Единицы физических величин. 3 страница
– измерения сопротивления с помощью уравновешенных и неуравновешенных мостов;
– измерение сопротивления с помощью логометра, "логос" – отношение, принцип действия основан на измерении отношения двух токов, разностей потенциалов или сопротивлений в двух цепях, причем одна из двух величин, входящих в отношение, известна и неизменна, тогда по этой величине и по отношению можно определить вторую, неизвестную, величину.
Тепловые режимы бывают стационарные (установившиеся) и нестационарные.
Причины возникновения погрешностей при измерении температуры в реальных условиях, т.е. различие между температурами термометра и измеряемой среды, обусловлены следующими факторами:
– наличие теплообмена между измеряемой средой, термометром и внешней (окружающей) средой;
– наличие теплообмена между различными частями технологического оборудования;
– неравномерность поля температур во всем оцениваемом объеме;
– нестационарность температурного режима;
– конструктивные особенности термометра;
– особенности установки термометра на объекте;
– условия теплообмена термометра с измеряемой и окружающей средой;
– режим работы оборудования;
– постоянство измеряемых параметров или других параметров измеряемой среды;
– конкретный метод измерения: в установившемся режиме погрешность измерения статистическая; в нестационарном режиме, когда либо сам измеряемый параметр, либо другие параметры измеряемой среды меняются, может иметь место динамическая погрешность измерения, определяемая конструкцией, теплофизическими свойствами термометра и условиями теплообмена с измеряемой средой.
Лекция 7.
Измерение температуры. Характеристика отдельных типов термометров. (4 час)
Термометры стеклянные, жидкостные и манометрические (принцип действия, термометрические вещества, устройство, область применения). Источники погрешности и способы ее снижения.
Термоэлектрические термопреобразователи (ТП). Общие сведения о методе измерения. Принципиальные схемы включения вторичных приборов в цепь ТП. Введение поправки на изменение температуры свободных концов ТП. Термоэлектрические материалы. Стандартные ТП. Компенсационные провода. Принцип действия и устройство пирометрических милливольтметров.
Измерение термо-ЭДС компенсационным методом. Общие понятия о компенсационных методах измерения. Неавтоматические (переносные) потенциометры. Автоматические потенциометры.
Термопреобразователи сопротивления (ТС). Устройство ТС, используемые материалы, пределы измерения. Стандартные ТС. Уравновешенные и неуравновешенные мосты. Автоматические уравновешенные мосты. Логометры. Полупроводниковые ТС.
Основные сведения о проверке термометров. Способы уменьшения погрешностей при контактных методах измерения температур. Основные правила установки ТП и ТС. Тепловая инерция термопреобразователей.
Измерение температуры тел по их излучению. Определение понятий яркостной, цветовой, радиационной температур. Устройство пирометров.
1. Термометры расширения.
Принцип действия всех термометров расширения основан на расширении термометрического вещества, заключенного в термометре, в зависимости от температуры.
1.1. Стеклянные жидкостные термометры по своей конструкции бывают палочные и с вложенной шкалой. Палочные состоят из толстостенного капилляра и припаянного к нему резервуара, шкала наносится непосредственно на капилляр. В термометрах с вложенной шкалой капилляр с резервуаром и шкала на отдельной пластине заключаются в общую стеклянную оболочку. При расширении термометрической жидкости одновременно происходит расширение резервуара и капилляра, поэтому видимое расширение жидкости несколько меньше действительного.
Термометрические жидкости
| Жидкость | Средняя температура, ОС | Пределы применения, ОС | Средний температурный коэффициент объемного расширения, 105 К–1 | |||
| затвердевания | кипения | нижний | верхний | действительный | видимый | |
| Ртуть | –38,9 | 356,6 | –35 | |||
| Толуол | –97,2 | 109,8 | –90 | |||
| Этиловый спирт | –114,5 | –80 | ||||
| Керосин | –– | До 325 | –60 | |||
| Петролейный эфир | –– | До 70 | –120 | |||
| Пентан | –200 | –200 |
Достоинства: высокая точность измерения, простота, дешевизна.
Недостатки: относительно плохая видимость шкалы, практическая невозможность передачи показаний на расстояние, невозможность автоматической регистрации показаний, невозможность ремонта термометров.
Область применения: лабораторные, технические, бытовые
Погрешности:
1) На выступающий столбик: δ(t) = γ (t – tВС) n ,
где γ – температурный коэффициент видимого объемного расширения, ОК–1 = ОС–1, t – температура, показываемая термометром, tВС – температура выступающего столбика, n – число градусов в выступающем столбике. Причина погрешности – разница температур измеряемой и окружающей среды.
2) Смещение нулевой точки: после сильного нагрева и быстрого охлаждения термометрическое вещество сжимается быстрее, чем стеклянный капилляр, поэтому видимые показания термометра занижены. Причина погрешности – различие физических свойств термометрической жидкости и конструктивных элементов термометра.
Способы снижения погрешности: точное соблюдение методики работы с термометром.
Допускаемая погрешность, как правило, равна цене деления шкалы. Стеклянные термометры являются одним из наиболее точных средств измерения температуры.
1.2. Манометрические термометры.
Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления термометрического вещества в герметически замкнутом объеме от температуры. Термосистема манометрического термометра состоит из термобаллона, капилляра и манометрической пружины, один конец которой соединен с капилляром, а другой, запаянный конец пружины соединен со стрелкой измерительного прибора.
Интервал измерения температур – от –200 до +1000ОС.
Термобаллон погружается в измеряемую среду, и рабочее вещество, находящееся в термобаллоне, принимает температуру измеряемой среды. При этом в термосистеме устанавливается давление, определяемое температурой измеряемой среда. При повышении температуры давление повышается, при уменьшении температуры понижается. Изменение давления рабочего вещества через гибкий капилляр передается на измерительный прибор, являющийся частью манометрического термометра.
1.2.1. Манометрические газовые термометры.
Предназначены для измерения температуры от –200 до +600ОС.
Рабочее вещество – азот, водород (до –250ОС), гелий (до –267ОС).
Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме:
pt = p0 (1 + β t), β = 1/273 = 0,00366 ОК–1 – температурный коэффициент расширения газа.
Уравнение шкалы: pK – pH = pH β (tK – tH) / (1 + β tH), таким образом, коэффициент преобразования зависит от начальных значений температуры и давления.
Погрешности:
1) С увеличением температуры увеличивается объем термосистемы и уменьшается давление.
2) Влияние барометрического (атмосферного) давления, особенно при измерении избыточного давления.
3) Влияние температуры окружающей среды.
Способы уменьшения погрешностей:
1) Увеличение давления в термосистеме.
2) Уменьшение объема капилляра и пружины по отношению к объему термобаллона.
1.2.2. Жидкостные манометрические термометры.
Предназначены для измерения температуры от –150 до +300ОС.
Рабочее вещество: ртуть, пропиловый спирт, метаксилол и другие. Жидкости практически несжимаемы, поэтому изменение температуры сопровождается существенным изменением объема рабочего вещества.
Погрешности и способы их уменьшения те же, что и в газовых манометрических термометрах. Влияние барометрической погрешности существенно меньше ввиду высокого давления в системе. Кроме того, может иметь место гидростатическая погрешность ввиду разницы уровней термобаллона и показывающего прибора. Для уменьшения погрешностей могут применяться специальные компенсаторы, ограничивают длину капилляра до 10 м.
1.2.3. Конденсационные манометрические термометры.
Предназначены для измерения температуры от –50 до +300ОС.
Рабочая жидкость: фреон-22, пропилен, хлористый метил, ацетон, этилбензол, гелий (до 0,8 ОК–1).
Термобаллон термометра на 3/4 заполнен низкокипящей жидкостью, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Давление в термосистеме равно давлению насыщения при температуре измеряемой среда. Зависимость давления насыщения пара от температуры имеет нелинейный вид. Она днозначная при температурах ниже критической.
Погрешность, вызванная температурой окружающей среды, практически отсутствует. Барометрическая и гидростатическая погрешности имеют место на начальном участке шкалы.
Достоинства манометрических термометров: простота устройства, возможность дистанционной передачи показаний и автоматической записи, возможность работы в пожаро- и взрывоопасных помещениях.
Недостатки: трудность ремонта при разгерметизации системы, ограниченной расстояние дистанционной передачи показаний, большие размеры термобаллона (длина до 400 мм, диаметр до 30 мм).
2. Термометры сопротивления. (ТС)
2.1. Принцип действия термометров сопротивления основан на способности различных материалов (металлов, полупроводников) изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Параметр, характеризующий изменение электрического сопротивления с температурой, называется температурным коэффициентом электрического сопротивления.
Если температурный коэффициент не зависит от температуры, то он определяется как α = 
, если зависит, то αt = 
ОК–1, где Rt и R0 – сопротивление при температуре t и 0оС соответственно.
2.2. Материалы, применяемые для изготовления термометров сопротивления.
Значения температурного коэффициента
– для чистых металлов 0,0035÷0,0065 ОК–1;
– для сплавов существенно ниже 2´10-5÷0 ОК–1;
– для полупроводников отрицательный и на порядок выше, чем для металлов –0,01÷–0,15 ОК–1.
Требования к материалам, применяемым для изготовления термометров сопротивления:
– основные: 1) стабильность градуировочной характеристики,
2) воспроизводимость результатов;
– дополнительные: 1) высокая чувствительность,
2) линейность градуировочной характеристики,
3) большое удельное сопротивление и др.
Обычно используют материалы: медь, никель, платина.
1) Медь. Достоинства: 1. Дешевизна. 2. Линейность зависимости сопротивления от температуры Rt = R0(1+αt), α = 4,28▪10-3 К–1.
Недостатки: 1. Окисляемость. 2. Измерение температуры не выше 200оС. 3. Малое удельное сопротивление. 4.Большие габариты термометра.
2) Никель.
Достоинства: 1. Линейная характеристика. 2. Большой температурный коэффициент α = 6,75▪10-3 К–1. 3. Большое сопротивление. 4. Малые габариты.
Недостатки: 1. Диапазон измеряемых температур от –60 до +180оС.
3) Платина. Наиболее распространенные термометры.
Достоинства: 1. Отвечает обязательным требованиям, предъявляемым к термометрам сопротивления. 2. Диапазон температур от –260 до +1100оС 3. Практически не окисляется.
Недостатки:
1. Сложная нелинейная зависимость сопротивления от температуры. В диапазоне от 0 от 630оС может быть приближенно описана выражением Rt = R0(1+At+Bt2). В интервале от –183оС до 0 Rt = R0(1+At+Bt2+Ct3(t-100))
2. Дороговизна. Платиновые термометры могут иметь следующие сопротивления при 0оС: 1, 5, 10, 50, 100, 500 Ом и маркируются 1П, 5П и т.д. В эксплуатации находятся термометры с R0 = 46 Ом, маркировка гр.21.
Полупроводниковые термометры сопротивления.
Rt = R0 exp(B (T0–T) / T0T). Применяют для измерения сверхнизких температур.
2.3. Устройство термометров сопротивления.
Чувствительный элемент металлического термометра состоит из проволоки или ленты, намотанных на каркас из стекла, кварца, керамики, слюда или пластмассы. Чувствительный элемент полупроводниковых термометров представляет собой монокристалл (германия), помещенный в гильзу (медную луженую или стеклянную). Для защиты от механических повреждений и вредного воздействия измеряемой или окружающей среды чувствительный элемент помещен в защитную оболочку., которая уплотнена керамической втулкой. Выводы чувствительных элементов, проходя внутри сложной системы изоляции, подключаются к соединительным проводам. Различают двух-, трех- и четырехпроводные схемы подключения термометров сопротивления.
Погрешности термометров сопротивления:
1) Сопротивление, подключенное к измерительному прибору, больше, чем сопротивление термометра, с учетом влияния сопротивления проводов.
2) Погрешность на температуру соединительных проводов.
3) Измерение производится при наличии тока в цепи. При этом по закону Джоуля-Ленца выделяется теплота, которая нагревает термометр до более высокой температуры, чем температура измеряемой среды.
Способы уменьшения погрешностей:
1) Использование специальных (трех-, четырехпроводных) соединительных схем, подгонка соединительных сопротивлений.
2) Использование компенсационного метода измерений.
2.4. Мостовые схемы измерения сопротивления.
Для измерения сопротивлений термометров и других преобразователей сопротивления используются следующие методы и измерительные схемы: одно- и двухмостовые схемы (уравновешенные и неуравновешенные), логометры и компенсационный метод.
Мостовые схемы. Измерительный мост представляет собой (рис.) четыре резистора R1, R2, R3, R4, которые питаются от источника питания, включенного в питающую диагональ a-b. Напряжение источника питания составляет U. В измерительной диагонали моста c-d включен измерительный прибор с сопротивлением Rпр. Чтобы установить зависимость между значениями элементов схемы и измерительным током, воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе. Тогда
 |
Принципиальная схема моста
Из этого выражения вытекает, что возможны два режима работы моста:
1) равновесный когда изменением сопротивления одного или нескольких резисторов добиваются выполнения условия I = 0, которое имеет место, когда R1 R3 = R2 R4;
2) неравновесный, когда I = f(U, R, R2, R3, R4, Rпр). В этом случае, если нужна однозначная зависимость измерительного тока от сопротивления какого-нибудь резистора, необходимо, чтобы все остальные элементы схемы имели постоянные значения.
Уравновешенные мосты. Для измерения неизвестного сопротивления необходимо уравновесить мост. Для этого одно или несколько плеч моста делаются переменными. Добившись равновесия, по известным трем сопротивлениям определяют неизвестное четвертое. Момент наступления равновесия определяют по отсутствию тока в нуль-гальванометре. Уравновешивание может производиться автоматически или вручную. Преимущества уравновешенных мостов: 1) показания моста не зависят от напряжения питания; 2) показания прибора, как правило, линейно связаны с изменением измеряемого параметра. Недостатки уравновешенных схем: 1) необходимость наличия в схеме устройства для уравновешивания; 2) трудность или невозможность измерения малых сопротивлений.
Неуравновешенные мосты. В процессе эксплуатации нет необходимости производить какие-либо изменения сопротивлений или переключения. Показания измерительного прибора, как правило, отградуированы сразу в значениях измеряемого параметра или влияющей величины.
Варианты использования неуравновешенных мостов: (рисунки)
 |
1) Все элементы схемы постоянны кроме одного измеряемого сопротивления. Сила тока в измерительной диагонали однозначно зависит от этого сопротивления, причем нелинейным образом.
2) Два аналогичных преобразователя сопротивления, находящиеся в одинаковых условиях, включают в противоположные плечи моста. Коэффициент преобразования измерительной схемы (чувствительность прибора) увеличивается в два раза.
3) Два аналогичных преобразователя сопротивления, находящиеся в различных условиях, включают в прилежащие плечи моста. Сила тока пропорциональна разности сопротивлений этих преобразователей.
Преимущества неуравновешенных мостов: 1) простота схемы, не требующая устройства уравновешивания; 2) возможность применения для измерения малых сопротивлений за счет существенного уменьшения влияния сопротивления соединительных проводов. Недостатки неуравновешенных мостов: 1) зависимость показаний от изменения напряжения питания; 2) нелинейность шкалы.
Двухмостовая компенсационная измерительная схема позволяет сочетать достоинства уравновешенных и неуравновешенных мостов.
2.5. Логометры.
"Логос" – отношение. Принцип действия логометра основан на измерении отношения токов в двух электрических цепях. В одну из них включен термометр сопротивления, в другую – постоянное сопротивление. На рисунке представлена схема магнитоэлектрического логометра, который состоит:
1,2 – рамки с током, жестко скрепленные друг с другом и со стрелкой 3;
3 – стрелка прибора;
4,5 – полюсные наконечники постоянного магнита 6;
6 – постоянный магнит;
7 – сердечник.
Зазор у наконечников сделан неравномерным, и поэтому значение магнитной индукции в различных точках зазора (при различном угле поворота рамок и стрелки) также будет различным. Воздушный зазор уменьшается от центра к краям полюсных наконечников, и соответственно от центра к краям возрастает магнитная индукция в зазоре. Обе рамки логометра питаются от одного источника постоянного тока Е и включены таким образом, что их магнитные моменты направлены навстречу друг другу. Значения вращающих моментов М1 и М2 могут быть определены из выражения
М1 = 2 r1 n1 l1 B1 I1; М2 = 2 r2 n2 l2 B2 I2, где
Мi – вращающий момент i-той рамки;
ri – геометрическая характеристика наконечника;
ni – число витков рамки;
li – геометрические размеры рамки;
Bi – магнитная индукция;
Ii – сила тока.
Подвижная система будет находиться в равновесии, когда М1 = М2.
Как правило, r1 = r2; n1 = n2; l1 = l2.Тогда выражение принимает вид
B1 I1 = B2 I2 или I1 / I2 = В2 / В1.
Отношение магнитных индукций для конкретной конструкции логометра зависит от положения рамок, т.е. однозначно определяется углом их поворота φ: В2 / В1 = f(φ).
Отношение токов в свою очереди зависит от сопротивлений двух ветвей цепи: I1 = E / (RP1 + R1), I2 = E / (RP2 + R2 + RИЗМ), где RPi – сопротивление рамки, Ri – добавочное сопротивление в цепи, RИЗМ – неизвестное измеряемое сопротивление. Если все сопротивления, кроме измеряемого, остаются неизменными, то I1 / I2 = Ψ (RИЗМ).
Следовательно, φ = F (RИЗМ).
Как правило, эта зависимость линейная и равномерная.
2.6. Компенсационный метод измерения сопротивлений.
При точных измерениях, когда должны быть исключены или сведены к минимуму погрешности, а также при измерениях низких температур в криогенной технике, когда сопротивление термометров мало, широкое распространение получил компенсационный метод измерения. Сущность компенсационного метода измерения сопротивления заключается в том, что производится сравнение падения напряжения на измеряемом резисторе и на образцовом резисторе, включенном последовательно с измеряемым. Измерение падения напряжения на резисторах осуществляется, как правило, потенциометром. В этом случае напряжение питания не влияет на результаты измерения, а также полностью исключается влияние сопротивления соединительных проводов, так как в момент измерения ток в проводах, соединяющих потенциометр с резистором равен нулю. Измеряемый и образцовый резисторы имеют по четыре выхода: два токовых для подключения питания и два потенциальных для подключения потенциометра.
Ток в цепи определяется как I = UОБР / RОБР.
С другой стороны, I = UИЗМ / RИЗМ.
Следовательно, RИЗМ = RОБР UИЗМ / UОБР.
3. Термоэлектрические термометры. (Термопреобразователи ТП)
3.1. Принцип действия. Общие сведения о методе измерения.
Применение термоэлектрических термометров для измерения температуры основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры. Термопара состоит из двух разнородных проводников. Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве температур в местах соединения этих проводников.
Причины возникновения термо-ЭДС: 1) Вследствие различия уровней Ферми у различных металлов при их соприкосновении возникает контактная разность потенциалов. 2) Концентрация свободных электронов в металле зависит от температуры. Следовательно, при наличии разности температур в проводнике возникает диффузия электронов, приводящая к образованию электрического поля. Таким образом, термоэлектродвижущая сила слагается из суммы скачков потенциалов, вызванных диффузией электронов, и зависит от рода проводников и их температуры.
Если в цепи температуры мест соединения проводников a и b будут одинаковы и равны t, то и разности потенциалов будут равны по значению, но иметь разные знаки: eab(t) = – eba(t), а суммарная термо-ЭДС и ток в цепи будут равны нулю: Eab(t,t) = eab(t) – eab(t) = 0. Если температуры концов термопары различны t ≠ t0, то суммарная термо-ЭДС не равна 0: Eab(t,t0) = eab(t) – eab(t0) ≠ 0, так как разности потенциалов для одних и тех же проводников при разных температурах не равны: eab(t) ≠ eab(t0). Результирующая термо-ЭДС для данных проводников a и b зависит от температур t и t0. Чтобы получить однозначную зависимость термо-ЭДС от измеряемой температуры, необходимо другую темепературу держать постоянной.
Теорема о третьем проводнике: последовательное включение в электрическую цепь дополнительного проводника не меняет термо-ЭДС цепи, если температуры обоих концов дополнительного проводника одинаковы.
Для измерения термо-ЭДС в цепи термоэлектрического термометра включают измерительный прибор, причем его включение вводит в цепь по крайней мере еще один, третий проводник. Рассмотрим цепь, составленную из трех различных проводников: a, b, c. Термо-ЭДС такой цепи при равенстве температур всех мест соединения будет
Eabc(t) = eab(t) + ebc(t) + eca(t) = 0, или eab(t) = – ebc(t) – eca(t).
Пусть теперь температура мест подсоединения третьего проводника не равна измеряемой температуре. Тогда термо-ЭДС
Eabc(t, t0) = eab(t) + ebc(t0) + eca(t0) = eab(t) – eab(t0), т.е.
Термо-ЭДС цепи, составленной из трех разнородных проводников не отличается от термо-ЭДС цепи, составленной из двух разнородных проводников, если температура мест подсоединения третьего проводника равна.
Из закономерностей включения третьего проводника можно сделать следующие выводы: включение одного, двух или нескольких проводников в цепь термоэлектрического термометра не вызовет искажения термо-ЭДС термометра, если места подсоединения каждого из этих проводников будут иметь одинаковую температуру; рабочий конец термоэлектрического термометра можно изготовлять путем сварки или пайки, если температура во всех точках спая будет одинакова.
На основании особенностей включения третьего проводника в цепь термоэлектрического термометра могут быть использованы два варианта включения измерительного прибора ИП в цепь термоэлектрического термометра: в разрыв электрода и в разрыв спая. В первом случае больше вероятность погрешности, так как температуры в точках подключения ИП могут отличаться.
Поправка в значение термо-ЭДС на температуру свободных концов.
Для измерения температуры термоэлектрическим методом необходимо знать термо-ЭДС и температуру свободных концов. Если температура свободных концов равна 0ОС, то измеряемая температура определяется сразу из градуировочной характеристики. Если температура свободных концов t0 ≠ 0, то в измеренное значение термо-ЭДС вводят поправку:
E(t, t0) + E(t0, 0) = E(t, 0), где
E(t, t0) – измеренное значение,
E(t0, 0) – поправка, определенная из градуировочных таблиц,
E(t, 0) – исправленное значение, приведенное к градуировочным условиям,
Первая температура – рабочих концов, измеряемая,
Вторая температура – свободных концов, постоянная.
Затем по значению E(t, 0) определяют температуру рабочих концов из градуировочных таблиц.
Термобатареи – применяют для повышения чувствительности прибора при измерении малых термо-ЭДС. Коэффициент преобразования увеличивается в n раз, где n – число термопар. Входящих в батарею. При этом возможно увеличение погрешности метода за счет неоднородности поля температур.
Дифференциальный термоэлектрический термометр применяют для определения разности температур в двух точках. При этом в одной точке размещают рабочие концы термопары, в другой – свободные концы, измерительный прибор включен в разрыв электрода.
3.2. Устройство термоэлектрических термометров и применяемые материалы.
Два любых разнородных материала могут образовать термоэлектрический термометр.
Обязательные требования к материалам, используемым для изготовления термопар: стабильность градуировочной характеристики и (для стандартных термометров) воспроизводимость в необходимых количествах материалов, обладающих вполне определенными термоэлектрическими свойствами.