Метрология. Контрольные вопросы для самопроверки. Содержание предлагаемого учебного пособия основано на программе дисциплине Технические измерения и приборы
 Скачать 1.03 Mb.
|
|
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 3.1. Классификация средств измерения температуры Все термометры можно разделить на две группы в зависи- мости от методики измерения, рис. Традиционный или наиболее часто применяемый вид термометров – контактные термометры, отличительной особенностью которых является необходимость контакта термометра и измеряемой среды. Вторая группа термо- метров – бесконтактные, для которых нет необходимости в непо- средственном контакте между термометром и измеряемой средой. Рис.3.1. Классификация средств измерения температуры Контактные термометры подразделяются на: - Термометры расширения, принцип действия которых ос- нован на зависимости объёмного расширения жидкости и линей- ных размеров твёрдых тел от температуры. 37 - Манометрические термометры, принцип действия кото- рых основан на изменении давления рабочего (манометрического) вещества в зависимости от температуры. - Термоэлектрические термометры (термопары), принцип действия которых на использовании зависимости термоэлектро- движущей силы от температуры. - Термометры сопротивления, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления чувстви- тельного элемента (проводника или полупроводника) от темпера- туры. Бесконтактные термометры, в основе которых лежит регист- рация собственного теплового излучения или оптического излуче- ния, можно представить следующими направлениями: - Пирометрия – измерение температуры самосветящихся объектов: пламени, плазмы, астрофизических объектов. - Радиометрия – измерение температуры по собственному излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излу- чение находится в инфракрасном диапазоне длин волн. - Тепловидение – радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием темпера- турного поля в телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, темпе- ратуру среды в замкнутых объёмах, например, температуру жид- костей в резервуарах и трубах. 3.2. Термометры расширения 3.2.1. Дилатометрические термометры Дилатометрические термометры – средство измерения тем- пературы, использующее преобразование её изменения в раз- ность удлинений двух твёрдых тел, обусловленную различием их температурных коэффициентов линейного расширения. Принцип действия дилатометрических датчиков температуры поясняется схемой, приведённой на рис. 3.2.1. Рис.3.2.1. Схема измерения дилатометрическим термометром 38 Изменение длины твёрдого тела от температуры может быть аппроксимирована зависимостью: ) t 1 ( l l н к α + = , где α - средний коэффициент линейного расширения в сравнительно нешироком диапазоне температур; н к l , l - длины термометров при конечной и начальной тем- пературах. Если в начале рабочего диапазона н t длина обоих твёрдых тел одинакова и равна н l , то возникшая в конце диапазона к t раз- ность удлинений тел l ∆ будет равна ) t t )( ( l l н к 2 1 н − α − α = ∆ l ∆ тем больше, чем больше ) ( 2 1 α − α Диапазон измерения термометров от -30 до 1000 ° С, погреш- ность 1,5 – 2,5%. Они обладают высокой надёжностью и использу- ются в релейных схемах. 3.2.2. Биметаллические термометры Разновидностью дилатометрических термометров являются датчики температуры с биметаллическими пластинами. Используя тот же принцип работы – тепловое расширение тел при нагревании – в биметаллических датчиках измеряется не удлинение, а изгиб пластины, состоящей из двух металлов с разными температурны- ми коэффициентами расширения. Схема такого датчика, приведе- на на рис.3.2.2. Рис.3.2.2. Схема измерения биметаллическим термометром При изменении температуры такой пластины она изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного рас- ширения (на рис. 3.2.2. – металл 2). Для закреплённой с одного 39 конца биметаллической пластины длиной l и толщиной s переме- щение А её ненагруженного конца при изменении температуры пластины от t 1 до t 2 определится выражением: ( ) 1 2 2 t t s l A − ⋅ γ = , где γ - удельный изгиб пластины, зависящий в основном от разности коэффициентов линейного расширения использованных металлов. Зависимость перемещения незакреплённого конца биметал- лической пластины от температуры справедлива в том интервале температур, в котором оба используемых металла обладают упру- гой деформацией. Подбором специальных сплавов удаётся соз- дать биметаллический термометр с рабочим диапазоном темпера- тур от -100 до 600 ° С. Основная погрешность биметаллических термометров со- ставляет 1 – 3% диапазона измерения, градуировочная характери- стика близка к линейной. Однако чувствительные элементы тер- мометров не взаимозаменяемы и приборы требуют индивидуаль- ной градуировки. 3.3. Манометрические термометры Предпосылками для создания манометрических термомет- ров послужили соотношения между давлением, объемом и темпе- ратурой, которые могут быть найдены экспериментальным путем для любых веществ. Для описания этого соотношения может быть использовано уравнение Ван-дер-Ваальса: ( ) RT b V V a P 2 = − + , где Р – давление газа, Па; a и b – индивидуальные для каждого вещества коэффициен- ты; V – объем газа, м 3 ; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура газа, К. 40 Практически термометрическое вещество обычно находится при малых давлениях и описывается уравнением Бертло: + ⋅ + = 2 RT a b P RT PV , где b, a, R – параметры, характеризующие термометриче- ское вещество. Действие манометрических термометров основано на ис- пользовании зависимости между температурой и давлением тер- мометрического (рабочего) вещества в замкнутой герметичной сис- теме. Вся система манометрического термометра (рис.3.3.1): тер- мобаллон, капиллярная трубка, упругий чувствительный элемент – заполнена термометрическим веществом. При нагревании термобаллона давление или объем термо- метрического вещества внутри замкнутой системы увеличивается, что воспринимается упругим чувствительным элементом (мано- метрической трубкой или трубчатой пружиной), который воздейст- вует на показывающее или регистрирующее устройство. В зависи- мости от вида заполнителя термосистемы термометрическим ве- ществом манометрические термометры изготавливают трех видов: газовые, жидкостные и конденсационные. В манометрических тер- мометрах в качестве упругого чувствительного элемента приме- няют одновитковые (трубка Бурдона), многовитковые (геликои- дальные) и спиральные манометрические трубки с числом витков от 6 до 9. 1 2 3 4 5 6 Рис. 3.3.1 Манометрический термометр: 1 - термобаллон; 2 - капилляр; 3 - упругий чувствительный эле- мент (трубчатая пружина); 4 - зубчатый вектор; 5 – шестеренка; 6 - стрелка. 41 Конструкции манометрических термометров всех типов ана- логичны и подразделяются на показывающие, самопишущие и комбинированные. Термометры могут изготавливаться с дополни- тельными устройствами для сигнализации, передачи аналогового пневматического или электрического сигнала. Капилляры термометров изготавливают из латуни или стали с наружным (2,5мм) и внутренним (0,35мм) диаметрами. Газовые манометрические термометры основаны на зависи- мости давления газа от температуры при постоянном объеме и выражаются уравнением: ( ) [ ] 0 Г 0 t t t 1 P P − α + = , где P 0 – давление рабочего вещества при температуре t 0 ; α Г =1/273,15 – температурный коэффициент расширения газа; t 0 , t – начальная и конечная температуры. При изменении температуры газа в термобаллоне давление газа будет изменяться в соответствия с выражением: ( ) t 1 t t P P P P Г 0 Г t t 0 α + − α = − = ∆ Основным достоинством газовых термометров является то, что они обладают меньшими температурными погрешностями и имеют большую длину соединительных капилляров (до 0,6 – 60м). К специфическим недостаткам газовых манометрических термометров относятся: большая тепловая инерция, обусловлен- ная малой теплопроводностью термометрического вещества и низким коэффициентом теплообмена между стенками термобал- лона и наполняющим его веществом; большие размеры термо- баллона, что затрудняет его установку в малогабаритном обору- довании и трубопроводах; необходимость частой проверки, вы- званной трудностью обнаружения нарушения герметичности в процессе эксплуатации. Жидкостные манометрические термометры основаны на значительной разнице в температурных коэффициентах объемно- го расширения термобаллона и заполняющей его жидкости. Избы- точный объем жидкости определяется по формуле: 42 ( ) ( ) 0 l Ж 0 t t 3 V V − α − α = ∆ , где V 0 - объем жидкости в термобаллоне при температуре t 0 ; Ж α - температурный коэффициент объемного расширения жидкости; l α - температурный коэффициент линейного расширения материала термобаллона. Из этой формулы следует, что изменение объема термомет- рической жидкости при нагревании является линейной функцией температуры, поэтому жидкостные манометрические термометры, как и газовые, имеют равномерную шкалу. Погрешность от колебания температуры окружающей среды у жидкостных термометров выше, чем у газовых, ввиду большей теплопроводности термометрической жидкости. Для жидкостных термометров необходимо также учитывать погрешность, вызванную различным положением термобаллона относительно манометрической пружины по высоте. Эта погреш- ность корректируется механической установкой указателя (пера) на нуль. Недостатком жидкостных термометров является некоторая зависимость показаний от атмосферного давления и температуры соединительного капилляра. В конденсационных манометрических термометрах термо- баллон обычно наполняют на 2/3 объёма низкокипящей жидко- стью, остальной объем заполняется ее насыщенными парами. По- вышение температуры усиливает испарение жидкости и увеличи- вает упругость пара, что усиливает также и процесс конденсации. В итоге насыщенный пар достигает некоторого определенного дав- ления, строго отвечающего температуре. Принцип работы конденсационных термометров основан на зависимости давления Р насыщенного пара низкокипящей жид- кости от температуры: , ) V V ( T L T P ж п − = ∂ ∂ где L – скрытая теплота испарения; V П – удельный объем пара; V Ж – удельный объем жидкости. 43 Давление в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара при температуре рабочей жид- кости, которая в свою очередь, равна температуре измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Зависимость давле- ния насыщенного пара от температуры однозначна (до критиче- ской температуры), но нелинейная, вследствие чего шкалы кон- денсационных термометров имеют значительную неравномер- ность. Для получения равномерной шкалы некоторые типы конден- сационных манометрических термометров оснащены дополни- тельными устройствами. Раскручиваясь, пружина ложится на упо- ры. При этом часть длины пружины постепенно выходят из работы, возникает нелинейность, противоположная нелинейности измене- ния давления насыщенного пара в термосистеме от температуры, и обеспечивает равномерность шкалы термометра. Как и для жидкостных термометров, в конденсационных тер- мометрах необходимо учитывать погрешности, вызваннуюразлич- ным положением манометрической пружины относительно термо- баллона по высоте. Конденсационные манометрические термометры более чув- ствительны, чем термометры других типов, и имеют все преиму- щества жидкостных, но свободны от их недостатков. Однако они несколько сложнее, а шкала их неравномерна. Промышленность выпускает следующие модификации ма- нометрических термометров: ТПГ4 - термометр манометрический показывающий газовый; ТПЖ4 - термометр манометрический показывающий жидко- стный; ТПГ4-Ш - термометр манометрический показывающий газо- вый сигнализирующий; ТПП4-Ш - термометр манометрический показывающий кон- денсационный сигнализирующий; ТПГ4-У - термометр манометрический показывающий газо- вый с пневматическим выходным сигналом; ТПЖ4-У - термометр манометрический показывающий жид- костный, с пневматическим выходным сигналом; ТПГ4-У1 - термометр манометрический показывающий газо- вый с электрическим выходным сигналом; ТПЖ4-У1 - термометр манометрический показывающий га- зовый с электрическим выходным сигналом; Заполнитель термосистемы: 44 а) для термометров TПГ-4, ТПГ4-Ш, ТПГ4-У, ТПГ4-У1 с пре- делами измерения в диапазоне от 0 до 600°С - аргон для осталь- ных пределов измерений - азот; б) для термометров TПЖ-4, ТПЖ4-Ш, ТПЖ4-У, ТПЖ4-У1 – полиметилсилоксановая жидкость ПМС-5; в) для термометров ТПП4-Ш в зависимости от пределов из- мерений от 25 до 60 0 С - фреон 22, в диапазоне от 0 до 125 0 С – хлоpиcтый метил, в диапазоне от 100 до 200 0 С – ацетон, в диапа- зоне от 200 до 300 0 С – этилбензол. Заполнение термосистем производится через дополнитель- ный капилляр, который находится в муфте термобаллона. 3.4. Термометры сопротивления (ГОСТ 6651-94) Терморезистором называется измерительный преобразова- тель, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются тер- мометрами сопротивления. Имеются два вида терморезисторов: металлические и полу- проводниковые. Принцип действия и конструкция металлических терморези- сторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с уве- личением температуры. Для изготовления металлических термо- резисторов обычно применяются медь, платина или никель. Функция преобразования медного терморезистора линейна: R t = R 0 (1+ α t), где R 0 – сопротивление при 0 0 С; α = 4,2 – 4,27 ⋅ 10 -3 К -1 – температурный коэффициент. Функция преобразования платинового терморезистора нели- нейная и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом R t =R 0 (1+At+Bt 2 ) Температурный коэффициент платины пример- но равен α = 3,91 ⋅ 10 -3 К -1 Чувствительный элемент медного терморезистора ( рис. 3.4.1 а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволо- ка 2диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым ла- ком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 45 диаметром 1,0 – 1,5 мм. Провода изолированы между собой асбе- стовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол ( рис. 3.4.1 б), который представляет собой закрытую с одного кон- ца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3. Рис. 3.4.1. Конструкция термометра сопротивления Градуировка 10М, 50М, 100М; Пределы измерения -200 – 200 0 С; 46 Удельное сопротивление ρ = 0,17 ⋅ 10 -7 Ом ⋅ м; W = R 100 /R 0 = 1,428 Достоинством применения меди, как материала, является дешевизна, простота получения тонкой проволоки в различной изоляции, возможно получения высокой чистоты меди, линейная характеристика. Недостатки малое удельное сопротивление ρ , интенсивное окисление при невысоких температурах. Преобразователь из платины представляет собой голую платиновую проволоку 2диаметром 0,05...0,07 мм, намотанную на каркас размером 100х10 мм. Обмотка укладывается в зубчатую нарезку на краях каркаса. В качестве каркаса используют материа- лы, обладающие термостойкостью и высокими электроизоляцион- ными свойствами: слюду, кварц, фарфор. К концам обмотки припаиваются выводы 3из серебряной проволоки, которые изолируют фарфоровыми бусами. В термо- метрах сопротивления, предназначенных для измерения темпера- туры до 100 0 С, возможно применение выводов из меди. Обмотку с каркасом заключают между двух слюдяных про- кладок 4, затем всю конструкцию собирают в пакет серебряной лентой и заключают в тонкостенную алюминиевую трубку, а затем в чехол из нержавеющей стали. Выводы датчика подключают к зажимам специальной платы, установленной в головке защитного чехла. Градуировка 1П, 5П, 10П, 100П, 500П; Пределы измерения -260 – 1000 0 С; Удельное сопротивление ρ = 0,098 ⋅ 10 -7 Ом ⋅ м ; W = R 100 /R 0 = 1,392 – степень чистоты металла. Основные параметры наиболее распространенных терморе- зисторов и обозначения их градуировок по ГОСТ 6651-94 приведе- ны. Номинальные функции преобразования (статические харак- теристики) медных и платиновых терморезисторов и их погреш- ность определяются ГОСТ 6651-94. Схемы включения металлических терморезисторов. Термо- метр сопротивления и провода, соединяющие его с вторичным прибором, включены последовательно. Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температу- ры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры. 47 Значения W 100 определяемые как отношение сопротивления ТС при 100 0 С R 100 к сопротивлению при 0 0 R 0 , должны соответст- вовать значениям, приведенным в таблице 3.4.1. Таблица 3.4.1 Номинальные и допустимые значения W 100 Тип ТС Класс допуска Номинальное зна- чение W 100 Наименьшее допускае- мое значение W 100 А 1,3850 1,3845 1,3910 1,3905 В 1,3850 1,3840 1,3910 1,3900 С 1,3850 1,3835 Платиновый ( ТСП) 1,3910 1,3895 А 1,4260 1,4255 1,4280 1,4275 В 1,4260 1,4250 1,4280 1,4270 С 1,4260 1,4240 Медный ( ТСМ) 1,4280 1,4260 Никелевый ( ТСН) С 1,6170 1,6130 Сопротивление терморезистора определяется его темпера- турой, зависит не только от температуры окружающей среды, но и от проходящего по нему тока. Перегрев медного термометра током не должен превышать 0,4 0 С, а платинового 0,2 0 С. Для этого ток не должен превосходить 10 – 15 мА. Термометры сопротивления бывают одинарные и двойные. В двойных термометрах сопротивления встроены два изолирован- ных друг от друга чувствительных элемента, применяемые для одновременного измерения температуры одной точки двумя при- борами. Основные факторы, влияющие на погрешность измерения температуры технологических объектов – это инерционность тер- модатчиков, неправильная их установка, нарушение условий мон- тажа и эксплуатации приборов. Инерционность термодатчиков проявляется с увеличением скорости изменения температуры объекта, так как возникает зна- чительная разница в показаниях прибора и истинной температурой объекта. При использовании термодатчиков в агрессивной среде и высоких давлениях за счет использования соответствующих за- щитных гильз значительно увеличивается их инерционность. Для 48 уменьшения инерционности зазор между датчиком и установочной гильзой по всей длине заполняют средой с большой теплопровод- ностью. При рабочей температуре 0...200 0 С используют компрес- сионное масло, при температуре свыше 200 0 С – чугунные или бронзовые опилки. Термометры сопротивления по точности подразделяют на три класса; по инерционности – на малоинерционные (до 9с), среднеинерционные (10...80с), высокоинерционные (до 4 мин). В соответствии с требованиями производства датчики тем- ператур имеют различную монтажную (установочную) длину в ин- тервале 60...3200 мм. Полупроводниковые терморезисторы. Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора термистора – изго- тавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, маг- ния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выво- ды из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают за- щитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Их функцию преобразования (рис. 3.4.2) обычно ап- проксимируют выражением R t = Ae B/t где R t – сопротивление термистора при температуре T в Кельвинах; А и В – постоянные, зависящие от материала и технологии, причем А зависит, кроме того, от размеров термистора и его фор- мы. Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивле- нием (при 20 0 С) от 1 до 200 кОм, В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от -100 до 120 – 600 0 С. Их чувствительность в 6 – 10 раз больше, чем чувствительность ме- таллического терморезистора. Кроме того, термисторы имеют зна- чительно меньшие массы и размеры. Имеются термисторы, вы- полненные в виде шариков диаметром от 0,006 до 2,5 мм. Тепло- емкость таких термисторов на несколько порядков меньше, чем у металлических терморезисторов. Малая теплоемкость обусловли- вает малую инерционность термисторов. 49 0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 t, 0 С Rt, ОМ Рис. 3.4.2. Зависимость R t = f(t) полупроводниковых термометров сопротивления Имеются термисторы с постоянной тепловой инерцией не- сколько миллисекунд. Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старе- ние и некоторая нестабильность характеристик. В течение первой недели их сопротивление может измениться на 1 – 1,5%, а за не- сколько месяцев еще на 1%.В дальнейшем изменение сопротив- ления термистора происходит медленнее, не превышая 0,2% в год. Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста. Приборы имеют индивидуальную гра- дуировку, что обусловлено большим разбросом параметров и ха- рактеристик преобразователей. К вторичному прибору термисторы присоединяются с помощью двухпроводного кабеля. Погрешность, вызванная изменением параметров кабеля, ничтожна, поскольку сопротивление и чувствительность термистора много больше со- противления линии связи и ее чувствительности к изменению тем- пературы. Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью. 50 Они широко используются, например, в биологии. С помощью тер- мистора, смонтированного на острие иглы, можно измерить темпе- ратуру внутренних органов живого организма. Широкое примене- ние термисторы находят в различных приборах для температурной коррекции характеристик приборов. |