Материал: 12. Методы и средства измерения неэлектрических величин
для измерения температуры средства классифицируются по следующим признакам: по диапазону измеряемых значений температуры, по типу используемых термопреобразователей, и по наличию (контактные) или отсутствию (бесконтактные) непосредственной связи между объектом и средством измерения.
Контактные измерения температуры. Наибольшее распространение при выполнении контактных измерений получили средства измерения на основе терморезисторов и термоэлектрических преобразователей.
Терморезистор совместно с измерительной цепью, которой, как правило, является мост, работающий в равновесном или неравновесном режиме, составляют прибор для измерения температуры – электрический термометр сопротивления.
Терморезистор включается в измерительное плечо моста по двухпроводной или по трехпроводной схеме (см. рис. 12.9).
Рис. 12.9
При двухпроводной схеме оба соединительных провода включаются последовательно с датчиком. Такие приборы используются при менее ответственных измерениях или при измерениях, выполняемых в лабораторных условиях, поскольку при колебании окружающей температуры возникает погрешность от вли-
яния |
(изменения) соединительных проводов |
t Rл |
R0 α т , где |
Rл |
Rл1 Rл 2 – изменение сопротивления проводов; R0 и α т |
– начальное со- |
|
противление (при 0°С) и температурный коэффициент терморезистора соответственно.
В трехпроводной схеме данная погрешность при работе моста в равновесном режиме отсутствует, поскольку два соединительных провода включены в соседние плечи моста, а третий в диагональ питания (см. рис. 12.9 а). В неравновесном режиме также удается значительно снизить погрешность от влияния сопротивления соединительных проводов.
При работе моста в неравновесном режиме на точность измерения температуры большое влияние оказывает погрешность от изменения напряжения питания.
На рис. 12.9 б приведена неравновесная схема моста с логометром. Принцип компенсации указанной погрешности заключается в том, что перед измерением
вместо терморезистора |
Rт |
включают контрольный резистор с сопротивлением |
соответствующим терморезистору в определенной точке шкалы прибора, изме-
няют сопротивление RУ |
до тех пор, пока стрелка прибора не установится на ука- |
занной отметке шкалы, |
затем RК закорачивают. Сопротивление RУ называется |
уравнительным, оно дополняет сопротивление проводов до значения, принятого при градуировке (5 Ом или 15 Ом). Для этой схемы также возможно трехпроводное включение терморезистора.
При измерении температур в диапазоне –270…+1100 °С в качестве чувствительных элементов в термометрах сопротивления используются наряду с мед-
ными и платиновыми терморезисторами, полупроводниковые терморезисторы, термотранзисторы и кварцевые термометры. Из них наибольшую точность из-
мерений обеспечивают платиновые терморезисторы и цифровые кварцевые термометры. Однако из-за своих достаточно больших габаритов указанные датчики обладают значительной тепловой инерцией. Поэтому для выполнения измерений нестационарных температур используют полупроводниковые терморезисторы и термотранзисторы.
Полупроводниковые терморезисторы, благодаря повышенной чувствительности в области низких температур применяются и для измерения температур меньших –260 °С.
Для работы с температурами от сотен градусов и до нескольких тысяч градусов (до 2500 °С) наибольшее распространение получили термоэлектрические термометры. Эта группа приборов обладает меньшей точностью по сравнению
с термометрами сопротивления. |
|
|
||
Приборы состоят из термопары и измерительной цепи, которую, как пра- |
||||
вило, составляют милливольтметры или компенсаторы. |
|
|||
На рис. 12.10 |
представлена схема, в которой ТП – термопара; УП и |
|||
СП – удлинительные |
и |
соединительные |
провода |
соответственно; |
mV – милливольтметр; RУ |
– уравнительный резистор. Тогда, напряжение измеря- |
|||||||||
емое |
милливольтметром |
U EТП RmV RВ Н RmV , |
где |
EТП – термоЭДС; |
||||||
R |
В Н |
– внешнее сопротивление определяемое суммой R |
В Н |
R |
|
R |
R |
У |
, со- |
|
|
|
|
ТП |
ПР |
|
|
||||
противлений термопары, удлинительных проводов и уравнительного; |
RmV |
– со- |
||||||||
противление милливольтметра. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Рис. 12.10
Шкала прибора в этом случае, как правило, градуируется в градусах и при
постоянстве RВ Н , RmV его показания определяются значением термоЭДС. |
По- |
скольку градуировка термопары производится при определенных значениях |
RВ Н |
(0,6; 5; 15; 25 Ом), то в схему введен RУ , подгоняющий внешнее сопротивление до градуировочных значений.
Наиболее существенное влияние на результат измерения оказывает погрешность от изменения температуры свободных концов термопары, для устранения, которой используют различные способы введения поправок. При ручном способе в конечном результате учитывается поправка, пропорциональная отклонению температуры свободных концов от 0 °С. Полуавтоматический способ подразумевает смещение перед началом измерения с помощью корректора стрелки прибора на отметку шкалы, равную вводимой поправке. Тогда при дальнейших измерениях поправка вводится в результат без участия оператора.
Также на рис. 12.10 приведена схема термометра с автоматическим введением поправки. В измерительную цепь последовательно с термопарой и милливольтметром включают неравновесный мост, в котором в плечо моста включается медный резистор R1 , размещаемый в зоне свободных концов термопары. Резисторы R2 , R3 , R4 выполняются из манганина. Поскольку при градуировке прибора мост находится в равновесном состоянии, то в реальных условиях измененной температуры разность потенциалов, появляющаяся в измерительной диагонали моста полностью компенсирует изменение термоЭДС. Резистор R5 используется для регулировки чувствительности моста.
Дополнительным источником погрешности контактных способов измерения температуры является потеря теплоты через термопреобразователь. Температура анализируемой среды отличается от температуры, помещенного в нее чувствительного элемента, температура которого и измеряется прибором, вследствие постоянного теплообмена между преобразователем и средой.
Снижение этой погрешности достигается за счет тщательной изоляции выступающих частей преобразователя, размещения его в том месте, где скорость перемещения среды максимальная, установление требуемой глубины погружения преобразователя в измеряемую среду.
Бесконтактные измерения температуры. Бесконтактные измерения вы-
полняются в случаях, когда введение преобразователя вызовет искажение температурного поля объекта измерения, когда контакт с измеряемым объектом принципиально невозможен, например, среда, в которой находится объект, является агрессивной и при измерении температур больших 2500 °С. Для работы в указанных условиях, как правило, применяются пирометры излучения.
Температура поверхностей нагретых тел в диапазоне 30…2500 °С измеряется с помощью радиационных пирометров, с приведенной погрешность на уровне ±1%. Недостатком этих приборов является зависимость результата от состояния среды между пирометром и объектом измерения (дым, туман, пыль и т.д.). Для диапазонов температур больших +700 °С, но с верхним пределом до +6000 °С используются оптические пирометры.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов /Б.Я. Авдеев, В.В. Алексеев, Е.М. Антонюк и др. Под редакцией В.В. Алексеева. М.: Ака-
демия, 2007.
2.Росстандарт. Федеральный информационный фонд по обеспечению един-
ства измерений. http://www.fundmetrology.ru.