Датчики физических величин

Сигнал на выходе датчика должен быть электрическим. 3 Технические параметры датчика 3.1 Диапазон измерений........................500 - 2500°С 3.2 Общая приведённая погрешность измерений.............5% 3.3 Диапазон рабочих температур...............500 - 2500°С 3.4 Размеры датчика, не более..............10 х 10 х 30 мм 3.5 Дополнительных условий нет. 5 1 Температура как физическая величина 1.1 Понятие температуры.

Первоначальные представления о степени нагретости тел мы получаем из непосредственного чувственного опыта.

Дотрагиваясь до нескольких тел, мы можем сказать, какое из них теплее, а какое - холоднее.

Соответственно этому мы скажем, что первое из тел имеет более высокую температуру, чем второе.

Однако возможности нашего непосредственного восприятия весьма ограничены. Для определения температуры тел в большом диапазоне её изменения, а также для точного количественного суждения о ней, необходимо прибегать не к непосредственному ощущению, а к приборам.

Рассмотрим две какие-либо системы, состоящие из большого числа молекул.

Приведём их в соприкосновение таким образом, чтобы они химически не реагировали друг с другом, чтобы не происходило переноса вещества из одной системы в другую, чтобы одна система не могла расшириться за счёт другой, и вообще, чтобы они не могли обмениваться механической энергией макроскопических движений. Для этого в большинстве случаев обе системы необходимо разделить тонкой, но непроницаемой стенкой. При этом ещё остаётся возможным переход энергии микроскопических, хаотических движений молекул, составляющих эти системы.

Другими словами, остаётся возможным обмен внутренней энергией соприкасающихся систем. Такой обмен может происходить либо при непосредственном соприкосновении, либо через стенку, отделяющую системы одну от другой.

Суммарную энергию, отданную таким путём одним телом другому, мы будем называть количеством переданной теплоты.

Соприкосновение тел, при котором возможна лишь передача тепла от одного тела к другому, будем называть тепловым контактом этих тел. При передаче тепла от одного тела к другому будет изменяться энергия хаотического теплового движения молекул в обоих телах, что приведёт к изменению ряда физических характеристик этих систем, связанных с тепловым движением. Так, например, для идеального газа, заключённого в сосуде постоянного объёма, с ростом энергии молекулярного движения будет увеличиваться давление (1), а также и его температура. pV = 2/3 · E пост (1) где: p - давление газа, V - объём газа, E постсуммарная кинетическая энергия всех молекул газа. 6 Мы говорим, что две системы имеют равные температуры, если при тепловом контакте их состояния не меняются. Если же температуры обеих систем различны, то при их соприкосновении будет происходить передача тепла от более нагретого тела к более холодному, и состояния систем будут меняться до тех пор, пока между ними не установится тепловое равновесие. С этого момента температуры обеих систем станут равными. Если два тела порознь находятся в тепловом равновесии с третьим, то они будут находится в тепловом равновесии и при непосредственном соприкосновении друг с другом. В этом случае температуры обоих тел одинаковы и равны температуре тела, с которым производится сравнение и которое мы будем называть термометром. Как уже указывалось, температура есть количественная мера энергии хаотического молекулярного движения в телах. С возрастанием энергии этого хаотического движения увеличивается и температура.

Поскольку изменение энергии теплового движения молекул всегда приводит к изменению целого ряда других физических характеристик системы, то по численным значениям этих характеристик можно судить о температуре и устанавливать соответствующие шкалы.

Вообще, температура тела или системы представляет собой отражение их термического состояния. Это мера кинетической энергии, обусловленной тепловым движением молекул тела или системы, т.е. потенциалом теплового потока. Тепло есть энергия, обусловленная разностью температур между телом или системой и окружающей средой. Тепло может передаваться от одного тела или системы к другому (или нескольким) следующими способами : а) теплопроводностью - диффузией через среду, б) конвекцией - движением среды, в) излучением - с помощью электромагнитных волн. Теплоёмкость - это количество тепла, необходимого для повышения температуры тела или системы на один градус.

Удельная теплоёмкость - это отношение теплоёмкости к массе.

Термическое сопротивление является мерой способности тела препятствовать прохождению через него теплового потока.

Тепловое равновесие представляет собой состояние между телом или системой и окружающей средой, когда между ними нет переноса тепла.

Точкой кипения называется температура, при которой наступает равновесие между жидким и параобразным состоянием вещества.

Точкой замерзания называется температура равновесия между твёрдой и жидкой фазами вещества. 7 1.2 Температурные шкалы Температурная шкала Цельсия, при которой измерения проводятся в градусах Цельсия, это лишь одна из нескольких используемых температурных шкал. Она первоначально определялась точками замерзания и кипения воды.

Термодинамическая шкала согласно Международной системе единиц имеет несколько трудновоспроизводимых точек. Во-первых, абсолютный нуль ( 0 К - заметим, что температура в термодинамической шкале выражается в градусах Кельвина, которые записываются без указаний знака градуса), представляющий собой теоретический минимум температуры для любого вещества и, во-вторых, тройную точку воды (273,16 К). Последняя соответствует температуре равновесия, в которой существуют одновременно вода, лёд и пар. В термодинамической шкале нуль градусов Цельсия воспроизводится при стандартном давлении 273,16 К. Использование 100 дискретных шагов температуры между точками кипения и замерзания воды при стандартном атмосферном давлении в шкале Цельсия является совершенно произвольным. Столь же произвольно применяются 180 дискретных шагов по шкале Фаренгейта.

Конечно, наличие 100 шагов в температурной шкале Цельсия делает её децимальной и способствует её международному признанию наряду с термодинамической шкалой. МПТШ, рекомендованная Международным комитетом мер и весов в 1983 г. базируется на определённых значениях температур совокупности равновесных состояний и стандартной аппаратуре, калиброванной на этих значениях.

Применение температур состояний равновесия и стандартной аппаратуры в МПТШ гарантирует, что расхождение в измерениях температуру, обусловленное разными типами измерительных приборов, может быть сведено к минимуму. В интервалах между опорными точками точность измерений сохраняется за счёт использования уравнений интерполяции. В таблице 1.1 перечислены 11 основных фиксированных точек МПТШ и указаны измерительные приборы, необходимые для воспроизведения температур в этих точках. 8 Таблица 1.1 Основные фиксированные точки МПТШ, значения температуры в них и используемые для этого измерительные средства.

Название Темпераизмерительные средства тура, К Точка затвердевания золота. 1337,58 Оптический пирометр Точка затвердевания серебра 1235,08 Термопара Точка затвердевания цинка.. 692,73 - Точка кипения воды......... 373,15 - Тройная точка воды......... 273,16 - Точка кипения кислорода.... 90,188 - Тройная точка кислорода.... 54,361 - Точка кипния неона......... 27,102 Платиновый термометр Точка кипения равновесного сопротивления водорода................... 20,28 - Равновесие между жидкой и газовой фазами равновесного водорода при давлении в 33330,6 Па................. 17,042 - Тройная точка равновесного водорода................... 13,81 - 1.3 Методы измерения температур Существует несколько способов измерения температуры. Их можно разделить на две основных группы : а) неэлектрические методы измерения температуры, б) электрические методы измерения температуры. В последующих главах будут рассмотрены как электрические так и неэлектрические методы измерения температур. 1.3.1 Жидкостные термометры Простейшими термометрами являются жидкостные. На рисунке 1.1 изображён ртутный термометр, состоящий из небольшого резервуара с ртутью, оканчивающегося тонким капилляром. 9 100 t h 100 h t 0 Рисунок 1.1 Ртутный термометр При нагревании ртуть расширяется и её уровень в капилляре поднимается. Шкала и начало отсчёта могут быть выбраны произвольно.

Применяя шкалу Цельсия разделим высоту капилляра на 100 равных частей, можно определить температуру в градусах Цельсия по отношению высоты поднятия ртути в капилляре к интервалу между двумя основными постоянными точками по формуле (2). t = h t / h 100 · 100°C (2) где: t - искомая температура, h t - высота поднятия ртути, h 100 - высота капилляра. Такое определение температуры пригодно лишь для грубых измерений в быту. При более точных измерениях обнаружитвается, что для разных термометрических жидкостей, например для ртутного и спиртового термометров, при одинаковой температуре численные значения отношений (2) совпадают друг с другом лишь для выбранных постоянных точек. При промежуточных же температурах показания обоих термометров будут несколько расходиться, так как законы расширения различных жидкостей и сосудов, их содержащих, строго говоря, различны. 10 1.3.2 Водородный термометр Для более точного определения температурной шкалы следует воспользоваться идеальным газом.

Поскольку идеальный газ должен подчиняться уравнению Менделеева-Клапейрона (3), то о температуре газа можно судить по изменению его объёма или давления. pV = m/M · RT (3) где: p - давление газа, V - объём газа, m - масса газа, M - молярная масса газа, R - молярная газовая постоянная, T - абсолютная температура.

Водород при давлениях, не превышающих атмосферное, и в довольно широком интервале температур благодаря очень слабому взаимодействию между его молекулами можно практически считать идеальным газом.

Поэтому для точных измерений температуры и установления термометрической шкалы применяют водородный термометр, показанный на рисунке 1.2. Резервуар с водородом, находящимся под атмосферным давлением, соединён с U-образной трубкой, заполненной ртутью и открытой с одной стороны в атмосферу Рисунок 1.2 Водородный термометр При нагревании водород расширяется. Для сохранения постоянства давления правое колено U-образной трубки опускают до тех пор, пока не сравняются уровни ртути в обоих коленях и тем самым давление водорода не стане равным первоначальному. Из формулы (3) следует, что по изменению объёма можно определить температуру.

Условливаясь разность температур между точкой кипения воды и точ- 11 кой таяния льда считать равной 100, можно очень точно установить температурную шкалу и определить начало отсчёта. Имея эталонный водородный термометр, можно точно программировать любой жидкостный термометр, вне зависимости от конкретного закона расширения термометрической жидкости. Таким же образом можно проградуировать и любые другие термометры, основанные на зависимости иных свойств тел от их температуры. 1.3.3 Датчики теплового расширения В основу построения датчиков, основанных на использовании теплового расширения твёрдых тел положено упругое изменение линейных размеров рабочего тела при изменении температуры (дилатометрический эффект). Перемещение свободного конца рабочего тела относительно закреплённого преобразуется в выходной сигнал с помощью любого из преобразователей положения.

Чувствительность всех систем пропорциональна их длине и разности температурных коэффициентов расширения рабочих элементов. Для увеличения перемещения выходного органа применяются рычажные системы или специальные формы воспринимающих элементов. В качестве материалов с малым температурным коэффициентом расширения используются инвар, кварц; с большим - аллюминий, латунь, сталь и др.

Данные материалов, применяемые в датчиках указанного типа, приведены в таблице 1.2. Выбор материалов для деталей датчика в значительной степени определяет его динамические характеристики. Для уменьшения запаздывания детали, которые быстрее воспринимают изменения температуры (наружные трубки, нить и т.п.), изготавливаются из материалов с большим температурным коэффициентом расширения.

Таблица 1.2 Температурный коэффициент расширения некоторых материалов.

Материал a,10·6 °С·1 Цинк............ 30 Олово........... 27 Алюминий........ 24 Серебро......... 19 Золото.......... 14 Платина......... 8 Стекло.......... 3 - 8,5 Вольфрам........ 8,36 Плавленный кварц 0,55 12 Пределы измеряемых температур для данного типа датчиков лимитируется химической устойчивостью рабочего тела и стабильностью температурного коэффициента расширения.

Максимальная температура лежит в пределах 200-550°С. Точность датчиков в зависимости от используемых выходных органов составляет 1,5 - 5%. Постоянная времени в воде равна 6 - 7 с. 1.3.4 Платиновые термометры сопротивления В этих преобразователях используется изменение сопротивления проволоки или плёнки из платины для определения температуры. Они называются резистивными детекторами температуры.

Отсюда не следует, что другие металлы не могут быть использованы для измерения температуры, однако наиболее часто в таких преобразователях применяются платиновые чувствительные элементы.

Чувствительность резистивных температурных преобразователей весьма низкая, а динамическая реакция - довольно медленная (в силу конструкции прибора). Они подвержены разрушению при вибрациях и ударах.

Зависимость сопротивления от температуры была впервые полностью определена для промышленного платинового термометра сопротивления в Бюро стандартов в 1904 г. для диапазона температур от -220 до +1050°С. Существуют два основных типа платиновых проволочных резистивных преобразователей: погружаемый в среду зонд и монтируемый на поверхности чувствительный элемент.

Проволочные элементы обычно устанавливаются на керамической основе с минимальным натяжением и, как правило, покрываются защитным материалом, предотвращающим их от воздействия окружающей среды.

Конструкция типового платинового проволочного зонда показана на рисунке 1.3, а монтируемого на поверхности чувствительного температурного элемента - на рисунке 1.4. Преобразователи с плёночными чувствительными элементами, в которых применяется металлическая фольга, расположенная на изолирующей подложке, не столь распространены, как проволочные, хотя сфера их использования постоянно расширяется, поскольку они имеют малые размеры, улучшенную динамическую реакцию, более высокую чувствительность и относительно низкую стоимость (рисунок 1.5). Платиновые резистивные преобразователи обычно включаются в одно из плеч моста Уитсона, с помощью которого обеспечивается высокая точность измерений.

Конечно, невысокое сопротивление прибора (около 100 Ом) создаёт проблемы при его коммутации с измерительной аппаратурой, поскольку сопротивление проводов, соединяющих преобразователь с измерительной схемой, может быть соизмеримо с сопротивлением преобразователя. 13 соединительные провода защитное платиновый покрытие проволочный элемент вентиляционные отверстия Рисунок 1.3 Конструкция проволочного зонда водонепроницаемое покрытие водонепроницаемое основание наклеенная платиновая обмотка Рисунок 1.4 Конструкция проволочного преобразователя контактные площадки платиновый для подключения элемент плёнка Рисунок 1.5 Конструкция тонкоплёночного преобразователя 14 1.3.5 Термисторы Термистор представляет собой по существу полупроводниковый резистивный прибор, сопротивление которого зависит от температуры. Такие приборы имеют обычно отрицательный температурный коэффициент, т.е. их сопротивление падает с увеличением температуры.

Термисторы используются в диапазоне температур от -50 до +300°С, хотя за счёт специальных интерфейсных решений не исключено измерение температуры и за указанными пределами.

Основной причиной столь узкого температурного диапазона термисторов является существенная нелинейность их характеристик. Для изготовления термисторов обычно в качестве полупроводниковых материалов используются спекаемые смеси сульфидов или селенидов, однако применяются также окиси кобальта, меди, железа, марганца или урана. Эти металлы оформляются в виде шариков, дисков, стержней или шайб, которые затем помещаются в капсулы из стекла, пластика или металла, а иногда просто покрываются этими материалами.

Небольшие размеры чувствительных элементов обеспечивают их высокую динамическую реакцию, а некоторые миниатюрные типы элементов имеют динамическую реакцию всего несколько микросекунд. Из известных типов термисторов наиболее широкое распространение получили зонды и базовые чувствительные элементы. По конструкции они очень похожи на обычные резисторы, за исключением исключением используемых материалов, сопротивление которых зависит от температуры.

Термисторы, как правило, не нуждаются в точной настройке интерфейсных схем, поскольку они имеют широкие допуски.

Конечно, некоторые типы термисторов обладают допусками порядка [1]+0,2°С в пределах установленного температурного диапазона, для обеспечения которых может потребоваться специальная подстройка.

Недостатком термисторов является плохая воспроизводимость характеристик и нелинейность функции преобразования, которая имеет вид (4) R T = R 0 eB(1/T - 1/To) (4) где: B - коэффициент, определяющий температурную чувствительность термистора, R T - сопротивление термистора при температуре Т, R 0 - сопротивление термистора при температуре Т 0, T - температура термистора, T 0 - начальная температура термистора. 15 1.3.6 Термопары Чувсвительность термопары к температуре основывается на эффекте Зеебека (чаще известном в отечественной литературе под названием термоэлектрический эффект), при котором используется соединение двух разнородных материалов. Когда два соединения находятся при разных температурах, то в соединяющих их цепи течёт электрический ток.

Значение тока или ЭДС, генерируемой током, определяется разностью температур между двумя соединениями (спаями) и материалами, из которых изготовлены термопары. Спай, температуру которого необходимо измерить, называется чувствительным спаем.

Другой спай (опорный) обычно находится при заранее известной температуре, например температуре замерзания воды (0°С). Опорная температура должна выдерживаться с определённой точностью. Для достижения высокой точности в лабораторных условиях в этих целях используется, например, тройная точка воды.

Напротив, при менее жёстких требованиях для получения опорной температуры может быть использована печь с регулируемой температурой. При проектировании систем для измерения температуры следует учитывать её стоимость.

Требуется также специальное оборудование для отображения измеренного значения температуры и автоматической компенсации внутренней опорной температуры.

Подобные термометрические системы характеризуют температуру, определяемую чувствительными элементами, с тебуемой точностью и исключают необходимость для пользователя вычислять температуру чувствительного элемента по значению генерируемой им ЭДС. Для достижения максимальной точности применяются специальные таблицы наиболее распространённых типов термопар, в которых разность (обычно по отношению к опорной температуре 0°С) сопоставляется со значением генерируемой ЭДС. Наиболее типичные термопары перечислены в таблице 1.3, где указаны также английские стандарты, в соответствии с которыми они изготовлены.

Термопары изготавливаются обычно в виде зонда, но, поскольку в них требуется наличие спая из двух материалов, возможно изготовление таких первичных измерительных преобразователей, в которых чувствительный элемент содержит две проволочки из термопарных материалов, спаянных вместе на тонком кончике.

Различные формы спаев приведены на рисунке 1.6. Они выполняются посредством сварки, пайки твёрдым припоем или пайки серебрянным припоем.

Кончик спаянных проволочек может быть помещён в зонд или непосредственно в среду, температура которой измеряется. Спаи выполняются заземлёнными или не заземлёнными на защитный кожух. Не исключено применение открытых или закрытых спаев, как это показано на рисунке 1.7. 16 Таблица 1.3 Наиболее употребительные материалы стандартных термопар. тип номер английпервичная вторичная обмотка ского стандарта обмотка Е Никель 90% Константан (57%меди, Хром 10% 43% никеля) I BS1828 Железо Константан K BS1827 Никель 90% Никель 94%, марганец 3%, Хром 10% алюминий 2%, кремний 1% R BS1826 Платина Платина 87%, родий 13% S BS1826 Платина Платина 90%, родий 10% T BS1818 Медь Константан а) б) в) г) а - сваренные внахлёст, б - развальцованные витые провода, в - сваренные встык, г - витые провода.

Рисунок 1.6 Типовые формы спаев в термопарных температурных измерительных преобразователях а) б) в) г) а - открытый и незаземлённый, б - открытый и заземлённый, в - закрытый и заземлённый, г - закрытый и незаземлённый.

Рисунок 1.7 Возможные типы термопарных зондов 17 Третья форма термопар, показанная на рисунке 1.8, является спаем фольги, смонтированной на некоторой подложке.

Фольга может представлять собой магнитную плёнку, легко прикрепляемую к любой ферромагнитной поверхности, температура которой измеряется. подсоединительные пластмассовая провода плёнка спай Рисунок 1.8 Типовая конструкция плёночного термопарного преобразователя Термопары прочны и экономичны, поскольку их точность основывается на эталонных значениях температуры, требования к воспроизведению которой не являются чрезмерно высокими. Они обладают довольно хорошими динамическими свойствами, так как имеют миниатюрный чувствительный элемент и могут быть использованы в широком диапазоне температур. 1.3.6.1 Другие термопары В последние годы появились разнообразные методы измерения температуры термометрическими средствами.

Полупроводниковые температурные чувствительные элементы, выполненные в виде интегральных схем, генерируют на своих выходах электрический ток, пропорциональный абсолютной температуре. Такие измерительные преобразователи обладают достаточно хорошей линейностью и имеют чувствительность порядка 1 мкА выходного тока на один градус Кельвина. Схема их подключения к измерительной цепи аналогична термисторам, однако они более эффективны для работы в дистанционных измерительных системах, в которых ток, генерируемый чувствительным элементом, не изменяется для любой измеряемой температуры.

Поэтому сопротивлением соединительных проводов и падением напряжения на них можно пренебречь.

Другие типы полупроводниковых чувствительных элементов генерируют на выходе напряжение, пропорциональное температуре.

Например, один из таких приборов имеет выходное напряжение 10 мВ на 18 один градус Кельвина.

Полупроводниковые чувствительные элементы основаны, конечно, на принципе пропорционального изменения тока p-n - переходов или напряжения на переходе в зависимости от температуры. В конечном счёте все простейшие полупроводниковые диоды на основе германия, кремния, арсенида галлия и других материалов могут быть использованы в качестве чувствительных элементов измерительных преобразователей температуры.

Отрицательный температурный коэффициент p-n - переходов означает, что напряжение на переходе падает примерно на 2 мВ на каждый градус Кельвина.

Характеристики транзисторов также изменяются в зависимости от температуры, и это позволяет их применять для измерения температуры.

Верхний диапазон измеряемых температур ограничивается током утечки полупроводниковых переходов.

Последние используются для измерения температур в диапазоне от -50 до +150°С. 1.3.7 Радиационная пирометрия Все ранее рассмотренные первичные измерительные преобразователи относятся к термометрическим преобразователям, т.е. к преобразователям, основанным на прямом контакте с телом, температура которого измеряется.

Радиационная пирометрия представляет собой науку об измерениях температуры тела без непосредственного контакта с ним, т.е. с использованием энергии излучения нагретого тела, её регистрации и отображения в единицах температуры.

Пирометр - это первичный измерительный преобразователь температуры, который определяет знергию излучения тела. По своей природе он является дистанционным (безконтактным) первичным измерительным преобразователем. В общем случае пирометр представляет собой целую систему, содержащую в себе : 1) совокупность оптических линз для фокусировки энергии излучения на преобразующем элементе; 2) преобразующий элемент для восприятия энергии излучения; 3) электронные схемы для сопряжения преобразующего элемента с последующими блоками системы. Все типы пирометров основаны на излучении тепла телом, температура которого измеряется.

Принцип работы прибора показан на рисунке 1.9, где сам пирометр изображён в виде ящика с отверстием, через которое энергия излучения проходит от тела к преобразующему элементу.

Количество энергии, исходящей от тела, зависит от его температуры и способности к излучению.

Последняя для данного тела является неизменной и определяется материалом тела. 19 излучающее головка тело пирометра излучение преобразующий элемент Рисунок 1.9 Принцип действия радиационного пирометра На первый взгляд, количество энергии, подаваемое в пирометр, зависит от расстояния до тела: энергия обратно пропорциональна квадрату расстояния между пирометром и телом (рисунок 1.10,а). Другими словами, количество энергии, достигающей преобразующего элемента, уменьшается пропорционально квадрату расстояния от тела.

Однако площадь поверхности тела, которую 'видит' преобразующий элемент пирометра увеличивается пропорционально квадрату расстояния до тела (рисунок 1.10,б). а) б) положение 1 положение 2 Рисунок 1.10 Иллюстрация того, что расстояние от пирометра до тела, температура которого измеряется, не изменяет выхода пирометра 20 Таким образом, излучение, достигающее пирометра, не зависит от его расстояния до тела (при условии, что поверхность тела полностью заполняет область 'видения' пирометра). Отсюда следует, что при известной способности тела к излучению пирометр непосредственно регистрирует температуру тела.

Преобразующий элемент устройства может быть выполнен в виде любого из ранее рассмотренных преобразователей для измерения температуры.

Обычно в пирометрах используются для этой цели термопары, резистивные чувствительные элементы (они называются болометрами) или полупроводниковые приборы. Как правило, пирометры представляют собой довольно громоздкие приборы, однако их последние модификации отличаются небольшими размерами за счёт использования в них чувствительных элементов, измеряющих излучение непосредственно на основе фотоэлектрического или пироэлектического эффекта и выполненных виде интегральных схем. Такие пироэлектрические детекторы имеют в своём составе все три основные части пирометра, но в миниатюре. Они недороги, устойчивы к внешним воздействиям и способны непосредственно сопрягаться с элементами измерительной системы.

Пирометрический эффект определяется свойствами керамической пластины: при нагревании в процессе изготовления в электрическом поле в пластине происходит упорядочение кристаллических диполей. Когда материал охлаждается, это упорядочение в той или иной мере сохраняется, что приводит к эффективному формированию конденсатора.

Температура пластин определяет точную степень упорядоченности, поэтому заряд на конденсаторе также изменяется в зависимости от температуры.

Перестраиваемые фильтры, расположенные перед окном пирометра, позволяют сделать прибор чувствительным к различным частям излучаемого спектра.

Интегральный полевой транзистор затемпроизводит усиление сигнала и сопряжение преобразующего элемента с другими частями измерительной системы.

Поскольку пироэлектрические детекторы воспринимают температуру дистанционно, т.е. без физического контакта, они могут применяться для обнаружения того или иного тела, образуя основу детекторов наличия или приближения предметов. 21 2 Измерение температур термопарным способом. 2.1 Термоэлектрические термометры.

Термометры состоят из термоэлектрического преобразователя (термопары) и измерительного устройства (милливольтметра или потенциометра). На рисунке 2.1 приведена схема термоэлектрического термометра с милливольтметром, в которой Tn - термопара, УП и СП - соответственно удлинительные и соединительные провода, mV - милливольтметр, Ry - уравнительный резистор.

Рисунок 2.1 Термоэлектрический термометр Показания милливольтметра : U = E Tn R mV / R вн + R mV (5) где : U - показания милливольтметра, E Tn - э.д.с. термопары, R mV - сопротивление милливольтметра, R вн - внешнее сопротивление. Как видно из приведённой формулы, показания милливольтметра при постоянных сопротивлениях милливольтметра и внешней цепи определяется значением э.д.с. термопары и, следовательно, измеряемой температурой. Шкала прибора в этом случае может быть отградуирована в градусах с указанием типа термопары и выбранного значения внешнего сопротивления Для подгонки внешнего сопротивле- 22 ния до значения, при котором производилась градуировка, используется уравнотельный резистор. В этих термометрах возможна погрешность от изменения сопротивления термопары и проводов.

Сопротивление термопары изменяется с изменением глубины погружения, т.е. с изменением соотношения нагретой и холодной частей термопары. Кроме того, изменение глубины погружения термопары вызывает также изменение погрешности, обусловленной наличием тепловых потерь преобразователя.

Поэтому глубина погружения термопары выбирается в соответствии с паспортными данными термопары и не должна произвольно изменяться.

Сопротивление проводов изменяется при колебаниях температуры воздуха. Для уменьшения влияния изменения сопротивления термопары и проводов целесообразно применять милливольтметры с малым потреблением.

Изменение температурных условий влияет на сопротивление рамки милливольтметра, что тоже вызывает погрешность.

Изменение температуры свободных концов термопары приводит к изменению показаний милливольтметра. Для устранения влияния температуры свободных концов применяются различные методы введения поправок. Если милливольтметр имеет шкалу в милливольтах, то к показаниям милливольтметра прибавляется (с учётом знака) поправка, равная значению термо-э.д.с., соответствующей отклонению температуры свободных концов термопары от 0°С. При шкале милливольтметра, отградуированной в градусах для определённой градуировки термопары, необходимо к показаниям милливольтметра прибавить с учётом знака поправку, равную отклонению температуры свободных концов от 0°С, умноженную на коэффициент k. Этот коэффициент, учитывающий нелинейность функции преобразования термопары, зависит от измеряемой температуры. Для грубых подсчётов можно принять k = 0.8 Ў 1.0 для термопар из неблагородных металлов и k = 0.5 Ў 0.6 для термопар из благородных металлов.

Используются также методы автоматического и полуавтоматического введения поправок.

Полуавтоматический метод заключается в том, что при отключенной термопаре стрелка милливольтметра корректором устанавливается на отметку шкалы, соответствующую значению поправки в градусах, расчитанной вышеуказанным способом. После этого прибор будет автоматически вводить нужную поправку. При изменении температуры свободных концов необходимо соответственно изменить положение стрелки милливольтметра при отключенной термопаре. 23 На рисунке 2.2 приведена схема термометра с автоматическим введением поправки.

Рисунок 2.2 Термоэлектрический термометр с автоматическим вводом поправки на температуру свободных концов термопары Для этого последовательно в цепь термопары и милливольтметра включается неравновесный мост, в котором резистор R1 выполнен из меди и находится в зоне температуры свободных концов термопары; резисторы R2, R3 и R4 сделаны из манганина. При градуировке мост находится в равновесном состоянии. При отклонении температуры свободных концов термопары в процессе эксплуатации от значения, при котором производилась градуировка, на диагонали моста а - б появляется разность потенциалов, суммирующаяся с термо-э.д.с. от колебаний температуры свободных концов, практически полностью компенсируется сигналом, снимаемым с моста.

Чувствительность моста регулируется с помощью резистора R5. В термоэлектрических термометрах для измерения э.д.с. термопары используются автоматические потенциометры, применение которых приводит к увеличению точности измерения температуры.

Повышение точности объясняется более высоким, чем у милливольтметров, классом точности потенциометров, а также отсутствием влияния изменения сопротивлений термопары и проводов. Ввод поправки на изменение температуры свободных концов термомары в этих приборах осуществляется с помощью терморезистора, помещённого в зону температуры свободных концов. 24 Градуировка термоэлектрических термометров - приборов, использующих термопары для измерения температуры, - производится обычно при температуре свободных концов 0°С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры свободных концов 0°С. При практическом применении термоэлектрических термометров температура свободных концов термопары не равна 0°С, и поэтому необходимо вводить поправку. Для изготовления термопар, применяемых в настоящее время для измерения температуры, используются в основном специальные сплавы. В таблице 2.1 приведены характеристики термопар в соответствии с ГОСТ 6616-74. Таблица 2.1 Характеристики термопар тип наименование материалов термоверхний предел измерятермоэ.д.с. емой температуры, °С пары электродов термопар длительное/кратковрем. мВ воздействие ТПП Платинородий 0.64 1300 / 1600 (10% родия) - платина ТПР Платинородий (30% родия) 13.81 1600 / 1800 - платинородий (6% родия) ТХА Хромель (90% Ni + 10% Cr) 4.10 1000 / 1300 - алюмель (94.83% Ni + 2% Al + 2% Mn + 1% Si + 0.17% Fe) ТХК Хромель - копель 6.90 600 / 800 (56% Сu + 44% Ni) ТВР Вольфрамрений (5% рения) 1.33 1800 / 2500 - вольфрамрений (20% рения) Для измерения высоких температур используются термопары типов ТПП, ТПР и ТВР. Термопары из благородных металлов (ТПП и ТВР) применяются при измерениях с повышенной точностью. В остальных случаях применяются термопары из неблагородных металлов (ТХА, ТКХ). Все стандартные термопары взаимозаменяемы.

Градуировочные таблицы и допускаемые отклонения градуировочных характеристик приведены в ГОСТ 3044-77. 25 Электроды стандартных термопар выполняются из проволоки диаметром 0.5 мм - для термопар из благородных металлов и диаметром до 3.5 мм для термопар из неблагородных металлов.

Рабочий конец термопары образуется путём скручивания и сваривания электродов. Для защиты от внешних воздействий (давления, агрессивных газов и т.д.) электроды, изолированные фарфоровыми бусами, помещаются в защитную арматуру, показанную на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 Защитная арматура термопары 26 Кроме стандартных термопар, применяются другие термопары, отличающиеся по своим характеристикам от стандартных. Для удобства стабилизации температуры свободных концов иногда целесообразно термопару удлинить с помощью так называемых удлинительных проводов, выполненых либо из соответствующих термоэлектродных материалов, более дешёвых, чем электродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапозоне возможных температур свободных концов (обычно от 0 до 100°С). Иначе говоря, эти удлинительные провода должны иметь в указанном интервале температур такую же зависимость термо-э.д.с. от температуры, как и у основной термопары.

Инерционность термопар в настоящее время характеризуется показателем тепловой инерции.