванного, например, изменением температуры окружающей среды, сказывается на линейной связи между U ab и Е АВ (tt 0) . Уменьшение отношения R BH / R M возможно за счет увеличения R M . Так как рамка милливольтметра выполнена из медной проволоки сопротивлением R P , то R M увеличивают путем увеличения последовательно соединенного с ней добавочного сопротивления R Д , выполненного в виде манганиновой катушки. Значительное увеличение R M приводит к снижению чувствительности по напряжению S U милливольтметра. Обычно R M = 100…500 Ом, а отношение R Р /R M ≤ 1/3, что значительно уменьшает температурный коэффициент прибора. Значение R BH стандартизовано в пределах 0,6…25 Ом и указано на шкале прибора.
Таким образом, использование градусной шкалы милливольтметра возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на шкале. При этом необходимо подогнать сопротивление внешней линии к значению R BH , указанному не шкале прибора, с помощью подгоночного сопротивления R У .
Милливольтметры, предназначенные для работы с ТЭП, по конструктивному исполнению бывают переносные и стационарные (щитовые). Стационарные милливольтметры имеют только градусную шкалу. Промышленностью выпускаются показывающие, самопишущие и регулирующие классов точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.
Потенциометры . Принцип действия этих приборов основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника. Схема, поясняющая компенсационный метод измерения ЭДС, показана на рис. 10.
Рис. 10 Принципиальная схема потенциометра
Замкнутый контур I содержит дополнительный источник тока напряжением Е б и реохорд (компенсационный резистор) R ab . Этот контур называют компенсационным. Контур измерения II включает в себя ТЭП, термоЭДС Е АВ (tt 0) которого измеряется, и высоко чувствительный гальванометр, выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ), а также R ac реохорда от точки «а » до подвижного контакта «с ».
Измеряемый источник Е АВ (tt 0) включен навстречу дополнительному источнику Е б так, что токи от обоих источников на участке R ac идут в одном направлении. Если обозначить ток, проходящий в контуре I, через I б (рабочий ток), а ток для контура II при некотором положении движка С через I т, то на основании закона Кирхгофа для контура II справедливо равенство
Е АВ (tt 0) = I т R ВН + I т R НИ + I т R ас + I б R ас (44)
где R ВН - сопротивление проводов, включая ТЭП;
R НИ - сопротивление нуль-индикатора.
(45)
Перемещая движок С , можно добиться того, чтобы I т стал равным нулю. Это определится показанием нуль-индикатора, и тогда
Е АВ (tt 0) = I б R ас (46)
Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение напряжения на участке R ac служит мерой измеряемой ЭДС. Преимуществом компенсационного метода является отсутствие тока в цепи в момент измерения. Это исключает необходимость учета сопротивления внешней цепи и изменения сопротивления этой цепи от температуры.
Компенсирующее напряжение I б R ac можно измерять двумя методами:
Поддерживая значение I б на постоянном уровне, изменять сопротивление R ac ;
Сохраняя сопротивление R ac постоянным, изменять значение рабочего тока I б .
Наибольшее распространение получил потенциометр с постоянной силой рабочего тока.
Автоматический потенциометр . Измерительная схема автоматического потенциометра представлена на рис. 11.
Работа схемы основана на принципе постоянства силы рабочего тока. Здесь предусматриваются два контура компенсации напряжения II и III . Контур III , содержащий в цепи резистор R M из медной проволоки, служит для автоматического введения поправки на температуру свободных концов ТЭП. Свободные концы ТЭП с помощью удлинительных проводов FD подводятся к резистору R M и находятся при одной температуре с ним. Остальные резисторы измерительной схемы потенциометра выполняют из манганина.
Для питания измерительных контуров II и III в современных потенциометрах применяют вместо батареи постоянного тока источник стабилизированного питания ИПС, в котором входное напряжение переменного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется в выходное напряжение постоянного тока 5 В при нагрузке 1 кОм и токе нагрузки I 0 , равном 5 мА. При работе ИПС в составе потенциометра напряжение между точками к и d равно 1019 мВ. С вводом ИПС в измерительную схему отпала необходимость контроля рабочего тока, упростилась кинематика механизма, повысилась надежность прибора.
Рис. 11 Измерительная схема автоматического потенциометра
Подключение к клеммам К 1 и К 2 нормального элемента и последовательно соединенного с ним нуль-индикатора осуществляется для контроля рабочего тока I 2 лишь при поверке и градуировке прибора. При этом U ke = I 2 R к =Е нэ . Обычно R к = 509,3 Ом, тогда I 2 = 2 мА; R у - резистор для установки рабочего тока I 2 ; R пр - значение сопротивления реохордной группы, состоящей из трех параллельно соединенных резисторов: собственно реохорда R р , шунта R ш и сопротивления R п .
Такая конструкция реохордной группы обусловлена тем, что при необходимости изменения пределов измерения прибора возможно, не трогая реохорд, изменить общее сопротивление R р за счет изменения сопротивления R п , а иногда и R ш, оставляя при этом R р стандартным. Реохорд изготавливается из проволоки специального сплава и является ответственным узлом схемы.
Резисторы R п и R б служат для установления начального значения шкалы прибора и значения тока I 1 =3 мА. В качестве нуль-индикатора в автоматических потенциометрах используется электронный усилитель ЭУ , на входе которого установлен модулятор МОД для преобразования сигнала разбаланса напряжения постоянного тока DU в переменное напряжение. Для предохранения усилителя от наводок и помех, возникающего в цепи ТЭП под влиянием электромагнитных полей, предусмотрен фильтр, состоящий из резистора R ф и конденсатора С ф .
Работа . Пусть при некотором значении измеряемой термоЭДС и некотором положении движка С ток во втором контуре измерения равен нулю, т.е. термоЭДС скомпенсирована падением напряжения U ce на участке cbde . Тогда сигнал разбаланса DU = Е АВ (tt 0) - U ce равен нулю. При сигнале DU ≠ 0 на выходе усилителя в соответствии с абсолютным значением и знаком разбаланса формируется управляющий сигнал, в соответствии с которым реверсивный двигатель перемещает движок реохорда С до тех пор, пока DU не станет равным нулю. Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель.
Выпускаемые промышленностью автоматические потенциометры, различаясь по конструктивному исполнению, имеют одинаковую измерительную схему (рис. 11). При решении задач автоматического контроля и регулирования на практике оказывается необходимым с точки зрения увеличения точности измерения температуры конкретного объекта изменить стандартный диапазон измерения. Значения сопротивления резисторов измерительной схемы для заданного диапазона можно получить из следующих соотношений.
Для заданных начального t min и конечного t max значений температуры по шкале прибора для конкретного ТЭП из таблиц определяют E AB (t max t 0) и E AB (t min t 0). Падение напряжения U ab на сопротивлениях реохордной группы равно диапазону измерения прибора, т.е.
U ab = I 1 R пр = E AB (t max t 0) - E AB (t min t 0). (47)
Отсюда определяют значение R пр, принимая I 1 = 3 мА. Так как
R P = 130 Ом и R 2 =90 Ом или 100 Ом, по найденному значению R ПР определяют R П. Значение R н подбирают из условия
E AB (t min t 0) = U be = I 1 R H - I 2 (R M) t0 . (48)
(49)
Значение резистора R б определяется из условия постоянства тока I 1 = 3 мА:
I 1 (R б + R ПР + R H) = U dk = I 2 , (50)
(51)
(52)
Автоматические потенциометры выпускаются в виде показывающих, регистрирующих и регулирующих приборов, с цифровой или стрелочной индикацией. В них могут быть встроены устройства для регулирования или для дистанционной передачи показаний. Классы точности 0,25; 0,5 и 1,0.
Нормирующий преобразователь для термоЭДС . Для преобразования сигнала ТЭП в унифицированный токовый, по напряжению или цифровой применяют нормирующие преобразователи. Эти приборы обеспечивают информационную связь между датчиком и регулирующим устройством, имеющим унифицированный вход, а также между датчиком и компьютером.
Нормирующие преобразователи не представляют измерительную информацию для визуального контроля, а преобразуют и передают ее другим устройствам в удобном для них виде.
Рассмотрим работу нормирующего преобразователя (НП), вырабатывающего выходной сигнал 0…5 мА.
В основу работы НП положен компенсационный метод измерения термоЭДС с использованием схемы потенциометра с переменной силой рабочего тока. Схема преобразователя приведена на рис. 12.
Рис. 12 Схема нормирующего преобразователя
Контур I содержит корректирующий мост КМ, усилитель У 1 с токовым выходом I вых и резистор R кн . К контуру I проводами F и D подсоединен ТЭП. Корректирующий мост предназначен для введения автоматической поправки на температуру свободного конца ТЭП, а также компенсации начальной термоЭДС в преобразователях, нижний предел измерения которых не равен нулю градусов. К диагонали ab питания моста подведено напряжение постоянного тока от стабилизированного источника питания. Резисторы R 1 , R 2 и R 3 - манганиновые, резистор R М - из медного провода. Усилитель У 1 состоит из двух каскадов: магнитного УМ, выполненного по двухтактной двухполупериодной схеме, и полупроводникового усилителя УП, работающего в режиме усиления постоянного тока. Усилитель У 1 выполняет функции нуль-индикатора.
Контур компенсации II включает в себя R кн и усилитель обратной связи У 2 . Он аналогичен усилителю У 1 , но включен с глубокой отрицательной обратной связью по выходному току усилителя. Выходной ток I ос усилителя У 2 является рабочим током контура II и при прохождении этого тока по резистору R кн на нем создается компенсирующее напряжение
U кн = I ос R кн . (53)
Со стороны контура I к резистору R ab подводится сигнал ТЭП E AB (tt ’ 0), сложенный с напряжением U cd , создаваемым в измерительной диагонали cd корректирующего моста КМ. Это напряжение равно поправке на температуру свободных концов ТЭП, т.е. U cd = E AB (t ’ 0 t 0) . Таким образом, этот суммарный сигнал, равный E AB (tt 0) = E AB (tt ’ 0) + U cd , сравнивается с напряжением U кн . Разбаланс, равный DU = E AB (tt 0) - U кн, подается на усилитель У 1 , где преобразуется в магнитном усилителе УМ в сигнал переменного тока, затем усиливается и вновь преобразуется в сигнал постоянного тока, который дополнительно усиливается в усилителе УП постоянного тока. Выходной сигнал усилителя У 1 создает ток I вых , который поступает во внешнюю цепь R ВН и далее через делитель - в усилитель обратной связи У 2 . Выходной ток I ос усилителя У 2 изменяется и изменяет падение напряжения U кн на резисторе R кн до тех пор, пока разбаланс DU не достигнет некоторой малой величины δU , называемой статической ошибкой компенсации.
Исключить эту ошибку принципиально невозможно, т.к. I вых и I ос определяются наличием этой ошибки и пропорциональны ей. Ошибку можно значительно уменьшить, если использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.
В зависимости от диапазона входного сигнала нормирующие преобразователи, работающие в комплекте с ТЭП, имеют классы точности 0,6…1,5.
Термопреобразователи сопротивления
Измерение температуры термопреобразователями сопротивления (ТПС) основано на свойстве металлов и полупроводников менять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между сопротивлением R t ТПС и его температурой t [т.е. R t = f(t) - градуировочная характеристика], то, измерив R t , можно определить температуру среды, в которую он погружен.
ТПС позволяют надежно измерять температуру в диапазоне от -260 0 С до +1100 0 С.
К металлическим проводникам ТПС предъявляе
- 1с предприятие 8.3 закрытие месяца. Как закрывать квартал начинающему бухгалтеру пошаговая инструкция. Настройка учетной политики организации
- Продажа ос в 1с 8.3 бухгалтерия. Как в «1с» отразить продажу основных средств и мнма. Продажа основного средства с восстановлением амортизационной премии
- Расчет и калькуляции себестоимости продукции Расчет себестоимости путем распределения расходов
- Самые счастливые люди на Земле: особенности и интересные факты