Реферат: Методы и средства контактных электроизмерений температуры

/>

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Донской Государственный Технический Университет

кафедра «Метрология и управление качеством»

_______________________________________________________


Реферат на тему:

 

«Методы и средстваконтактных электроизмерений температур»


Выполнил

 

 

 

Проверил

 


г. Ростов-на-Дону

2002


Введение

Современная термодинамика определяет температуру каквеличину, выражающую состояние внутреннего движения равновесной макроскопическойсистемы и определяемую внутренней энергией и внешними параметрами системы.Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней поизменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесияблагодаря теплообмену с другими телами.

Каждому методуопределения температуры, в основе которого лежит зависимость между каким-либовнешним параметром системы и температурой, соответствует определеннаяпоследовательность значений параметра для каждого размера температуры,называемая температурной шкалой. Наиболее совершенной шкалой является термодинамическаятемпературная шкала (шкала Кельвина). Практическая ее реализация осуществляетсяс помощью Международной практической температурной шкалы (МПТШ), устанавливающейопределенное число фиксированных воспроизводимых реперных точек, соответствующихтемпературе фазового равновесия различных предельно чистых веществ.

Исходным эталономтемпературы является комплекс изготовленных в разных странах мира газовыхтермометров, по показаниям которых определяются численные значения реперныхточек по от­ношению к точке кипения химически чистой воды при давлении 101325Па, температура которой принята равной 100,00°С(373,15 К точно). Для практическоговоспроизведения и хранения МПТШ международным соглашением установлены единыечисловые значения реперных точек, которые с развитием техники время от вре­мениуточняются и корректируются. Последняя корректировка была произведена в 1968 г.Согласно МПТШ—68 установлены следующие реперные точки, соответствующие давлению101325 Па: точка кипения кислорода —182,97 °С (90,18 К), тройная точка воды(при давлении 610 Па) +0,01 °С (273,16 К), точка кипения воды +100,00 °С(373,15 К), точки затвердевания: олова +231,9681 °С (505,1181 К), цинка +419,58°С (692,73 К), серебра +961,93 °С (1235,08 К) и золота +1064,43 °С (1337,58 К).

Весь температурныйдиапазон перекрывается семью шкалами, для воспроизведения которых в зависимостиот области шкалы используются различные методы: от 1,5 до 4 К — измерениедавления паров гелия-4, от 4,2 до13,8 К — германиевые терморезисторы, от 13,8 до 273,16 К и от 273,16 до 903,89К— платиновые терморезисторы от 903,89 до 1337,58 К — термопары платинородий —платина, от 1337,58 до 2800 К — температурные лампы и от 2800 до 100 000 К —спектральные методы.

Огромный диапазонсуществующих температур (теоретически максимально возможное значениетемпературы составляет 1012 К) обусловил большое разнообразие методових измерения. Наиболее распространенные методы измерения температуры и областиих применения приведены в таблице 1.

/>

Таблица 1

Нас будут интересовать контактные методы и средства электроизмерениятемператур.

1. Общие сведения о термоэлектрических преобразователях1.1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.
 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Тепловым называетсяпреобразователь, принцип действиякоторого основан на тепловых процессах и естественной входной величинойкоторого является температура. К таким преобразователям относятся термопарыи терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением тепловогопреобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которогозаключается в том, что все тепло, поступающее к преобразователю, идет наповышение его теплосодержания QТС и, следовательно, если теплосодержаниепреобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатноесостояние), то количество поступающего в единицу времени тепла равно количествуотдаваемого тепла. Тепло, поступающее к преобразователю, является суммойколичества тепла Qэл, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, иколичества тепла Qто, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результатетеплообмена с окружающей средой.

Явлениетермоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем.Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) Аи В, соединив их между собой концами (рис. 1а), причемтемпературу Θ1 одного места соединения сделать отличной оттемпературы Θо другого, то в цепи появится э.д.с., называемаятермоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разностьфункций температур, мест соединения проводников:

EAB(Θ1,Θ0) = f(Θ1) ‑ f(Θ0).

Подобная цепь называется термоэлектрическимпреобразова. телем или иначе термопарой; проводники, составляющие термо­пару,— термоэлектродами, а места их соединения — спаями.

/>

Рис.1                                                                Рис. 2

При небольшом перепадетемператур между спаями термо-э. д. с. можно считать пропорциональной разноститемператур: EAB = SABΔΘ.

Опыт показывает, что у любой пары однородныхпроводников подчиняющихся закону Ома, величина термо‑э.д.с. зависиттолько от природы проводников и от температуры спаев и не зависит отраспределения температур между спаями.

Явлениетермоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект былоткрыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящуюиз двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрическийток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтьесвязана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и взависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.

Поглощаемая иливыделяемая тепловая мощность пропорцио­нальна силе тока, зависит от природыматериалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье πAB и равна qAB = πABI.

Во второй половине XIXв. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концаходнородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разностипотенциа­лов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохож­дениитока по проводнику, имеющему температурный градиент. Однако э.д.с. Томсона идополнительное тепло настолько малы, что в практических расчетах ими обычнопренебрегают.

На рис. 1бпоказана принципиальная схема термоэлектрического преобразователя, который взависимости от положения переключателя Кл может работать в режиме генератораэлектрической энергии (положение 1) и в режиме переноса тепла отисточника с температурой Θ к резервуару с температурой Θ0.

К.п.д.термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойствматериалов и для существующих материалов очень мал (при ΔΘ = 300° не превышаеη = 13%, а при ΔΘ = 100° значениеη = 5%), поэтому термоэлектрические генераторы исполь­зуются какгенераторы энергии лишь в специальных условиях. К.п.д. термоэлектрическогоподогревателя и холодильника также очень малы, и для охлаждения к.п.д. притемпературном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° — только 0,6%;однако, несмотря на столь низкие к.п.д., термоэлементы используются вхолодильных устройствах. В измерительной технике термопары получили широкоераспространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковыетермоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующиеэлектрический ток в тепловой поток и температуру.

Термопара с подключеннымк ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры, показана на рис.2.

Если один спай термопары,называемый рабочим, поместить в среду с температурой Θ1,подлежащей измерению, а температуру Θ2, других, нерабочих,спаев поддерживать постоянной, то f(Θ0) = const и

EAB(Θ1,Θ0) = f(Θ1) – C=  f1(Θ1).

независимоот того, каким образом произведено соединение термо­электродов (спайкой,сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной термопарыявляется температура Θ1ее рабочего спая, а выходной величиной — термо-э. д. с., которую термопараразвивает при строго постоянной температуре Θ2 нерабочего спая.

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 2приведены термо‑э.д.с., которые развиваются различными термоэлектродами впаре с платиной при температуре рабочего спая Θ1 = 100° С  и температуренерабочих спаев Θ2 = 0° С. Зависимость термо‑э.д.с. от температуры вшироком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзяраспространить на более высокие температуры.

 

Таблица 2

Материал

Термо

э.д.с., мВ

Материал

Термо

э.д.с., мВ

Кремний +44,8 Свинец +0,44 Сурьма +4,7 Олово +0,42 Хромель +2,4 Магний +0,42 Нихром +2,2 Алюминий +0,40 Железо +1,8 Графит +0,32 Сплав(90% Pt+10% Ir) +1,3 Уголь +0,30 Молибден +1,2 Ртуть 0,00 Кадмий +0,9 Палладий ‑0,57 Вольфрам +0,8 Никель ‑1,5 Манганин +0,76 Алюмель ‑1,7 Медь +0,76 Сплав (60%Au+30% Pd+10%Pt) ‑2,31 Золото +0,75 Константан ‑3,4 Цинк +0,75 Копель ‑4,5 Серебро +0,72 Пирит ‑12,1 Иридий +0,65 Молибденит ‑69 ÷ ‑104 Родий +0,64 Сплав (90% Pt+10% Rh) +0,64

При пользовании даннымитаблицы следует иметь в виду, что развиваемые термоэлектродами термо‑э.д.с.в значительной степени зависят от малейших примесей, механической обработки(наклеп) и термической обработки (закалка, отжиг).

/>При конструировании термопар, естественно,стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платинойположительную, а другой — отрицательную термо‑э.д.с. При этом необходимоучитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения взаданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т.д.).

Для повышения выходнойэ.д.с. используется несколько термопар, образующих термобатарею. На

    рис. 3              рис. 3показан чувствительный элемент радиационного пирометра. Рабочиеспаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодныеконцы — на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытом экраном.Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концовможно считать постоянной и равной комнатной.

1.2. УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДЫ,ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ, ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАР

Удлинительныетермоэлектроды. Свободные концытермопары лолжны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0°С (рис.4). Однако не всегда возможно сделать термоэлектроды термопары настолькодлинными и гибкими, чтобы свободные концы ее можно было разместить в достаточномудалении от рабочего спая (рис. 4). Кроме того, при использовании благородныхметаллов делать длинные термоэлектроды экономически невыгодно, поэтомуприходится использовать провода от другого материала. Соединительные провода AB1(рис. 4),идущие от зажимов в головке термопары до места нахождения нерабочих спаев ивыполняемые из дешевых материалов, называют удлинительными термоэлектродами.Чтобы при включении удлинительных термоэлектродов из материалов, отличных отматериалов основных термоэлектродов, не изменилась термо‑э.д.с. термопары,необходимо выполнить два условия. Первое — удлини­тельные термоэлектроды должныбыть термоэлектрически идентичны с основной термопарой, т. е. иметь ту же термо‑э.д.с.в диапазоне возможных тем-

                                                                                      Рис.4

пературместа сое­динения термоэлектрод-

овв головке термопары (примерно в диапазоне от 0 до 100° С). И второе—места присоединенияудлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопарыдолжны иметь одинаковую тем­пературу,

Для термопарыплатинородий — платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди исплава ТП, образующие тер­мопару, термоидентичную термопаре платинородий —платина в пределах до 150° С. Такие же удлинительные термоэлектроды сизмененными знаками полярности применяют для термопары вольфрам — молибден. Длятермопары хромель — алюмель удли­нительные термоэлектроды изготовляются из медии константана. Для термопары хромель — копель удлинительными являются ос­новныетермоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов.

Погрешность,обусловленная изменением температуры нерабо-ihx спаев термопары. Градуировка термопар осуществляется притемпературе нерабочих спаев, равной нулю. Если при практическом использованиитермоэлектрического пирометра температура нерабочих спаев будет отличаться от0° С на величину ΔΘ0, то необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра.

Однако следует иметь ввиду, что из-за нелинейной зависимости между э.д.с. термопары и температуройрабочего спая величина поправки к показаниям указателя ΔΘ, градуированногонепосредственно в градусах, не будет равна разности температур ΔΘ0свободных концов, что очевидно из рис. 5.

Величина поправкиΔΘ связана с разностью температур свободных концов через коэффициент k (ΔΘ = ΔΘ0∙k) называемый поправочным коэффициентом на температуру нерабочих концов.Величина k различна для каждого участка кривой, поэтому градуировочнуюкривую разделяют на участки по 100° С и для каждого участка определяют значениеk.

В качестве примераустройства для автоматического введения поправки на температуру нерабочих спаевна рис. 6 схематично показано устройство ти/>па КТ-08. В цепь термопары и милливольтметравключен мост, одним из плеч которого является терморезистор из медной илиникелевой проволоки, помещенный возле нерабочих спаев термопары (остальныеплечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре бц мост находитсяв равновесии и напряжение на его выходной диагонали />равно нулю. При повышении температуры нерабочихспаев сопротивление также увеличивается, мост выходит из равновесия и возникающее напряжениена выходной диаго­нали моста корректирует уменьшение термо‑э.д.с. термопары.Вследствие нелинейности термопар полной коррекции погрешности, обусловленнойизменением температуры нерабочих спаев, при помощи описываемого устройстваполучить не удается, однако величина остаточной погрешности не превышает 0,04мВ на 10 К.

Недостатком подобных устройствявляется необходимость в источнике тока для питания моста и появлениедополнительной погрешности, обусловленной изменением напряжения этогоисточника.

Погрешность,обусловленная изменением температуры линии, термопары и указателя. В термоэлектрических термометрах для измерениятермо‑э.д.с. применяют как обычные милливольтметры, так и низкоомныекомпенсаторы с ручным или автоматическим уравновешиванием на.предел измерениядо 100 мВ.

В тех случаях, когдатермо‑э.д.с. измеряется компенсатором, сопротивление цепи термо‑э.д.с.,как известно, роли не играет. В тех же случаях, когда термо‑э.д.с.измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность, обусловленнаяизменением сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо‑э.д.с.;поэтому необходимо стремиться к постоянному значению сопро­тивления проводов исамой термопары.

В отечественныхтермоэлектрических термометрах при их градуировке учитывается сопротивлениевнешней относительно милливольтметра цепи, т. е. проводов и термопары (Rпр + RТП),равное 5 Ом. Регулировка сопротивления этой внешней цепи осуществ­ляется припомощи добавочной катушки сопротивления из манганина непосредственно примонтаже прибора.

Паразитные термо‑э.д.с.возникают вследствие наличия неод-нородностей в материалах и по данным,приведенным в работе, могут составлять для различных материалов 10—100 мкВ. Вчастности, для платиновой проволоки при протяженности распреде­лениятемпературы 30 мм и температурном градиенте 30 К/мм величина паразитной термо‑э.д.с.составляет 10 мкВ.

1.3. РАЗНОВИДНОСТИ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ,ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОСНОВЫ РАСЧЕТА

Для измерениятемпературы применяют металлические и полу­проводниковые резисторы. Большинствохимически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентомсопротивления (ТКС), колеблющимся (в интервале 0—100° С) от 0,35 до 0,68 %/К.

Для измерения температур используются материалы,обладающие высокостабильной ТКС, линейной зависимостью сопротивления оттемпературы, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиямокружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Благодарясвоей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются такжевольфрамовые и никелевые.

Сопротивление платиновыхтерморезисторов в диапазоне температур от 0 до + 650° С выражается соотношениемRТ = R0 (1 + AΘ + BΘ2),где R0 сопротивление при 0° С; Θ — температура вградусах Цельсия. Для платиновой проволоки, применяемой в промышленныхтермометрах сопротивления, A = 3,96847∙10-121/К; В = — 5,847∙107 1/К2. В интервале от 0 до — 200° Сзависимость сопротивления платины от температуры имеет вид Rт = R0 [1 + AΘ + ВΘ2 + С (Θ — 100)3], где С = — 4,22∙10121/К3.

При расчетесопротивления медных проводников в диапазоне от — 50 до + 180° С можнопользоваться формулой RТ = R0 (1 + aΘ), где a = 4,26∙1031/К.

Если для медноготерморезистора требуется определить сопротивление RT2 (при температуре Θ2) по известномусопротивлению RT2(при температуре Θ1),то следует пользоваться формулой

/>

или более удобнымсоотношением

/>

гдеΘ = 1/a — постоянная, имеющая размерность температуры иравная Θ0 = 234,7° С (по физическому смыслу Θ0— это такое значение температуры, при которомсопротивление меди должно было бы стать равным нулю, если бы ее сопротивлениеуменьшалось все время по линейному закону, чего нет на самом деле).

В значительной степенисопротивление металлов зависит от их химической чистоты и термообработки. ТКСсплавов обычно меньше, чем у чистых металлов, и для некоторых сплавов можетбыть даже отрицательным в определенном температурном диапазоне.

Выбор металла длятерморезистора определяется в основном химической инертностью металла кизмеряемой среде в интересующем интервале температур. С этой точки зрениямедный преобразователь можно применять только до температур порядка 200° С ватмосфере, свободной от влажности и коррелирующих газов. При более высоких температурахмедь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивленияравен — 50° С хотя при введении индивидуальной градуировки возможно ихприменение вплоть до — 260° С.

Промышленные платиновыетермометры используются в диапазоне температур от —200 до +650° С, однако естьданные, свидетельствующие о возможности применения платиновых термометров дляизмерения температур от —264 до +1000° С.

Основным преимуществомникеля является его относительно высокое удельное сопротивление, но зависимостьего сопротивления от температуры линейна только для температур не выше 100° С.При условии хорошей изоляции от воздействия среды никелевые терморезисторыможно применять до 250—300° С. Для более высоких температур его ТКСнеоднозначен. Медные и никелевые терморезисторы выпускают из литого микропроводав стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы,вы-сокостабильны, малоинерционны и при малых габаритах могут иметь сопротивлениядо десятков килоом.

Высокий ТКС имеютвольфрам и тантал, но при температуре свыше 400° С они окисляются и применятьсяне могут. Для низкотемпературных измерений хорошо зарекомендовали себянекоторые фосфористые бронзы. Кроме того, для измерений низких температурнаходят применение индиевые, германиевые и угольные терморезисторы.

Некоторые характеристикиметаллов, используемых в терморезисторах, приведены в табл. 3.

Таблица 3:

Материал ТКС в диапазоне 0-100°С

Удельное сопротивление при 20 °С, Оm∙mm2/m

Температура плавления, °С Термо-э.д.с. в паре с медью (0-500 °С), мкВ/К Платина 0,0039 0,105 1773 7,5 Медь 0,00427 0,017 1083 о Никель 0,0069 0,08 1455 22,5 Вольфрам 0,0048 0,055 3410 0,5

Погрешности, возникающие при измерении температурытермометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начальногосопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющейтермометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током.

Термометры сопротивленияотносятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Так, например,платиновые теоморезисторы позволяют измерять температуру с погрешностью порядка0,001° С.

/>Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшимигабаритами и большими значениями ТКС.

ТКС полупроводниковыхтерморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорциональноквадрату абсолютной температуры: a = B/Θ2.При 20° С величина ТКС составляет 2—8 проц/К.

Температурнаязависимость сопротивления ПТР (рис. 7, кривая 2) достаточнохорошо описывается формулой RT = AeB/Θ, где Θ — абсолютная температура; А —коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В — коэффициент, имеющийразмерность температуры. На рис. рис. 7 для сравнения приведенатемпературная зависимость для медного терморезистора (кривая 1). Для каждогоконкретного ПТР коэффициенты А и В, как правило, постоянны, заисключением некоторых типов 1 ПТР (например, СТ 3-14), для последних Вможет принимать два разных значения в зависимости от диапазона измеряемыхтемператур.

Если для применяемогоПТР не известны коэффициенты А и В, но известны сопротивления RR2при Θ1и Θ2,то величину сопротивления и коэффициент В для любой другой температурыможно определить из соотношений

/>'

Конструктивнотерморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 8показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа ММТ-1и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эма­левойкраской с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов можетбыть использован лишь в сухих помещениях.,

Терморезисторы типовММТ-4 и КМТ-4 заключены в металли­ческие капсулы и герметизированы, благодаря чемуони могут быть использованы в условиях любой влажности и даже в жидкостях, иеявляющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.

Особый интереспредставляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерятьтемпературу малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а такжетемпературу, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 имеюткаплевидную форму. Чувствительный элемент в них герметизирован стеклом иснабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность. В терморезистореСТЗ-25 чувствительный элемент также помещен в стеклянную оболочку, диаметркоторой доведен до 0,5—0,3 мм. Терморезистор с помощью выводов прикреплен к траверсам.

/>

Рис. 8

 

В табл. 4 представленыосновные характеристики некоторых ПТР. В графе «номинальные сопротивления»приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений, нормируемых длябольшинства ПТР при 20° С. Исключение составляют ПТР типов

Таблица 4

Тип ПТР Номинальное сопротивление, кОм

Постоянная В,

K∙1012

Диапазон рабочих температур,

Коэффициент рассеяния, мВт/К

Постоянная времени (нe более), с

КМТ-1

.22—1000

36—72

От —60 до +180

5

85

ММТ-1

1—220

20,6—43

От —60 до +125

5

85

СТЗ-1

0,68—2,2

28,7—34

От —60 до +125

5

85

КМТ-4

22—1000

36—72

От —60 до +125

6

115

ММТ-4

1—220

20,6—43

От —60 до +125

6

115

ММТ-6

10—100

³20,6

От —60 до +125

1,7

35

СТЗ-6

6,8—8,2

20,5-24

От —90 до +125

1,6

35

КМТ-10

100—3300

³36

0—125

 

 

КМТ-1 Оа

100—3300

³36

0-125

1

75

КМТ-11

100—3300

³36

0—125

0,8

10

СТ4-2

2,1—3,0

34,7—36,3

36,3—41,2

От —60 до +125

36

 

СТ4-15

1,5-1,8

23,5—26,5

29,3—32,6

От -60 до +180

36

КМТ-17 (а, б)

0,33—22

36—60

От —60 до +155

2

30

КМТ-17в

0,33—22

36—60

От —60 до +100

2

30

СТ1-17

0,33—22

36—60

От —60 до +100

2

30

СТЗ-17

0,033—0,33

25,8—38,6

От —60 до +100

3

30

СТ4-17

1,5—2,2

32,6—36

От —80 до +100

2

30

КМТ-14

0,51—7500

41—70

От —10 до +300

0,8

60

СТЗ-14

1,5-2,2

26—33

27,5—36

От —60 до +125

1,1

4

СТ1-18

1,5—2200

40,5—90

От —60 до +300

0,2

1

СТЗ-18

0,68—3.3

22,5—32,5

От —90 до +125

0,18

1

СТ1-19

3,3—2200

42,3—72

От -60 до +300

0,6

3

СТЗ-19

2,2—15

29, 38, 5

От —90 до +125

0,5

3

СТЗ-25

3,3—4,5

26—32

От —100 до+125

0,08

0,4

КМТ-14, СТ1-18, СТ1-19,номинальные сопротивления которых нормируются для температуры 150° С. В графе«постоянная В» для некоторых типов ПТР приводятся два диапазонавозможных значений В, первая строчка при этом относится к низким температурам,а вторая — к высоким. Перелом характеристики для ПТР типа СТЗ-6 происходит при— 28° С, для СТ4-2 и СТ4-15 — при 0° С и Для СТЗ-14— при 5° С.

Точность измерениятемпературы с помощью ПТР может быть весьма высокой. В настоящее времяразработаны также ПТР для измерений низких и высоких температур. В частности,ПТР типа СТ7-1 может измерять температуру в диапазоне от — 110 до — 196° С. ВысокотемпературныйПТР типа СТ12-1 предназначен для применения при температурах 600-1000° С.

Недостаткамиполупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационныекачества, являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры (см.рис. 14-12) и значительный разброс от образца к образцу как номинальногозначения сопротивления, так и постоянной В. Согласно ГОСТ 10688—63допуск на величину номинального сопротивления может составлять ±20%. Допуск навеличину постоянной В не нормируется. Практически он достигает ±17% от номинального.

Нелинейностьхарактеристики и технологический разброс параметров терморезисторов затрудняетполучение линейных шкал термометров, построение многоканальных приборов,обеспечение взаимозаменяемости терморезисторов, необходимой при массовомпроизводстве термометров с терморезисторами. Чтобы улучшить вид шкалы и обеспечитьвзаимозаменяемость терморезисторов, приходится применять специальные унифицирующиеи линеаризующие цепи, как пассивные, так и активные.

Позисторы изготавливаются также из полупроводниковыхматериалов, но имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Длятемпературных зависимостей сопротивления позисторов характерно увеличениесопротивления при повышении температуры в определенном интервале температур.Ниже и выше этого интервала сопротивление с ростом температуры уменьшается.Положительные ТКС позисторов могут достигать величины порядка 30—50 проц/К,графики изменения их сопротивления в зависимости от температуры приведены на рис.9.

/>Возможно также создание других видов полупроводниковыхДатчиков температуры. В частности, для измерения температуры Можно применять датчикииз органических полупроводников и Датчики на основе открытых или запертых р— n-переходов. Например, при заданном токе напряжениена открытом р — п-переходе или на стабилитроне линейно изменяется стемпературой, чричем ТКС для открытого р — n-переходаотрицателен и составляет 2—3 мВ/К, а для стабилитрона положителен и достигает 8мВ/К.

Измерительные цепи. Отличия измерительных цепей для терморезисторовот обычных цепей омметров заключаются в более узком диапазоне измененияизмеряемого сопротивления и в необходимости учета сопротивлений проводов,соединяющих термометр сопротивления с измерительной цепью. Если используетсяпростейшая двухпроводная соединительная линия, то может возникнуть погрешностьот температурного изменения сопротивления этой линии. При применениивысокоомных термометров (например, полупроводниковых) эта погрешность можетбыть пренебрежимо мала, однако в большинстве практических случаев, когдаиспользуются стандартные термометры сопротивления, ее приходится принимать вовни­мание.

/>Если, например, сопротивление медной линии равно5 Ом и используется термометр с Ro = 53 Ом, то изменениетемпературы линии на 10° С приведет к изменению показаний прибора примерно наГС. Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соедини­тельной линиичасто применяют трехпроводную линию. При этом термометр подключают к мостовойцепи так, чтобы два провода линии вошли в разные плечи моста, а третий оказалсяподключен­ным последовательно с источником питания или указателем. На  рис.10, а показана схема моста, содержащего термометр сопротивления,присоединенный трехпроводной линией.

Исключить влияние сопротивленийсоединительной линии можно, используя четырехпроводное включениетерморезистора, как это показано на рис. 10 а, б, ивольтметр с большим входным сопротивлением для измерения падения напряжения UΘ = IRна терморезисторе. Ток через терморезистор должен быть задан, поэтому «итакой схеме включения терморезистор питают от стабилизатора тока. Возможнотакже построение мостовых цепей с четырехпроводным подключением термометра.

1.4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕРМОПАРЫ ИТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

Основные параметры термопарпромышленного типа:

Таблица 5

Обозначение термопары Обазначение градуировкит

Материалы
термоэлектродов

Пределы измерения при длительном применении, °СС Верхний предел измерения при кратковременном применении, °С от до ТПП ПП-1 Платинородий (10% родия)— платина —20 1300 1600 ТПР ПР-30/6 Платинородий (30% родия)— платинородий (6% родия) 300 1600 1800 ТХА ХА Хромель — алюмель —50 1000 1300 ТХК ХК Хромель — копель —50 600 800

Для измерения температурниже — 50° С могут найти применение специальные термопары, например медь —константан (до ~- 270° С), медь — копель (до — 200° С) и т. д. Для измерениятем­ператур выше 1300—1800° С изготавливаются термопары на основе тугоплавких металлов: иридий—ренийиридий (до 2100° С), вольфрам—рений (до 2500° С), на основекарбидов переходных металлов — титана, циркония, ниобия, талия, гафния(теоретически до 3000—3500° С), на основе углеродистых и графитовых волокон.

Градуировочныехарактеристики термопар основных типов приведены в табл. 6. В этой таблицеуказана температура рабочего спая Θ в градусах Цельсия и приведены величинытермо-э.д.с. соответствующих термопар в милливольтах при температуре свободных концов 0° С.

Таблица 6

Обозначение градуировки Температура рабочего спая в, °С

 

-50 —20 20 40 60 80 100 150 200

 

ХК —3,11 —1,27 1,31 2,66 4,05 5,48 6,95 10,69 14,66

 

ХА —1,86 —0,77 0,80 1,61 2,43 3,26 4,10 6,13 8,13

 

ПП-1 — — 0,112 0,234 0,364 0,500 0,643 1,026 1,436

 

Обозначение градуировки

Температура рабочего спая Θ, оС

 

300 400 500 600 8OO 1000 1200 1400 1600 1800 хк 22,9 31,49 40,16 49,02 — — — — — — ХА 12,2 16,40 20,65 24,91 33,32 41,26 48,87 — — — ПП-1 2,31 3,249 4,218 5,220 7,325 9,564 11,923 14,338 16,717 — ПР-30/6 — — — — — 4,913 6,902 9,109 11,471 13,927 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

Допускаются отклоненияреальных термо-э.д.с. от значений, приведенных в табл. 6, на величины,указанные в табл. 7.

Таблица 7

Обозначение градуировки Диапазон температур, °С Наибольшее допустимое от­клонение термо- э. д. с., мВ ПП-1 От —20 до +300 0,01 От +300 до +1600 0,01 +2,5∙10-5(Θ – 300) ПР-30/6 От +300 до +1800 0,01 +3,3∙10-6(Θ — 300) ХА От —50 до +300 0,16 От +300 до +1300

0,16+2,0. 10-4(Θ -300)

ХК От —50 до +300 0,20 От +300 до +800

0,20+6,0∙10-4(Θ-300)

Конструкция термопарыпромышленного типа показана на рис. 11. Это термопара с термоэлектродамииз неблагородных металлов, расположенными в составной защитной трубе сподвижным фланцем для ее крепления. Рабочий спай 1 термопары изоли­рованот трубы фарфоровым наконечником 2. Термоэлектроды изо­лированы бусами 4.Защитная труба состоит из рабочего 3 и нерабо­чего 6 участков.Передвижной фланец 5 крепится к трубе винтом. Головка термопары имеетлитой корпус 7 с крышкой 11, закрепленной винтами 10; В головкеукреплены фарфоровые колодки 8 (винтами 15) с «плавающими» (незакрепленными)зажимами 12, которые позволяют термоэлектродам удлиняться подвоздействием температуры без возникновения механических напряжений, веду­щих кбыстрому разрушению термоэлектродов. Термоэлектроды крепятся к этим зажимам винтами13, а соединительные провода — винтами 14. Эти провода проходятчерез штуцер 9 с асбестовым уплотнением.

/>Основным вопросом при конструировании термопарпромышлен­ного типа является выбор материала защитной трубы (арматуры) и изоляции.Защитная арматура термопары должна оградить ее от воздействия горячих,химически агрессивных газов, быстро разрушающих термопару. Поэтому арматурадолж­на быть газонепроницаемой, хорошо проводящей тепло, механически стойкой ижароупорной. Кроме того, при нагревании она не должна выделять газов или паров,вредных для тер­моэлектродов.

При температурах, непревышающих 600° С, обычно применяют стальные трубы без шва, при .                         Рис.11                                          более высоких температурах .                                                                            (до 1100° С)— защитные трубы из легированных сталей. Для уменьшения стоимости защитныхтруб их часто выполняют составными (сварными) из двух частей: рабочего участкатрубы из нержавеющей стали и нерабочего из обычной стали.

Для термопар изблагородных металлов часто применяют неметаллические трубы (кварцевые,фарфоровые и т. д.), однако такие трубы механически непрочны и дороги.Фарфоровые трубы над­лежащего состава можно использовать при температурах до1300— 1400°С.

Применяя защитные трубыиз карбида кремния и графита, необходимо учитывать, что при нагревании онивыделяют восстанавливающие газы; поэтому помещаемые в них термопары (особеннотермопары на платиновой основе) должны быть защищены дополнительногазонепроницаемым чехлом.

В качестве изоляциитермоэлектродов друг от друга применяют асбест до 300° С, кварцевые трубки илибусы до 1000° С, фарфоро­вые трубки или бусы до 1300—1400° С. Для лабораторныхтермопар, используемых при измерении низких температур, применяют такжетеплостойкую резину до 150° С, шелк до 100—120° С, эмаль до 150—200 °С.

 

Промышленныепроволочные терморезисторы (термометры сопротивления) выпускаются в России двух типов — платиновые(ТСП) и медные (ТСМ). Характеристики их точности приведены в табл. 8.

Таблица 8

Тип Диапазон температур. °С

Класс

ТОЧПОС1И

Формула для подсчета погреш­ности (в Кельвинах) ТСП От —200 до 0 От 0 до +650 I

+ (0,15+3,0∙103 |Θ|)

± (0,15+4,5∙103 Θ)

От —200 до 0 От 0 до +650 II

± (0,30 + 4,5∙10-3 |Θ|)
 ± (0,30+6∙10-3 Θ)

ТСМ От —50 до +180 II

± (0,30+3,5∙10-3|Θ|)

III

± (0,30 + 6,0∙10-3 |Θ|)

Конструктивнопромышленные термометры сопротивления вы­полняются в виде чувствительныхэлементов, помещаемых в защит­ные корпуса. Чувствительный элемент длятермометров ТСП пред­ставляет собой бифилярную платиновую спираль, укрепленнуюна слюдяном каркасе или в капиллярных керамических трубках, за­полненных дополнительнокерамическим порошком. Выводы для такого элемента обычно выполняются изсеребряной проволоки или ленты. Для термометров ТСМ чувствительный элемент изго­тавливаетсяв виде бифилярной или однопроводной катушки, намо­танной бескаркасно или на пластмассовомкаркасе.

Чувствительные элементытермометров, как правило, поме­щаются в тонкостенные металлические гильзы игерметизируются. Защитные корпуса термометров сопротивления обычно выполняютсятакими же, как и для термопар (см. рис. 14-17), — в виде защитной трубы срезьбовым штуцером и головкой, к зажимам которой терморезистор может бытьприсоединен двумя, тремя или че

тырьмявыводами для того, чтобы можно было осуществить его включение в цепь двух-,трех- или четырехпроводной линией. Платиновые термометры могут в одном корпусесодержать два терморезистора, выходные величины которых используются вразличных целях. Для специальных применений выпускаются также малогабаритныетермометры сопротивления.

По величинесопротивления при О°С (R0)промышленные плати­новые термометры изготавливаются трех типов: с R0= 10 Ом (обозначение градуировки — гр. 20), с R0= 46 Ом (гр. 21) и с R0= 100 Ом (гр. 22). Первые предназначены дляизмерения темпера­тур от 0 до + 650 °С, термометры же градуировок гр. 21 и гр.22 применяются для измерения температур от — 200 до + 500 °С. Медные термометрывыпускаются с R0= 53 Ом (гр. 23) и с R0 = 100Ом (гр. 24) и применяются для измерения температур от — 50 до + 180 °С.Градуировочные характеристики термометров приведены в табл. 9. В этой таблицеуказаны значения температуры Θ в градусах Цельсия и сопротивлениятермометров различных градуировок в омах. Для термометров градуировки гр. 20сопротивления при всех температурах в 10 раз меньше, чем для термометровградуировки гр. 22.

Таблица 9

Обозначениеградуирорки Температура Θ, °С /> -200 — 150 -100 -50 -20 20 40 60 80 /> гр. 21 7,95 17,85 27,44 36,80 42.34 16,00 49,64 53,26 58,86 60,43 /> гр. 22 17,28 38,80 59,65 80.00 9204 100,00 107,91 115,78 123,60 131,37 /> гр. 23 — — — 41,71 48,48 53,00 57,52 62,03 66,55 71,06 /> гр. 24 — — — 78.70 91,48 100.00 100,00 117,04 125,56 134,08 /> Обозначениеградуировки

Температура Θ,

/> /> 100 120 150 180 200 300 400 500 600 650 /> гр. 21 63,99 67,52 72.78 77,99 81,43 98,34 114,72 130,55 115,85 153,30 /> гр. 22 139,10 116.78 153,21 169.54 177 213,79 249,38 283,80 317,06 333.25 /> гр. 23 75,68 80,09 86,87 93,64 — — — — — — /> гр.24 142.60 151,12 163,90 176,68 — — — — — — /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

 

Инерционность термопар итермометров характеризуется их постоянной времени Т, определяемой как время,необходимое Для того, чтобы изменение выходной величины преобразователя,перенесенного из среды с температурой 30—35 °С в сосуд с интенсивноперемешиваемой водой с температурой 15—20 °С, достигло 63% от установившегосязначения перепада. Различают термопары и термометры сопротивления малоинерционные(Ттп < 40 с для термопары и Ттс < 9 сдля термометра), средней инерционности Ттп < 60 с, Ттc< 80 с), большой инерционности (Ттп < 3,5 мин, Ттc< 4 мин) и ненормированной инерционности.

2. Методы контактных электроизмеренийразличных диапазонов температур.2.1. МЕТОДЫ КОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРОИЗМЕРЕНИЙ
СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

К сверхнизким, или«гелиевым», температурам относятся температуры, получаемые с помощью жидкогогелия (температура кипения около 4 К). Специфика методов измерения температурограничивает этот диапазон значениями от 0 до 10 К.

Существующие методыконтактного измерения сверхнизких температур распространяются лишь на отдельныеучастки этого диапазона. Так, для измерения температур от 1 до 4 К используютсятерморезисторы из фосфористой бронзы с мелкими включениями свинца.Свинец при температуре около 4 К переходит в состояние сверхпроводимости, исопротивление терморезистора изменяется. Такие терморезисторы имеют максимальнуючувствительность при температурах от 1,5 до 4 К, но их показания зависят отвеличины рабочего тока, протекающего через терморезистор, и внешних магнитных полей.

Для измерения температур ниже 1 К используютсяметоды магнитной термометрии, основанные на зависимости объемной магнитнойвосприимчивости c ряда парамагнитныхсолей от абсолютной температуры Q,описываемой законом Кюри—Вейсса: c =С/(Q ‑ D), где С и D —постоянные, характерные для используемой соли.

Термометр,осуществленный по этому принципу, представляет собой катушку индуктивности,внутри которой в достаточно однородном поле размещен образец из меднокалиевыхили железоалю-миниевых квасцов. Катушка включается в мостовую цепь, и из­менениетемпературы, вызывающее изменение c. образца, приводит к изменению индуктивностикатушки, пропорциональному измеряемой температуре.

Для измерениятемпературы выше 4 К используются термошумовые термометры.Область их применения простирается до 1300 К, и поэтому они описаны в следующемпараграфе.

Основной трудностью при измерениях в областисверхнизких температур, кроме осуществления теплового контакта термометра иобъекта измерения, являются методы градуировки используемой аппаратуры.

В диапазоне температурот 1 до 4 К базовым прибором для воспроизведения температурной шкалы являетсягелиевый газовый термометр. Примером такого термометра может служить прибор,созданный во ВНИИФТРИ и имеющий строго постоянный объем, давление в котором,изменяющееся линейно с температурой, измеряется точным мембранным манометром.Кроме того, в диапазоне температур от 1 до 5 К используются конденсационныетермометры в основе которых лежит хорошо изученная зависимость давлениянасыщенных паров жидких газов от температуры. Точность, достигаемая приизмерениях температуры с помощью конденсационных термометров, весьма велика.Так, при использовании жидкого гелия погрешность измерения не превышает 0,002К.

Осуществлениеградуировки термометров в диапазоне температур от 4 до 10 К производитсяинтерполяцией показаний платинового термометра, для чего используются угольныетерморезисторы изготовленные из специально обработанного каменного угля.Используя эмпирические зависимости сопротивления от температуры в области выше14 К и ниже 4 К и производя интерполяцию внутри этого диапазона температур,получают выражения, описывающие • температурную зависимость сопротивленияугольных термометров для температур от 1 до 14 К, которая обеспечиваетопределение температуры с погрешностью, не превышающей ±:0,1К. При этом следуетиметь в виду, что угольным терморезисторам свойственна сильная нестабильность,поэтому градуировку производят перед каждым измерением.

Для измерениясверхнизких температур от 4 до 14 К также применяются германиевыетерморезисторы.

2.2. МЕТОДЫ КОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРОИЗМЕРЕНИЙ
НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Термин «низкиетемпературы» не имеет строго установленного значения. Обычно в понятие «низкие»включают область температур от 10 до 800 К. Для измерения таких температуриспользуются металлические и полупроводниковые терморезисторы, термопары илитермобатареи, описание принципов действия, электрических схем и погрешностейкоторых было дано в п. 1.

Достаточно точноеизмерение температур в диапазоне от 4 до 1300 К может быть основано назависимости шумового напряжения на резисторе Rот температуры Q Средний квадрат напряжения шума по формулеНайквиста />, где = 1,38∙10-23Дж/К — постоянная Больцмана; Df —полоса воспринимаемых частот. Практическаяреализация метода заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, одиниз которых находится при известной, а другой — при измеряемой температуре.Сравнение шумов резисторов осуществляется двумя методами: либо по величине шумовогонапряжения (усиленного и выпрямленного), если уровень шумов достаточно высок,что соответствует температуре выше 500 К, либо по числу шумовых импульсов — дляболее низких гемператур.

В первом случае датчиктермометра выполняется из платиновой проволоки диаметром 2,5 мкм с платиновымэкраном толщиной 50 мкм в кварцевой оболочке. Использование такого термометрапозволяет производить достаточно точные измерения температуры (погрешностьизмерения Q = 1000 К составляет 1%). Во втором случаедатчиком служит резистор типа УЛИ, МЛТ или БЛП, так как для увеличения уровняшума собственная емкость датчика должна быть минимальной, ибо она ограничиваетчастотную полосу шума Df.В практических конструкциях ее величина не превышает 3 пФ.

На рис. 12приведена структурная схема импульсного термо-шумового термометра. Шумовоенапряжение на резисторе Rx, находящемся при температуре Qх, включенном во входную цепь предусилителя ПУ,пропускается через полосовой фильтр Ф, усиливается до уровня 10 В иподается через дискриминатор Д на частотомер, измеряющий число шумовыхимпульсов. Шумовое напряжение от второго резистора Ro, находящегося при известной температуре

/>

Рис. 12

Θ0, подается на ту же измерительную цепь(поочередно с напряже­нием от датчика). Переключение каналов производитсяключами Кл1 и К.л2 через 25 с. Если значения сопротивленийрезисторов подобраны таким образом, что R0Θ0 ≈ RхΘх, то показания /> счетчиковСч1 и Сч2 частотомера при работе обоих каналов будут близкими иизмеряемую температуру можно найти как Θx =  (Ro/Rx) Θо+ δ, где δ = k (/>).

Термометрыядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) основаны на взаимодействии градиента электрического полякристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра,вызванного отклонением распределения заряда ядра от сфе­рической симметрии. Этовзаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой называетсячастотой ЯКР, зависит от градиента электрического поля решетки и для различныхвеществ имеет зна­чения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрическогополя решетки зависит от температуры, и с повышением температуры Θ частота ЯКР понижается.

Датчик ЯКР-термометрапредставляет собой ампулу с веществом, помещенную внутрь катушки индуктивности,включенной в контур LC-генератора. При совпадении частоты генератора счастотой ЯКР происходит поглощение энергии от LC-генератора.Для периодического поглощения энергии электромагнитное поле модулируется напряжениемнизкой частоты. Полученные на контуре генератора периодические изменениянапряжения подаются на указатель резонанса и служат сигналом к отсчету частотыгенератора частотомером. В качестве термометрического вещества ЯКР используетсягранулированный КСIO3,очищенный двойной рекристаллизацией, а частота ЯКРСl35 при 20 °С составляет 28213324 ± 10 Гц.Ширина сигнала ЯКР (полоса частот, в которой происходит поглощение энергии)порядка 500 Гц. Погрешность измерения температуры 10 К составляет ±0,02 К, апри 300 К равна ±0,002 К. Чувствительность в районе 300 К равна 4,8 кГц/К.Зависимость сигнала ЯКР от внешних магнитных полей требует экранировки датчика(магнитное поле Земли вызывает расширение резонансного сигнала на 200 Гц).

ДостоинствомЯКР-термометра является его не ограниченная во времени стабильность, так какзависимость частоты от темпе­ратуры определяется только молекулярнымисвойствами вещества и остается неизменной для всех образцов данного химическогове­щества. Недостаток ЯКР-термометров — резкая нелинейность их характеристики,исключающая возможность прямого цифрового отсчета температуры.

Электроакустическийчастотно-цифровой термометроснован на зависимости скорости распространения звука в газах от ихтемпературы. Датчик электроакустического термометра состоит из ци­линдрическогорезонатора, в котором возбуждаются продольные акустические колебания.Собственная частота трубчатого полуволнового резонатора длиной l с учетом γ = сp/сv и ви-риального коэффициента В,учитывающего отклонение свойств реального газа от свойств идеального, равна

/>                                              (2.1)

где= 8,314 Дж/(К-моль) — универсальная газовая постоянная; Θ —измеряемая температура; Р — давление; М — молекулярная масса газа.

Конструкция датчикачастотно-цифрового акустического термо­метра, разработанного в ЛПИ им. М. И.Калинина, приведена на рис. 13. В полости резонатора l электростатическим возбудителем 2 возбуждаются продольные акустическиеколебания, которые принимаются аналогичным по конструкции приемником 4.Использование электростатических преобразователей позволяет создать конструкцииприемника и возбудителя, работоспособные как при низких (—100 °С), так и привысоких (+400 °С) температурах, обладающие равномерной характеристикойчувствительности в диа­пазонах частот акустических колебаний от 5 до 15 кГц.Мембраны 3 и 5 соответственно возбудителя 2 и приемника 4толщиной 4 мкм выполнены из никеля методом электрохимического напыления и имеютсобственную частоту около 30 кГц.

Вывод от электродаприемника акустических колебаний окружен эквипотенциальным экраном, потенциалкоторого специальным электронным устройством непрерывно поддерживается равнымпо­тенциалу вывода (см. рис. 12-12). Резонатор включен в цепь положительнойобратной связи усилителя, образуя генератор, частота которого определяетсяизмеряемой температурой согласно формуле (23-1). При 20 °С она равна 10 кГц, апри измерении температуры изменяется на 1,8% на 10 К.

/>

Рис. 13

Для обеспечения непосредственного цифрового отсчетаизмеряемой температуры в Кельвинах устройство цифрового отсчета работает в дватакта и осуществляет линеаризацию функции преобразования в виде полинома второйстепени:

/>

гдеT1 — длительность первого такта измерения; fo опорная образцовая частота; NN1 постоянные числа,вводимые в изме­рительное устройство. Выбор значения и знака этих постоянныхпозволяет изменять соотношение между членами, пропорциональ­ными Θ и />, чем достигается устранениенелинейности шкалы прибора, вызываемой неравенством нуля вириального коэффициентаВ в выражении (2.1) и другими причинами. Погрешность термометра составляет0,05 К и менее.

Термометры с кварцевымирезонаторами используются для измерения температур от 10 до 500 К, но наиболеевысокую точность обеспечивают в области от 193 до 473 К (от —80 до +200 °С). Ихпринцип действия основан на зависимости от температуры Θмодуля упругости, а следовательно, и собственной частоты кварцевых пластин,описываемой соотношением

/>

гдеN — постоянная; h —толщина кварцевой пластины; а, Ь и с — коэффициенты, зависящие отазимута и широты среза. Так, в тонких кварцевых пластинах (при h == 0,2мм), вырезанных перпен­дикулярно оси Yи возбуждаемых сдвигом по толщине, а = 92,5∙10-8 1 /К, b = 57,5∙10-6 1/К2, с = 5,8∙10-121/К3, N = 1950кГц мм, а термочувствительность составляет 1000 Гц/К.

Для линеаризациитемпературной зависимости (т. е. получения b = с = 0) используется двойной поворот Y — среза (широта 11,166°, азимут 9,39°), однако практически удается лишьснизить b и с до значений = 6∙10-111/К2 и c = 2,4∙10-131/К3 при а = 35,4 1/К. Собственная частота при = 0,1 мм получается равной 28,203 МГц, атермочувствительность 1000 Гц/К.

Датчик кварцевоготермометра представляет собой кристаллический резонатор, выполненный в видетонкого диска или линзы, помещенный в герметизирующий кожух, заполненный длялучшей теплопроводности гелием при давлении 0,1 мм рт. ст. (диаметр кожуха 7—10мм). В центральной части линзы или диска нанесены золотые электродывозбуждения, а держатели (выводы) располагаются на периферии.

Точность ивоспроизводимость показаний определяются главным образом изменением частоты идобротностью резонатора, понижаю­щейся при эксплуатации вследствие развитиямикротрещин от периодического нагрева и охлаждения.

Измеряемая схемакварцевого термометра состоит из датчика, включенного в цепь положительной обратнойсвязи усилителя, и частотомера. При добротности датчика до 3∙106погрешность измерения температуры равна 10‑3 К. Существеннымнедостатком кварцевых термометров является их инерционность, составляющаянесколько секунд, и нестабильность работы при Θ> 100 °С из-за возрастающей невоспроизводимости (более 10-7).

2.3. МЕТОДЫ КОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРОИЗМЕРЕНИЙ
СРЕДНИХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОПАР

Средними в термометриисчитаются температуры от 500 (начало свечения) до 1600 °С (белое каление), авысокими— от 1600 до 2500°С, до которых удается распространитьтермоэлектрический метод с использованием высокотемпературных, жаростойких материалов.

/>Принцип термоэлектрического метода и основныесвойства термоэлектродов были рассмотрены выше вп. 1. Основным вопросом при использовании этого методадля измерения средних и высоких температур является защита термоэлектродов отразрушающего химического и термического воздействия среды. Для этого термопарыснабжаются защитной арматурой в виде чехлов, трубок или колпачков из огнеупорныхматериалов. Главное требование к защитной оболочке — высокая плотность строенияи температурная стойкость. При измерении температур ниже 1300 °С используютсяфарфоровые чехлы, при более высоких температурах — колпачки из тугоплавкихматериалов (такие, как корунд, окиси алюминия, бериллия или тория), заполненныеинертным газом.

Зависимость срока службытермопар от пористости защитной оболочки (вещества) Пв показана на рис.14.

При измерениитемпературы поверхности тел особенную трудность составляет контакт рабочегоспая термопары с поверхностью нагретого тела. Для улучшения контактаиспользуются термопары, рабочий спай которых выполнен в виде ленты илипластины. Такая конфигурация рабочего спая при деформации позволяетвоспроизводить поверхность объекта измерения.                                                                Рис.14

Для-измерения температур до 2000—2500 °Сиспользуются вольфрамовые или иридиевые термопары. Особенностью их примененияявляется измерение в вакууме, в инертной или восстановительной средах, так какна вэздухе они окисляются. Чувствительность воль-фрамо-молибденовой термопары составляет7 мкВ/К, а вольфрамо-рениевой 13 мкВ/К.

В условиях высокихтемператур применяются термопары из огнеупорных материалов (пары карбид титана— графит, карбид циркония — борид циркония и ди-силицид молибдена — дисилицидвольфрама). В таких термопарах внутри цилиндрического электрода (диаметр около15 мм) имеется второй электрод—стержень, соединенный с первым электродом наодном конце трубки. Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает70 мкВ/К, однако их применение ограничено инертными и восстановительными средами.

Для измерениятемпературы расплавленного металла термопарами из благородных металловиспользуется метод, заключающийся в погружении термопары в металл на время,безопасное для ее работоспособности. При этом термопара на короткое время(0,4—0,6 с) погружается в контролируемую среду, и измеряется скоростьнарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагреватермопары (ее тепловую инерционность) и температурной среды, можно рассчитатьзначение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерениятемпературы расплавленного металла (2000—2500 °С) и газового потока (1800 °С).


Списокиспользованной литературы

1)   Электрическиеизмерения неэлектрических величин. Под ред. Новицкого. Изд. 6-е, перераб. идоп. Л.:»Энергия»,1983.

2)   Материалы сети InteNet (о современном состоянии дел в данной области).

еще рефераты
Еще работы по физике