Датчики физических величин


	Загрузить архив:
	Файл: ref-10132.zip (16kb [zip], Скачиваний: 185) скачать

Министерство общего и профессионального образования

Новгородский государственный университет

им. Ярослава мудрого

кафедра общей и экспериментальной физики

Курсовая работа

по теме

"Датчики физических величин"

выполнил:

студент гр. 8021

Дроздов С. В.

проверил:

доцент каф. ОиЭФ

Потапов Ё. Ё.

Великий Новгород 1999

СОДЕРЖАНИЕ

1 Температура как физическая величина...................5

1.1 Понятие температуры.................................5

1.2 Температурные шкалы.................................7

1.3 Методы измерения температур ........................8

1.3.1 Жидкостные термометры ............................8

1.3.2 Водородный термометр..............................10

1.3.3 Датчики теплового расширения .....................11

1.3.4 Платиновые термометры сопротивления ..............12

1.3.5 Термисторы........................................14

1.3.6 Термопары.........................................15

1.3.6.1 Другие термопары ...............................17

1.3.7 Радиационная пирометрия ..........................18

2 Измерение температур термопарным способом.............20

2.1 Термоэлектрические термометры.......................20

2.2 Заключение..........................................26

Библиография............................................27

Перечень сокращений

1. МПШТ - Международная практическая температурная шкала

2. ЭДС - Электро - движущая сила

Задание на курсовую работу

1 Тема работы : датчик температуры

2 Цель работы : выбор датчика для измерения физической ве-

личины согласно требованиям технического задания. В процессе вы-

бора датчика провести литературный патентный обзор методов изме-

рения указанной физической величины, рассмотреть физические осно-

вы функционирования и конструктивные особенности датчика. 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.

1 Температура как физическая величина

1.1 Понятие температуры.

Первоначальные представления о степени нагретости тел мы по-

лучаем 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 суж-

дения о ней, необходимо прибегать не к непосредственному ощуще-

нию, 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 тон-

кой, но непроницаемой стенкой.

При этом ещё остаётся возможным переход энергии микроскопи-

ческих, 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 теп-

ла 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 сис-

тем, связанных с тепловым движением. Так, например, для идеально-

го газа, заключённого в сосуде постоянного объёма, с ростом энер-

гии молекулярного движения будет увеличиваться давление (1), а

также и его температура.

pV = 2/3 · Eпост (1)

где: p - давление газа,

V - объём газа,

Eпост- суммарная кинетическая энергия всех молекул га-

за.

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 сопри-

косновении 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 не-

посредственном соприкосновении друг с другом. В этом случае тем-

пературы 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 возраста-

нием энергии этого хаотического движения увеличивается и темпера-

тура. Поскольку изменение энергии теплового движения молекул

всегда приводит к изменению целого ряда других физических харак-

теристик системы, то по численным значениям этих характеристик

можно судить о температуре и устанавливать соответствующие шкалы.

Вообще, температура тела или системы представляет собой от-

ражение 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 сре-

дой.

Тепло может передаваться от одного тела или системы к друго-

му (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 повы-

шения температуры тела или системы на один градус. Удельная теп-

лоёмкость - 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 замерза-

ния называется температура равновесия между твёрдой и жидкой фа-

зами вещества.

1.2 Температурные шкалы

Температурная шкала Цельсия, при которой измерения проводят-

ся в градусах Цельсия, это лишь одна из нескольких используемых

температурных шкал. Она первоначально определялась точками замер-

зания и кипения воды. Термодинамическая шкала согласно Междуна-

родной системе единиц имеет несколько трудновоспроизводимых то-

чек. 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-вто-

рых, тройную точку воды (273,16 К). Последняя соответствует тем-

пературе равновесия, в которой существуют одновременно вода, лёд

и пар. В термодинамической шкале нуль градусов Цельсия воспроиз-

водится 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 произ-

вольно 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 значе-

ниях температур совокупности равновесных состояний и стандартной

аппаратуре, калиброванной на этих значениях.

Применение температур состояний равновесия и стандартной ап-

паратуры в МПТШ гарантирует, что расхождение в измерениях темпе-

ратуру, обусловленное разными типами измерительных приборов, мо-

жет 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.

Таблица 1.1 Основные фиксированные точки МПТШ, значения тем-

пературы в них и используемые для этого измерительные средства.

┌───────────────────────────┬────────┬──────────────────────┐

│ Название │Темпера-│измерительные 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 мож-

но 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.

100

t h100

Рисунок 1.1 Ртутный термометр

При нагревании ртуть расширяется и её уровень в капилляре

поднимается. Шкала и начало отсчёта могут быть выбраны произ-

вольно. 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 = ht / h100 · 100°C (2)

где: t - искомая температура,

ht - высота поднятия ртути,

h100 - высота капилляра.

Такое определение температуры пригодно лишь для грубых изме-

рений в быту. При более точных измерениях обнаружитвается, что

для разных термометрических жидкостей, например для ртутного и

спиртового термометров, при одинаковой температуре численные зна-

чения 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.

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 до-

вольно широком интервале температур благодаря очень слабому

взаимодействию между его молекулами можно практически считать

идеальным газом. Поэтому для точных измерений температуры и уста-

новления 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 пос-

тоянства 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-

кой таяния льда считать равной 100, можно очень точно установить

температурную шкалу и определить начало отсчёта.

Имея эталонный водородный термометр, можно точно программи-

ровать 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 ли-

нейных размеров рабочего тела при изменении температуры (дилато-

метрический эффект). Перемещение свободного конца рабочего тела

относительно закреплённого преобразуется в выходной сигнал с по-

мощью любого из преобразователей положения.

Чувствительность всех систем пропорциональна их длине и раз-

ности 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, ла-

тунь, сталь и др. Данные материалов, применяемые в датчиках ука-

занного типа, приведены в таблице 1.2. Выбор материалов для дета-

лей 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 │

└────────────────┴───────────┘

Пределы измеряемых температур для данного типа датчиков ли-

митируется 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 сле-

дует, что другие металлы не могут быть использованы для измерения

температуры, однако наиболее часто в таких преобразователях при-

меняются платиновые чувствительные элементы.

Чувствительность резистивных температурных преобразователей

весьма низкая, а динамическая реакция - довольно медленная (в си-

лу конструкции прибора). Они подвержены разрушению при вибрациях

и ударах.

Зависимость сопротивления от температуры была впервые пол-

ностью определена для промышленного платинового термометра сопро-

тивления в Бюро стандартов в 1904 г. для диапазона температур от

-220 до +1050°С.

Существуют два основных типа платиновых проволочных резис-

тивных преобразователей: погружаемый в среду зонд и монтируемый

на поверхности чувствительный элемент. Проволочные элементы обыч-

но устанавливаются на керамической основе с минимальным натяже-

нием и, как правило, покрываются защитным материалом, предотвра-

щающим 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 изоли-

рующей 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 вы-

сокая точность измерений. Конечно, невысокое сопротивление прибо-

ра (около 100 Ом) создаёт проблемы при его коммутации с измери-

тельной аппаратурой, поскольку сопротивление проводов, соеди-

няющих преобразователь с измерительной схемой, может быть соизме-

римо с сопротивлением преобразователя.

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

1.3.5 Термисторы

Термистор представляет собой по существу полупроводниковый

резистивный прибор, сопротивление которого зависит от температу-

ры. Такие приборы имеют обычно отрицательный температурный коэф-

фициент, 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 изме-

рение температуры и за указанными пределами. Основной причиной

столь узкого температурного диапазона термисторов является су-

щественная нелинейность их характеристик.

Для изготовления термисторов обычно в качестве полупроводни-

ковых материалов используются спекаемые смеси сульфидов или селе-

нидов, однако применяются также окиси кобальта, меди, железа,

марганца или урана. Эти металлы оформляются в виде шариков, дис-

ков, стержней или шайб, которые затем помещаются в капсулы из

стекла, пластика или металла, а иногда просто покрываются этими

материалами. Небольшие размеры чувствительных элементов обеспечи-

вают их высокую динамическую реакцию, а некоторые миниатюрные ти-

пы элементов имеют динамическую реакцию всего несколько микросе-

кунд.

Из известных типов термисторов наиболее широкое распростра-

нение получили зонды и базовые чувствительные элементы. По

конструкции они очень похожи на обычные резисторы, за исключением

исключением используемых материалов, сопротивление которых зави-

сит от температуры. Термисторы, как правило, не нуждаются в точ-

ной настройке интерфейсных схем, поскольку они имеют широкие до-

пуски. Конечно, некоторые типы термисторов обладают допусками по-

рядка [1]+0,2°С в пределах установленного температурного диапазона,

для обеспечения которых может потребоваться специальная подстрой-

ка.

Недостатком термисторов является плохая воспроизводимость

характеристик и нелинейность функции преобразования, которая

имеет вид (4)

RT = R0 eB(1/T - 1/To) (4)

где: B - коэффициент, определяющий температурную чувстви-

тельность термистора,

RT - сопротивление термистора при температуре Т,

R0 - сопротивление термистора при температуре Т0,

T - температура термистора,

T0 - начальная температура термистора.

1.3.6 Термопары

Чувсвительность термопары к температуре основывается на эф-

фекте Зеебека (чаще известном в отечественной литературе под наз-

ванием термоэлектрический эффект), при котором используется

соединение двух разнородных материалов. Когда два соединения на-

ходятся при разных температурах, то в соединяющих их цепи течёт

электрический ток.

Значение тока или ЭДС, генерируемой током, определяется раз-

ностью температур между двумя соединениями (спаями) и материала-

ми, 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 определён-

ной точностью. Для достижения высокой точности в лабораторных ус-

ловиях в этих целях используется, например, тройная точка воды.

Напротив, при менее жёстких требованиях для получения опор-

ной температуры может быть использована печь с регулируемой тем-

пературой. При проектировании систем для измерения температуры

следует учитывать её стоимость.

Требуется также специальное оборудование для отображения из-

меренного значения температуры и автоматической компенсации внут-

ренней опорной температуры. Подобные термометрические системы

характеризуют температуру, определяемую чувствительными элемента-

ми, с тебуемой точностью и исключают необходимость для пользова-

теля вычислять температуру чувствительного элемента по значению

генерируемой им ЭДС.

Для достижения максимальной точности применяются специальные

таблицы наиболее распространённых типов термопар, в которых раз-

ность (обычно по отношению к опорной температуре 0°С) сопостав-

ляется со значением генерируемой ЭДС. Наиболее типичные термопары

перечислены в таблице 1.3, где указаны также английские стандар-

ты, в соответствии с которыми они изготовлены.

Термопары изготавливаются обычно в виде зонда, но, поскольку

в них требуется наличие спая из двух материалов, возможно изго-

товление таких первичных измерительных преобразователей, в кото-

рых чувствительный элемент содержит две проволочки из термопарных

материалов, спаянных вместе на тонком кончике. Различные формы

спаев приведены на рисунке 1.6. Они выполняются посредством свар-

ки, пайки твёрдым припоем или пайки серебрянным припоем.

Кончик спаянных проволочек может быть помещён в зонд или не-

посредственно в среду, температура которой измеряется. Спаи вы-

полняются заземлёнными или не заземлёнными на защитный кожух. Не

исключено применение открытых или закрытых спаев, как это показа-

но на рисунке 1.7.

Таблица 1.3 Наиболее употребительные материалы

стандартных термопар.

┌───┬───────────────┬──────────┬────────────────────────┐

│тип│номер англий- │первичная │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

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 основы-

вается на эталонных значениях температуры, требования к воспроиз-

ведению которой не являются чрезмерно высокими. Они обладают до-

вольно хорошими динамическими свойствами, так как имеют миниатюр-

ный 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 тем-

пературные чувствительные элементы, выполненные в виде интег-

ральных схем, генерируют на своих выходах электрический ток, про-

порциональный абсолютной температуре. Такие измерительные преоб-

разователи обладают достаточно хорошей линейностью и имеют

чувствительность порядка 1 мкА выходного тока на один градус

Кельвина.

Схема их подключения к измерительной цепи аналогична термис-

торам, однако они более эффективны для работы в дистанционных из-

мерительных системах, в которых ток, генерируемый чувствительным

элементом, не изменяется для любой измеряемой температуры. Поэто-

му сопротивлением соединительных проводов и падением напряжения

на них можно пренебречь.

Другие типы полупроводниковых чувствительных элементов гене-

рируют на выходе напряжение, пропорциональное температуре. Напри-

мер, один из таких приборов имеет выходное напряжение 10 мВ на

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 использо-

ваны в качестве чувствительных элементов измерительных преобразо-

вателей 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 темпе-

ратуры. Верхний диапазон измеряемых температур ограничивается то-

ком 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 преобразова-

тели относятся к термометрическим преобразователям, т.е. к преоб-

разователям, основанным на прямом контакте с телом, температура

которого измеряется. Радиационная пирометрия представляет собой

науку об измерениях температуры тела без непосредственного кон-

такта с ним, т.е. с использованием энергии излучения нагретого

тела, её регистрации и отображения в единицах температуры.

Пирометр - это первичный измерительный преобразователь тем-

пературы, который определяет знергию излучения тела. По своей

природе он является дистанционным (безконтактным) первичным изме-

рительным преобразователем.

В общем случае пирометр представляет собой целую систему,

содержащую в себе :

1) совокупность оптических линз для фокусировки энергии из-

лучения 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, тем-

пература которого измеряется. Принцип работы прибора показан на

рисунке 1.9, где сам пирометр изображён в виде ящика с от-

верстием, 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.

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 те-

ла. Однако площадь поверхности тела, которую "видит" преобра-

зующий 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

Таким образом, излучение, достигающее пирометра, не зависит

от его расстояния до тела (при условии, что поверхность тела пол-

ностью заполняет область "видения" пирометра). Отсюда следует,

что при известной способности тела к излучению пирометр непос-

редственно регистрирует температуру тела.

Преобразующий элемент устройства может быть выполнен в виде

любого из ранее рассмотренных преобразователей для измерения тем-

пературы. Обычно в пирометрах используются для этой цели термопа-

ры, резистивные чувствительные элементы (они называются боломет-

рами) или полупроводниковые приборы. Как правило, пирометры

представляют собой довольно громоздкие приборы, однако их послед-

ние модификации отличаются небольшими размерами за счёт использо-

вания в них чувствительных элементов, измеряющих излучение непос-

редственно на основе фотоэлектрического или пироэлектического эф-

фекта и выполненных виде интегральных схем. Такие пироэлектричес-

кие детекторы имеют в своём составе все три основные части пиро-

метра, но в миниатюре. Они недороги, устойчивы к внешним воз-

действиям и способны непосредственно сопрягаться с элементами из-

мерительной 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 конденсато-

ра. Температура пластин определяет точную степень упорядоченнос-

ти, поэтому заряд на конденсаторе также изменяется в зависимости

от температуры.

Перестраиваемые фильтры, расположенные перед окном пиромет-

ра, позволяют сделать прибор чувствительным к различным частям

излучаемого спектра. Интегральный полевой транзистор затемпроиз-

водит усиление сигнала и сопряжение преобразующего элемента с

другими частями измерительной системы.

Поскольку пироэлектрические детекторы воспринимают темпера-

туру дистанционно, т.е. без физического контакта, они могут при-

меняться для обнаружения того или иного тела, образуя основу де-

текторов наличия или приближения предметов.

2 Измерение температур термопарным способом.

2.1 Термоэлектрические термометры.

Термометры состоят из термоэлектрического преобразователя

(термопары) и измерительного устройства (милливольтметра или по-

тенциометра).

На рисунке 2.1 приведена схема термоэлектрического термомет-

ра с милливольтметром, в которой Tn - термопара, УП и СП - соот-

ветственно удлинительные и соединительные провода, mV - милли-

вольтметр, Ry - уравнительный резистор.

Рисунок 2.1 Термоэлектрический термометр

Показания милливольтметра :

U = ETn ∙ RmV / Rвн + RmV (5)

где : U - показания милливольтметра,

ETn - э.д.с. термопары,

RmV - сопротивление милливольтметра,

Rвн - внешнее сопротивление.

Как видно из приведённой формулы, показания милливольтметра

при постоянных сопротивлениях милливольтметра и внешней цепи оп-

ределяется значением э.д.с. термопары и, следовательно, изме-

ряемой температурой. Шкала прибора в этом случае может быть

отградуирована в градусах с указанием типа термопары и выбранного

значения внешнего сопротивления Для подгонки внешнего сопротивле-

ния до значения, при котором производилась градуировка, ис-

пользуется уравнотельный резистор.

В этих термометрах возможна погрешность от изменения сопро-

тивления термопары и проводов. Сопротивление термопары изменяется

с изменением глубины погружения, т.е. с изменением соотношения

нагретой и холодной частей термопары. Кроме того, изменение глу-

бины погружения термопары вызывает также изменение погрешности,

обусловленной наличием тепловых потерь преобразователя. Поэтому

глубина погружения термопары выбирается в соответствии с пас-

портными 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 пот-

реблением.

Изменение температурных условий влияет на сопротивление рам-

ки милливольтметра, что тоже вызывает погрешность.

Изменение температуры свободных концов термопары приводит к

изменению показаний милливольтметра. Для устранения влияния тем-

пературы свободных концов применяются различные методы введения

поправок.

Если милливольтметр имеет шкалу в милливольтах, то к показа-

ниям милливольтметра прибавляется (с учётом знака) поправка, рав-

ная 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 мил-

ливольтметра 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 подсчё-

тов можно принять k = 0.8 Ў 1.0 для термопар из неблагородных ме-

таллов 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 отклю-

ченной термопаре стрелка милливольтметра корректором устанавли-

вается на отметку шкалы, соответствующую значению поправки в гра-

дусах, расчитанной вышеуказанным способом. После этого прибор бу-

дет автоматически вводить нужную поправку. При изменении темпера-

туры свободных концов необходимо соответственно изменить положе-

ние стрелки милливольтметра при отключенной термопаре.

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, сумми-

рующаяся с термо-э.д.с. от колебаний температуры свободных кон-

цов, практически полностью компенсируется сигналом, снимаемым с

моста.

Чувствительность моста регулируется с помощью резистора R5.

В термоэлектрических термометрах для измерения э.д.с. термо-

пары используются автоматические потенциометры, применение кото-

рых приводит к увеличению точности измерения температуры. Повыше-

ние точности объясняется более высоким, чем у милливольтметров,

классом точности потенциометров, а также отсутствием влияния из-

менения сопротивлений термопары и проводов.

Ввод поправки на изменение температуры свободных концов тер-

момары в этих приборах осуществляется с помощью терморезистора,

помещённого в зону температуры свободных концов.

Градуировка термоэлектрических термометров - приборов, ис-

пользующих термопары для измерения температуры, - производится

обычно при температуре свободных концов 0°С. Градуировочные таб-

лицы для стандартных термопар также составлены при условии ра-

венства температуры свободных концов 0°С. При практическом приме-

нении 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 спла-

вы. В таблице 2.1 приведены характеристики термопар в соот-

ветствии с ГОСТ 6616-74.

Таблица 2.1 Характеристики термопар

┌──────┬───────────────────────────┬──────┬──────────────────────┐

│тип │наименование материалов │термо-│верхний предел измеря-│

│термо-│ │э.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 ти-

пов 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.

Электроды стандартных термопар выполняются из проволоки

диаметром 0.5 мм - для термопар из благородных металлов и диамет-

ром до 3.5 мм для термопар из неблагородных металлов. Рабочий ко-

нец термопары образуется путём скручивания и сваривания электро-

дов.

Для защиты от внешних воздействий (давления, агрессивных га-

зов и т.д.) электроды, изолированные фарфоровыми бусами, поме-

щаются в защитную арматуру, показанную на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 Защитная арматура термопары

Кроме стандартных термопар, применяются другие термопары,

отличающиеся по своим характеристикам от стандартных.

Для удобства стабилизации температуры свободных концов иног-

да целесообразно термопару удлинить с помощью так называемых уд-

линительных проводов, выполненых либо из соответствующих тер-

моэлектродных материалов, более дешёвых, чем электродные, и удов-

летворяющих 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 зависи-

мость термо-э.д.с. от температуры, как и у основной термопары.

Инерционность термопар в настоящее время характеризуется по-

казателем тепловой инерции.

Известны конструкции малоинерционных термопар, у которых по-

казатель тепловой инерции составляет 5 - 20 с. Термопары в обыч-

ной арматуре имеют показатель тепловой инерции, равный нескольким

минутам.

2.2 Заключение

Для измерения температуры указанной в техническом задании

используется термодатчик ТВР, его параметры соответствуют задан-

ным.

УНУУ[1]A*.MAC3БЪЩЩЩ