Учебная работа. Измерение температур

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Измерение температур

Измерение
температур

1. Общие сведения об измерении температур

Температура является одним из важнейших
параметров технологических процессов. Температура может быть определена как
параметр теплового состояния. Значение этого параметра обуславливается средней
кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела, которая
может сильно отличаться от кинетической энергии каждой отдельной молекулы тела.
Поэтому понятие температуры применимо только к телу, состоящего из большого
числа молекул ( в применении к отдельным молекулам оно бессмысленно).

Возможность измерять температуру термометром
основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью
нагретости и на изменении физических (термометрических) свойств вещества при
нагревании. Следовательно, для создания термометра и построения температурной
шкалы казалось бы, возможно выбрать любое термометрическое свойство,
характеризующее состояние того или иного вещества и на основании его изменений
построить шкалу температур. Однако сделать такой выбор не так легко, так как
термометрическое свойство должно быть однозначно изменяться с изменением
температуры, не зависеть от других факторов и допускать возможность измерение
его изменений сравнительно простым и удобным методом.

В действительности нет ни одного
термометрического свойство, которое в полной мере можно удовлетворить этим
требованиям во всём интервале измеряемых температур.

международным комитетом мер и весов 1968 г. была
принята международная практическая температурная шкала МПТИ-68 (первая
международная шкала температур — МТИ — была принята в 1927 г.). Эта шкала
основана на 2-х постоянных и воспроизводимых температурах фазовых равновесий —
реперных точках, которым присвоены определённые числовые значения, а также на
приборах и формулах, определяющих связь между температурой и показаниями этих
приборах, градуированных в указанных реперных точках. Ниже приведены названия
реперных точек и присвоенные им значения температур.

Реперная точка Обозначение Температура по МТШ-90,
°С

Тройная точка водорода — 259,43

Тройная точка кислорода — 218,789

Тройная точка воды TPW 0,01

Точка плавления галлия Ga 29,7646

Точка затвердевания индия In 156,5985

Точка затвердевания олова Sn 231,928

Точка затвердевания цинка Zn 419,527

Точка затвердевания алюминия Al 660,323

Точка затвердевания серебра Ag 961,3

Точка затвердевания золота Аu 1064,43

например, равновесие между твёрдой, жидкой и
парообразной фазами воды существуют при 0,01 °С, а точка кипения воды 100°С,
точка затвердения серебра 961,3 °С, а точка затвердения золота 1064,43 °С,
равновесие между твёрдой, жидкой и парообразной фазами равновесного водорода
(тройная точка) — при (-259,43 °С) и т.д. В соответствии с решением XVIII
Генеральной конференции по мерам и весам (1987) с 1990 введена новая
Международная температурная шкала (МТШ-90), в которой значения других реперных точек уточнены и
приближены к их истинным термодинамическим температурам; при этом °С меньше 0К
на 3·10-4.

Процессы плавления и затвердевания металлов
реализуются в специальных ячейках. Металл заплавляется в тигли, изготовленные
из графита высокой плотности и чистоты. Тигли помещаются в капсулы из пирекса
или кварца, заполненные инертным газом (обычно аргоном или гелием). При
изготовлении ячейки важно не допустить попадания кислорода и паров воды в
металл, обеспечить высокую чистоту инертного газа и всех, используемых при
заплавке металла материалов. Повышение точности реализации реперной точки
достигается применением ячеек открытого типа, в которых давление газа в капсуле
может регулироваться и поддерживаться равным 101325 Па в течение фазового
перехода. Для реализации точки плавления галлия используется ячейка из
фторопласта высокой чистоты.

Для осуществления плавления и затвердевания
металлов применяются печи и термостаты. Основное требование — обеспечение
равномерного температурного поля на длине тигля с металлом, что необходимо для
правильного формирования и продвижения границы двух фаз. При температурах выше 600
°С рекомендуется использовать печи с тепловыми трубами, при более низких
температурах могут использоваться печи с тремя нагревателями без тепловых труб.

Первичный эталон единицы температуры создан в
период с 1955 по 1971 в ВНИИМ им. Д. И. Менделеева и утвержден в качестве
государственного эталона 28 декабря 1972 г. Изменение состава эталона проходило
в 1992 г. В связи с введением новой международной температурной шкалы МТШ-90
состав эталона был изменен также в 1998 г.

Создание и совершенствование эталона единицы
температуры является основной научной работой термометрической лаборатории
ВНИИМ на протяжении всего периода существования лаборатории.

В период 1949 — 1960 г.г. с целью повышения
точности реализации практической температурной шкалы разработаны и исследованы
равноделенные ртутные стеклянные термометры с ценой деления 0,01 °С для
диапазона 0… 300 °С.

В 1950 — 1954 г.г проводились работы по
повышению точности воспроизведения и передачи единицы температуры в точке 0 °С.
вместо опорной точки таяния льда, применявшейся ранее, разработана, изготовлена
и исследована ампула тройной точки воды.

В 1955 — 1964 г.г. исследовалась возможность
повышения точности электрических измерений, применяемых в термометрии.
Разработаны герметизированные золото-хромовые меры электрического сопротивления
не кратные десяти, что исключило введение поправок на декады (сопротивления,
кратные 10 ом) потенциометра. В качестве электроизмерительной аппаратуры
применены специальные мосты (электрические).

В 1960 — 1970 г.г. для повышения точности
воспроизведения и передачи размера единицы температуры в диапазоне 400 — 1100
°С вместо платинородий — платиновых термопар разработаны высокотемпературные
платиновые термометры сопротивления.

В период с 1970 по 1977 г.г. с целью оснащения
территориальных органов Госстандарта в лаборатории были разработаны,
изготовлены и переданы для серийного производства термостатные установки с
водяным, масляным и оловянными теплоносителями. Термостаты были предназначены
для массовой поверки контактных термометров в диапазоне от 0 до 600 °С. В
1985-1990 г.г был разработан и выпущен в серийное Производство
автоматизированный комплекс для реализации реперных точек шкалы, включающий
новые печи с тремя нагревателями и систему управления режимом их работы САУРТ.
Такими печами начали оснащаться все региональные метрологические центры.

В 1990-1998 г.г. основным научным направлением
являлась разработка и исследование эталонных платиновых термометров
сопротивления. В зависимости от диапазона температур используются два типа
эталонных термометров: термометры для средних температур (ПТС) от 0 °С до
660,323 °С и высокотемпературные термометры (ВТС) от 660,323 до 961,78 °С. ВТС
отличаются от ПТС большим диаметром платиновой проволоки, меньшим номинальным
сопротивлением, что снижает эффект влияния чувствительного элемента изоляцией
каркаса при высоких температурах.

Были проведены Государственные приемочные
испытания эталонных термометров ПТС-10М и ВТС, разработаны методики их
применения и поверки, утверждены соответствующие стандарты. Ряд работ,
проведенных в 1990-1992 г.г. во ВНИИМ и НИСТ, подтвердил возможность применения
российских ВТС в диапазоне выше 961,78°С — установленного МТШ-90 предела для
платиновых термометров. Были исследованы и внедрены методики аппроксимации (продления)
шкалы до 1084 °С.

В последнее десятилетие постоянные работы
ведутся по совершенствованию эталона: настройке аппаратуры для реализации
реперных точек, подбору оптимальных температурных полей в печах и получению
длительных фазовых переходов, проведению ключевых международных сличений. В
1999-2001 гг. была создана система для откачки ампул ГПЭ, заполнения их аргоном
и точного регулирования давления в ампулах во время фазового перехода. В
2002-2006 гг. была проведена замена регуляторов температуры в эталонных печах
на современные цифровые регуляторы.

В ряде стран (напр., Австралия, Великобритания,
Канада, США) продолжают применять средства измерения температур, градуируемые в
°F (градус Фаренгейта) или °R(градус Реомюра).

Пересчёт температуры между основными шкалами

Т0К= Т0С + 273,15 = (Т0F
+459,67)/1,8 Т0F= Т0К · 1,8 — 459,67= Т0C·
1,8+32

Т0C= Т0К — 273,15 = (Т0F
— 32)/1,8

(любопытно отметить, что температура −40
°F соответствует температуре −40 °C). Шкала
Реомюра предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им
спиртовой термометр.

Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80
части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния
льда (0 °R) и кипения воды (80 °R); 1 °R = 1,25 °C.
В
настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во
Франции, на родине автора.

2. Термометры

На практике в настоящее время для измерения
температур наиболее широко используются следующие термометрические свойства:
тепловое расширение жидкостей, изменение электрического сопротивления металлов
и полупроводников с температурой, возникновение термоЭДС.

Термометры, приборы для измерения температуры
посредством контакта с исследуемой средой. Первые термометры. появились в конце
16- начале 17 вв. (например, термоскоп Галилея, 1597), сам термин
«термометры» введён в 1636 г. Действие термометров основано на
изменениях однозначно зависящих от температуры и легко поддающихся определению
разных физических свойств тел (геометрические размеры, давление в замкнутом
объеме, электрическое сопротивление, термоэдс, магнитная восприимчивость и
др.). Соответственно различают следующие наиболее распространенные типы
термометров: расширения, манометрические, сопротивления, термоэлектрические,
магнитные и др

термометры расширения построены по принципу
изменения объемов жидкостей (жидкостные термометры) или линейных размеров
твердых тел (деформационные термометры). Действие жидкостных термометров
основано на различиях коэффициентов теплового расширения рабочего, или
термометрического, вещества (ртуть, этанол, пентан, керосин, иные органические
жидкости) и материала оболочки, в которой оно находится (термометрическое
стекло либо кварц). Несмотря на большое разнообразие конструкций, эти
термометры относятся к одному из двух основных типов: палочные (рис. 1, а) и с
вложенной шкалой (рис. 1, б). особенно распространены ртутные стеклянные
термометры, подразделяемые на образцовые (1-го разряда — только палочные, 2-го
разряда — оба типа), лабораторные (оба типа), технические (только с вложенной
шкалой). Среди приборов, заполненных органическими жидкостями и используемых
лишь для измерения температур ниже (- 30 °С), чаще других применяют спиртовые
термометры. Все жидкостные термометры используют обычно для локальных измерений
температуры (от -200 до 600 °С) с точностью, определяемой ценой деления шкалы.
Для образцовых стеклянных термометров с узким диапазоном шкалы цена деления
может достигать 0,01 °С. Точность измерений зависит от глубины погружения
термометра в исследуемую среду: прибор следует погружать на глубину, при
которой проводилась его градуировка. достоинства этих термометров — простота
конструкции и высокая точность измерений. недостатки: невозможность регистрации
и передачи показаний на расстояние; зависимость показаний от изменения объемов
жидкости и резервуара, в котором она находится; тепловая инерционность;
невозможность ремонта. Область применения таких термометров приведена в таблице
1.

Разновидность жидкостных приборов
электроконтактные ртутные термометры, применяемые для регулирования температуры
или сигнализации о нарушении заданного температурного режима в пределах от — 30
до 300 °С. Платиновые контакты, впаянные в нижнюю часть капилляра, соединены с
медными проводниками, которые через реле включены в цепь электрического нагревателя,
либо сигнализации. В момент соединения контактов столбиком ртути замыкается
цепь реле, выключающего нагреватель или включающего сигнализацию.

Табл.1 Термометрические жидкости

Жидкость

возможные
пределы применения, °С

Средний
коэффициент объемного теплового расширения °К

нижний

верхний

действительный

видимый

Ртуть

-35

750

0,00018

0,00016

Толуол

-90

200
70

0,00109

0,00107

Этиловый
спирт

-80

70

0,00105

0,00103

Керосин

-60

300

0,00095

0,00093

Петролейный
эф.

25

0,00152

0,00150

Пентан

-200

20

0,00092

0,00090

Манометрические термометры. Их действие основано
на изменении давления ΔР рабочего
вещества, заключенного в емкость постоянного объема, при изменении его
температуры ∆t. По конструкции манометрические термометры всех типов практически
одинаковы и состоят из термобаллона, манометрической трубчатой пружины (одно-
или многовитковой, в виде сильфона) и соединяющего их капилляра (рис. 2). При
нагревании термобаллона, помещенного в зону измерения температуры, давление
вещества внутри замкнутой системы возрастает. Это увеличение давления
воспринимается пружиной, которая через передаточный механизм воздействует на
стрелку прибора. В зависимости от того, чем заполнены термобаллоны, различают
газовые, жидкостные и конденсационные термометры.

Рис. 1. Термометры расширения:

Рис.2. Манометрический термометр.
а-палочный; б-с вложенной шкалой. 1 — термобаллон; 2-капилляр; 3-трубчатая
пружина 4- держатель; 5-поводок; 6-сектор (4-6-передаточный механизм).

В газовых термометрах (обычно
постоянного объема) изменение температуры идеального газа пропорционально
изменению давления, под которым рабочее вещество (N2, He, Аг)
полностью заполняет термосистему прибора. В диапазоне измеряемых температур (от
— 120 до 600 °С) различия свойств идеальных и реальных газов учитываются при
градуировке термометров.

В основу работы жидкостных
термометров, термобаллоны которых полностью заполнены кремнийорганическими
жидкостями, положена линейная зависимость изменения ее объема от температуры,
что определяет равномерность шкал данных приборов. Пределы измерений от — 50 до
300 °С. В конденсационных (парожидкостных) термометрах измеряют давление
насыщенного пара над поверхностью низкокипящей жидкости (ацетон, метилхлорид и
др.), заполняющей термосистему на 2/3 ее объема. Изменение этого давления
непропорционально изменению температуры, поэтому такие приборы имеют
неравномерные шкалы. Пределы измерений от -25 до 300 °С.

Манометрические термометры надежны в
эксплуатации (хотя и отличаются запаздыванием показаний) и используются как
показывающие, самопишущие и контактные технологические приборы; при большой
длине капилляра (до 60 м) могут служить дистанционными термометрами.
Погрешность измерений примерно 1,5% от максимального значения шкалы при
нормальном давления. В случае отклонений от них возникают дополнительные
погрешности, которые определяются расчетом или компенсируются.

Термометры сопротивления. Измерение
(с высокой точностью) температуры основано на свойстве проводников (металлы и
сплавы) и полупроводников (например, оксиды некоторых металлов, легированные
монокристаллы кремния Si или германия Ge) изменять электрическое сопротивление
при изменении температуры. С её повышением для проводников сопротивление
увеличивается, для полупроводников — уменьшается. Количественно такая
зависимость выражается температурным коэффициентом электрического сопротивления
(ТКЭС, °С-1)· Эти термометры состоят из чувствительного элемента
(термоэлемента) и защитной арматуры. наиболее распространены термометры с
термоэлементами из чистых металлов, особенно Pt -платины — (ТКЭС = 3,9·10-3)
и Сu -меди-(4,26·10-3). Конструктивно чувствительный элемент
представляет собой металлическую проволоку, намотанную на жесткий каркас из
электроизолирующего материала (например, слюда, кварц) или свернутую в спираль,
которая герметично помещена в заполненные керамическим порошком каналы каркаса
(рис. 3).

Платиновые термометры применяют для
измерения температур в пределах от — 260 до 1100°С, медные — от — 200 до 200
°С. Платиновый либо медный чувствительный элемент, вставленный в гильзу (из
бронзы, латуни или нержавеющей стали), на конце которой имеются выводы (клеммы)
для присоединения к головке термометра, называют термометрической вставкой.
Последняя может входить в состав прибора либо использоваться отдельно как
датчик температуры.

Для измерения сопротивления
термометров используются мостовые схемы. простейшая из них — двухпроводная
(рис.4). Если сопротивления R1 и R2 одинаковы, то при
равенстве сопротивлений R3 и Rт (сопротивление
термометра) ток через гальванометр (регистрирующий прибор) равен нулю. При
нарушении равенства R3 = Rт в приборе появляется ток. При
нагревании (или охлаждении) термометра сопротивления меняется его сопротивление
и равновесие моста нарушается, в измерительном приборе (гальванометре)
появляется ток. Изменяя сопротивление R3, можно снова достичь
равновесия моста и, следовательно, определить новое высокой
чистоты меняется от температуры следующим образом: Rт= R0[1+AT
+ BT2 + CT3(T-100)] — для интервала температур -2000С
<Т< 00С здесь, Rт — сопротивление при T°C, R0 —
сопротивление при 0 °C, А, В и С константы.

В интервале температур 00 +
6500С зависимость сопротивления платины от температуры упрощается
Rт= R0[1+AT + BT2

Рис. 3. Платиновый термометр
сопротивления:
а
— общий вид; б — чувствительный элемент; 1 — металлический чехол; 2 —
термоэлемент; 3 — установочный штуцер; 4 — головка для присоединения к вторичному
прибору; 5 — слюдяной каркас; 6 — обмотка из платиновой проволоки; 7 — выводы

Рис.4 Мостовая двухпроводная схема.

Сопротивление при нуле градусов R0
и коэффициенты A, B и C определяют, измеряя сопротивление термометра
в реперных точках ( температура которых известна, см. стр.161). Для этого
термометр помещают в специальные термостаты, воспроизводящие температуру
реперных точек. после того, как коэффициенты определены, по приведенным выше
уравнениям можно рассчитать сопротивление при любой температуре. Составлены
подробные таблицы зависимости сопротивления платинового термометра от
температуры через 0,10С для широкого интервала температур. Это
позволяет найти температуру среды, куда помещён термометр сопротивления,
измерив его сопротивление.

Для изготовления платиновых
термометров сопротивления используют платину разной степени чистоты, а
следовательно и с разным температурным коэффициентом сопротивления. Поэтому их
различают, вводя номер градуировки: гр.20, гр.21, гр.22. Сопротивление R0
у них соответственно равно 10 ом, 46 ом и 100 ом. В таблицах зависимости Rт
от Т обязательно указывается номер градуировки. У медных термометров
сопротивления зависимость сопротивления от температуры имеет более простой вид:
Rт= R0[1+AT]. используют их в интервале температур (-500С
+ 1800С. Изготовляют двух типов: гр.23, R0=53 ом и гр.24,
R0=100 ом. Для нахождения R0 и коэффициента А достаточно
измерить сопротивление термометра в двух реперных точках. Медные термометры
проще в изготовлении, дешевле платиновых, но менее надёжны.

Технические термометры сопротивления
работают в комплекте с измеряющими электрическое сопротивление вторичными
приборами (например, автоматические уравновешенные мосты, логометры), шкалы
которых градуированы непосредственно в °С.

Равновесие моста обеспечивает
сложная электромеханическая схема с вращающейся шкалой, на которой нанесены
градусы.

Полупроводниковые термометры, или
терморезисторы (рис. 4), выпускают в виде стержней, трубок, дисков, шайб или
бусинок (размеры от нескольких мкм -микрон, тысячная доля миллиметра- до
нескольких см). Они обладают высоким ТКЭС [(3-4)·10-2 °С-1]
и соответственно большим начальным электрическим сопротивлением, что позволяет
снизить погрешность измерений.

Основные недостатки, ограничивающие
широкое внедрение данных приборов в термометрию- плохая воспроизводимость их
характеристик (исключается взаимозаменяемость) и сравнительно невысокая
максимальная рабочая температура (от — 60 до 180°С). Терморезисторы используют
для регистрации изменений температуры в системах теплового контроля, пожарной
сигнализации и др.

Рис. 4. Терморезисторы: а-стержневой
(1-эмалированный

Термоэлектрические термометры
состоят из термоэлектрического преобразователя и вторичного прибора.
Термоэлектрический преобразователь (ТЭП, термопара — устаревшее) — цепь из двух
(рис. 5, а) или нескольких соединенных между собой разнородных
электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже
полупроводников). Действие ТЭП основано на эффекте Зеебека: если контакты (как
правило, спаи) проводников, или термоэлектродов, находятся при разных
температурах, в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс), горячего«, или
рабочего (t), и «холодного», или свободного (t0),
контактов и природой материалов, из которых изготовлены термоэлектроды.
Проволочные термоэлектроды ТЭП помещают в стальной или керамический чехол,
подключая свободные концы к выводам с крышкой; изолируют один от другого по
всей длине от горячего спая керамическими изоляторами (рис. 5).

Рабочий спай изолируют от чехла
керамическим наконечником. Горячую часть ТЭП (со стороны рабочего спая)
погружают в объект измерения температуры. Стандартные ТЭП имеют различные
конструктивные исполнения и могут отличаться следующими признаками: способами
контакта с исследуемой средой — погружные и поверхностные, числом рабочих спаев
(одинарные, двойные); длиной погружаемой части и т. д. Для
измерений термоэдс ТЭП работают в комплекте с вторичными приборами
(миливольтметрами, потенциометрами и др.).

Рис. 5. Термоэлектрический
преобразователь: устройство; 1-рабочий спай; 2-изолятор; 3-чехол; 4-выводы

На сегодняшний день термопары получили
наибольшее распространение среди датчиков измерения температуры.

Использование термопар в большом
диапазоне температур более эффективно по сравнению с такими решениями, как
термопреобразователь сопротивления (ТПС), термистор, или интегральный датчик
температуры (ИДТ).

Рис. 6. Автоматический потенциометр

Термопары используются, например, в автомобилях
или бытовой технике. вдобавок, их надежность, стабильность и малое время
отклика делают термопары наилучшим выбором для многих видов оборудования.
однако и в применении термопар есть некоторые сложности, в первую очередь —
значительная нелинейность характеристик. К тому же, ТПС и ИДТ обычно обладают
лучшими характеристиками по чувствительности и точности, что важно для
прецизионных (точных) решений. Выходной сигнал термопары имеет очень малый
уровень и требует усиления или применения цифровых преобразователей высокой
разрядности для обработки сигнала. Но, несмотря на все перечисленные
недостатки, низкая стоимость, легкость применения и широкий температурный
диапазон до сих пор являются причинами популярности термоэлектрических
преобразователей. В труднодоступных
местах и сложных условиях окружающей среды там, где непосредственное наблюдение
с помощью обычных приборов невозможно там, где радиоволны или электромагнитные
помехи создают проблемы там, где существует чрезвычайно высокая температура
окружающей среды используют пирометры. Волоконно-оптическая система объективов
выдерживает окружающую температуру до 315 0С без охлаждения и до 540
0С с охлаждением там, где коррозийность, темнота, пары, дым и т.п.
препятствует использованию обычных систем. диапазон температур от 350 до 3000 0С.

Стационарные тепловизоры специально
предназначены для автоматического обнаружения температурных аномалий (областей
с высокой или низкой температурой) в диапазоне от -40С до 2000С.

Цифровой термометр DT-300.

температура тепловой
шкала термометр

Цифровой термометр DT-300 для измерения
температуры в труднодоступных местах. Брызгозащитное исполнение позволяет
использовать термометр во влажной среде или на открытом воздухе. Отличительные
особенности: быстрота измерений, функция удержания данных, память на минимальное
и максимальное значение. Дополнительным плюсом является возможность установки
температурного диапазона: если измеряемая величина выходит за его пределы, то
раздается звуковой сигнал. Измерительный щуп может крепиться на корпусе, длина
провода 90 см. Технические данные: температурный диапазон от -50°С до +300°С.
Цикл измерения 1 секунда. Разрешение 0,1°С. Точность ±1°С. Напряжение питания 3
В (2 батарейки типа ААА). Размер 137х72х25 мм. Длина щупа: 144 мм + 120 мм
(ручка).

ИК термометр IR-230.

ИК термометр IR-230 для бесконтактного измерения
температуры. Отличительными особенностями являются миниатюрные размеры, прочный
корпус и небольшая цена. Бесконтактный термометр имеет память
минимального/максимального значения, автоматическое удержание данных на
дисплее, функцию длительного измерения.

Технические данные: измеряемый диапазон от -35°С
до +230°С, разрешение 0,1°С, точность ±2% от измеряемой величины, цикл
измерений менее 1 сек, степень эмиссии 0,95 (не регулируется), оптическое
разрешение 1:1 (диаметр измеряемого пятна равен расстоянию до объекта), вес 25
грамм, размеры 40х75х20 мм. Питание от батарейки CR-2023 (входит в комплект
поставки).

Менее распространены акустические, магнитные и
некоторые иные термометры.

Существуют термометры специального назначения,
например гипсотермометры (для измерения атмосферного давления по температуре
кипящей жидкости), метеорологические (для измерений главным образом на
метеостанциях), глубоководные (для измерений температуры воды в водоемах на
различных глубинах).

Литература

1. Теплотехника — Баскаков А.П.
1991г.

. Теплотехника — Крутов В.И. 1986г.

. Теплотехника, теплогазоснабжение и
вентиляция — Тихомиров К.В. 1981г.57.

. Теплотехнические измерения и
приборы — Преображенский В.П.1978г.

Учебная работа. Измерение температур

Учебная работа. Измерение температуры с помощью ТЭП

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Измерение температуры с помощью ТЭП

Измерение
температуры с помощью ТЭП

Измерение температуры с помощью ТЭП основано на термоэлектрическом
эффекте, открытом Зеебеком в 1821 г., в соответствии с которым в замкнутой
цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический
ток, если хотя бы два места соединения проводников (спая) находятся при разной
температуре.

Цепь, состоящая из двух разнородных проводников (термоэлектродов),
называется термопарой (рис.1). Спай с постоянной температурой t0 называется холодным, а спай, измеряющий температуру t1, называется горячим. При размыкании такой цепи на её
концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС).

Рис.
1. Термопара

возникновение термоЭДС объясняется тем, что разные металлы обладают
различной работой выхода электронов, вследствие чего различаются и концентрации
свободных электронов — носителей заряда. В месте контакта проводников
наблюдается переход части электронов из одного металла в другой под действием
разности концентраций. При этом один из металлов приобретает объемный
положительный заряд, а другой — отрицательный. Это в свою очередь приводит к
возникновению электрического поля, препятствующего движению электронов в одном
направлении и способствующего движению в противоположном направлении.
Динамическому равновесию соответствует контактная ЭДС, зависящая от разности
концентраций свободных электронов (т.е. свойств термоэлектродов) и, в конечном
счёте, от температуры. Кроме того, при различии температур концов проводников в
них возникает диффузия электронов, также приводящая к возникновению разности
потенциалов на их концах. таким образом, два этих фактора являются слагаемыми
результирующей термоЭДС. Термоэлектрод (А), от которого в спае с меньшей температурой
течет ток к другому термоэлектроду, принято считать положительным, а другой (В)
— отрицательным.

Контактные термоЭДС при равных условиях (одинаковые температуры спаев)
равны по величине и направлены навстречу друг другу, т. е.:

(1)

Если температуры спаев отличаются друг от друга, то результирующая
термоЭДС контура равна сумме контактных термоЭДС с учетом направления обхода
контура:

(2)

или,
с учётом (1):

(3)

Выражение (3) представляет собой основное уравнение ТЭП, из которого
следует, что термоЭДС зависит от разности функций температур t1 и t0. Если обеспечить t0 = const,
то:

 и (4)

Как
правило, в качестве t0
принимают 0°С и по зависимости (4) путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может
быть найдена температура t1 в
объекте измерений. Если температура холодного спая t0 не равна 0, то необходимо вводить соответствующую
поправку.

В
общем случае любые два разнородных проводника могут использоваться в качестве
термоэлектродов, однако на практике используется ограниченное сочетание
сплавов, обладающих наилучшими метрологическими характеристиками. Ввиду
значительной нелинейности статической характеристики ТЭП, ее задают в виде
таблиц. В соответствии с ГОСТ 3044-84 выпускается шесть типов технических
термопар, характеристики которых приведены в табл. 1. Каждая из термопар имеет
свои преимущества и недостатки:

·  ТХК. Обладают
наибольшей чувствительностью и высокой термоэлектрической стабильностью при
температурах до 600°С.предназначены для работы в окислительных и инертных
средах. недостаток: высокая чувствительность к деформациям;

·        ТХА. обладают наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для
работы в окислительных и инертных средах;

·        ТПП. обладают хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе
при высоких температурах, и высокой надежностью при работе в вакууме.
предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах. недостаток
высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при
изготовлении, монтаже или эксплуатации;

·        ТВР. обладают возможностью длительного применения при температурах до 2200°С в
неокислительных средах и устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте.
недостаток — плохая воспроизводимость термоЭДС.

термоэлектрический термопара температура

Таблица 1

Тип

Условное обозначение

Еав(100,0), mV

Материал электрода

диапазон измерений, °С

положительного

отрицательного

от

до

ТМК

МК(М)

~4,0

Медь

Константан (55% Сu+45% Ni,Mn, Fe)

-200

100

ТХК

XK(L)

6,842

Хромель

Копель

-200

600

ТХА

ХА(К)

4,095

Хромель

Алюмель

0

1000

ТПП

ПП(s)

0,643

Платино-родий, (Рt — 10%)

Платина

0

1300

ТПР

ПР30/6(В)

0,431 (300,0)

Платино-родий
(Rd — 30%)

Платино-родий Rd6%

300

1600

ТВР

ВР5/20-1(А)

1,337

Вольфрам-рений, (Re — 5%)

Вольфрам-рений, (Re — 20%)

2200

Примечание. ориентировочный состав термоэлектродов: хромель (90,5% Ni + 9,5% Сг); алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al,Si,Mn,Co); копель (56% Сu + 44% Ni).

Пределы допускаемых отклонений термоЭДС от номинального значения могут
быть определены по формулам:

XK(L)0,20 + 0,5210-3(t — 300)300 10-3(t — 300)300 ПП(S)0,008 + 2,6910-5(t
— 300)300 ПР(В)0,009 + 3,1410-5(t
— 300)300 ВР(А)
0,08 + 3,810-5(t — 1000)1000

ТЭП
выпускаются следующих исполнений: погружные и поверхностные; обыкновенные,
водозащищенные, взрывобезопасные; малой, средней и большой инерционности.
Устройство промышленной термопары показано на рис. 2.

Рис. 2. конструкция
термопары

Термоэлектроды 1 изолируются друг от друга керамическими бусами 2 или
керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим
подсоединяются к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних
проводов. Термоэлектроды помещаются в защитный чехол 4. Чехол изготавливается
из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур — из керамики
или кварца. Длина монтажной части термопар изменяется от нескольких сантиметров
до 3 метров.

Измерение термоЭДС. Как видно из табл.1. термоЭДС очень мала, и измерить ее с
высокой точностью достаточно сложная задача. Поэтому используются
милливольтметры или потенциометры. Наиболее широкоприменяются компенсационные
потенциометры, принцип действия которых основан на уравновешивании
(компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения. Принципиальная
электрическая схема потенциометра показана на рис. 3.

Рис. 3. принципиальная электрическая схема потенциометра постоянного тока

В схеме можно выделить 3 контура:

I — контур рабочего тока,

II — измерительный контур,

III — контрольный контур.

Контур I состоит из
источника питания Eп, резистора регулировки рабочего тока
Rб, контрольного резистора Rк и реохорда Rр.

Рабочий ток Iр, протекающий в контуре I равен:

, (5)

где
Eп и  — напряжение и внутреннее сопротивление источника
питания.

Контур
II включает RK, нормальный элемент
Вестона(Eнэ) и нуль
прибор НП. нормальным элементом называют источник постоянного тока, имеющий
напряжение (1,0186-1,0193)В, которое, при условии, что ток потребления
кратковременный и не превышает 10 mA, может сохраняться в течение
нескольких лет.

Контур
III состоит из термопары, реохорда Rр и НП.

При
установке ключа в положение И электрическая схема состоит из двух контуров: Iи
II. Для измерительного контура II
на основании второго закона Кирхгофа можно записать:

или

, (6)

где
 — общее сопротивление ТЭП и присоединительных
проводов, — сопротивление нуль-прибора.

Из уравнения (6) получим:

.(7)

В
процессе измерений, изменяя сопротивление Rаб, добиваются состояния компенсации, при котором ток в
контуре IIравен нулю. При этом стрелка НП устанавливается в
нулевое положение. Тогда:

, (8)

т.е.
термоЭДС термопары E(t0,t1) определяется величиной падения напряжения на участке
сопротивления Rаб и не
зависит от сопротивлений НП и внешней цепи.

Связав
жестко ползун П со стрелкой, скользящей по шкале ШК, по её положению в момент
полной компенсации можно определить температуру, если шкала отградуирована в
градусах.

однако
для того, чтобы одно и тоже положение ползуна в момент полной компенсации точно
соответствовало одной и той же величине измеряемой термоЭДС, необходимо
обеспечить постоянство рабочего тока IР. Чтобы изменение напряжения источника ЕП (например,
вследствие разряда батареи) не вносило погрешность в измерения, предусмотрена
контрольная цепь, позволяющая периодически контролировать величину рабочего
тока и при необходимости подстраивать его. Для этого переключатель
устанавливают в положение К (контроль). Термопара отключается от схемы, а
нормальный элемент подключается так, что его напряжение сравнивается с падением
напряжения на контрольном сопротивлении RK.
Величина RK выбирается так, чтобы при протекании по нему
стандартного рабочего тока IР прибора,
соблюдалось равенство:

. (9)

Этому
равенству также соответствует отсутствие тока в цепи НП. Если равенство (9) не
выполняется, то, перемещая движок резистора Rб, изменяют величину рабочего тока до тех пор, пока
стрелка НП не установится на нуль.

учитывая
(8) и (9) можно записать:

(10)

При
равномерной намотке реохорда сопротивления его участков пропорциональны
соответствующим длинам и тогда:

(11)

Таким
образом, измерение термоЭДС сводится к измерению длины lаб участка реохорда, который проградуирован в единицах
температуры.

По
рассмотренной схеме работают неавтоматические потенциометры ПП — 63 и Р — 363,
имеющие классы точности 0,05 и 0,001 соответственно и использующиеся при
лабораторных и научных исследованиях.

Автоматический потенциометр КСП-4 работает в комплекте с
термоэлектрическими преобразователями или источниками постоянного напряжения, а
также телескопами радиационных пирометров суммарного излучения. Сопротивление
первичных преобразователей, включая сопротивление линии связи, не должно
превышать 200 Ом. прибор может быть одноканальным и многоканальным.
Принципиальная электрическая схема потенциометра приведена на рис. 4.

ТермоЭДСE(t, t0) сравнивается с напряжением в
измерительной диагонали неуравновешенного моста UK. Разность напряжений поступает на
усилитель, к выходу которого подключен реверсивный двигатель.

Рис. 4 Измерительная схема автоматического потенциометра КСП-4

Сф, Rф- фильтр для устранения наводок токов
промышленной частоты; Uп

стабилизированный источник питания 5В;RP — реохорд; R- шунт; Rn — подгоночное сопротивление; Ry — резистор для установки тока Ia; Rм — медное сопротивление для температурной коррекции; RK — резистор, который выбирается так,
чтобы падение напряжения на нём соответствовало ЭДС нормального элемента —
1,0186 В; RH и Rб служат для установки начала шкалы и тока I1.

На вход усилителя У поступает сигнал рассогласования

U=Е(t0,t1)Uк,

который усиливается и подается на реверсивный двигатель. Если это
напряжение не равно 0, то двигатель вращается, перемещая движок реохорда в
сторону уменьшения напряжения рассогласования. В состоянии равновесия:

. (12)

Температурная
коррекция действует следующим образом: при увеличении температуры окружающей
среды t0
уменьшится E(t, t0),
одновременно это приведёт к увеличению U(RM) и положение равновесия (в соответствии с (12)) не нарушится.

Приборы, регистрирующие диск-250,предназначены для измерения и
регистрации физической величины, преобразованной в сигналы термопар, ТС или
унифицированные сигналы. Приборы предназначены для применения в металлургии,
машиностроении, нефтедобывающей, перерабатывающей, химической, пищевой и других
отраслях промышленности.

Подключение ТС осуществляется по четырех— или трехпроводной схеме. При
этом сопротивление каждого провода, распределенное по длине линии связи, не
должно превышать 35Ом.

Приборы имеют внутреннюю компенсацию температуры холодного спая.
Суммарное сопротивление линии связи и внутреннего сопротивления термопары не
должно превышать 200 Ом.

Прибор осуществляет регистрацию результатов измерений на диаграммном
диске в полярных координатах. время прохождения узла записи от одного
предельного значения до другого не превышает 10 с.

Предел основной приведенной погрешности прибора, составляет ± 0,25%;

Прибор может осуществлять контроль выхода результатов измерений за
допустимые пределы, уставки. При выходе измеренного значения за заданные
пределы включается светодиод на крышке прибора и изменяется состояние реле.
Прибор имеет встроенный регулятор.


ЛИТЕРАТУРА

 

1. Волынский В.А. и др. Электротехника / Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников:
Учеб.пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 2007. — 528 с., ил.

. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. —
4-е изд., перераб. — М.: Энергоатомиздат, 2009. — 440 с., ил.

. основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов
/ В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред.
В.Г. Герасимова. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2006. — 336 с.,
ил.

. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.1.
электрические и магнитные цепи. — М.: Высшая шк. — 2006 г.

. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2.
Электромагнитные устройства и электрические машины. — М.: Высшая шк. — 2007 г.

Учебная работа. Измерение температуры с помощью ТЭП