Файл: метод. (Восстановлен).doc

1.5. Пирометры излучения

Принцип действия пирометров основан на зависимости интенсивности теплового излучения тел от температуры. Тепловое излучение может распространяться в пространстве даже в вакууме, поэтому эти средства применяются в качестве бесконтактных средств измерения, т.е. не требующих непосредственного контакта между объектом и средством измерения. Вследствие этого основная сфера их использования – это измерение сверхвысоких температур (порядка нескольких тысяч градусов), где контактными средствами измерения пользоваться невозможно из-за опасности их физического разрушения, или измерение температуры труднодоступных для непосредственного контакта объектов, например температуры больших участков местности при аэрокосмической съёмке, объектов в зоне химического или радиационного заражения. Таким образом, к достоинствам пирометров следует отнести возможность бесконтактного измерения температуры, а значит, отсутствие влияния на объект измерения, высокое быстродействие. Недостатком пирометров является относительно большая абсолютная погрешность определения температуры, т.к. согласно закону Стефана-Больцмана излучательная способность тела пропорциональна 4-й степени его абсолютной температуры. Однако при измерении высоких температур соответствующая относительная погрешность может оказаться вполне сравнимой с величиной относительной погрешности других средств измерения температуры.

1.6. Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические термометры основаны на физическом эффекте возникновения термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в цепи, состоящей из 2-х разнородных проводников, соединенных между собой спаями, если температуры этих спаев различны. Этот эффект был открыт в 1821 году немецким ученым Т. Зеебеком (T. Seebeck). ТермоЭДС зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев:

,

где  – коэффициент Зеебека.

Конструкция из 2-х или более разнородных электродов, соединенных спаями, называется термопарой. Определить разность температур спаев можно, измерив величину термоЭДС. Для этого в цепь термопары должен быть включен прибор для измерения разности потенциалов. Это может быть милливольтметр или потенциометр постоянного тока. Если температура контактов прибора для измерения ТЭДС, к которым подключается термопара, одинакова, то это не искажает значение ТЭДС, развиваемое термопарой.

Таким образом, термоэлектрический термометр представляет собой комплект, в состав которого входят термопара в качестве первичного преобразователя, т.е. датчика температуры, и прибор для измерения ТЭДС.

Однако на практике, как правило, интерес представляет не знание разности температур спаев, а температура одного из них, который находится в контакте с объектом измерения. В этом случае температура другого спая должна быть известна и оставаться неизменной в процессе измерения. В связи с этим условно различают горячий (рабочий) и холодный спаи термопары. Для соблюдения этого условия в технике при точных измерениях принято поддерживать эту температуру равной 0 С, для чего холодный спай термопары в процессе измерений находится в сосуде с тающим льдом.

Значение температуры, соответствующее измеренному значению термоЭДС, определяется по известной для данного типа термопары зависимости Е = f(T₁ – T₂), которая называется градуировочной характеристикой термопары. Градуировочная характеристика может быть представлена в форме таблицы, графика или аналитической зависимости.

В случае, если холодный спай термопары находится при температуре, отличной от 0 С, при определении температуры рабочего спая необходимо учитывать поправку на температуру холодного спая. Схема термоэлектрического термометра представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема термоэлектрического термометра

К материалам для изготовления термопар предъявляется ряд специальных требований:

• высокая ТЭДС. Наилучшим сочетанием материалов термоэлектродов является то, при котором величина ТЭДС, развиваемой на 1 градус изменения температуры, максимальна. В этом случае выше точность измерения и чувствительность прибора;

• термическая и химическая стабильность;

• относительная дешевизна;

• достаточная пластичность, чтобы иметь возможность изготавливать электроды в виде проволоки различной толщины.

Несмотря на то, что эффект Зеебека проявляется у достаточно большого числа различных материалов, удачное сочетание качеств, отвечающее комплексу вышеназванных требований, предъявляемых к материалам для термопар современной производственной практикой, встречается достаточно редко. Это обстоятельство приводит к необходимости создания специальных сплавов для изготовления термопар. Наиболее чувствительной среди термопар является хромель-копелевая термопара (тип ТХК), развивающая ТЭДС 66,42 мВ/град. Термопары, выпускаемые промышленностью серийно, называются стандартными. Основные типы стандартных термопар и их параметры в соответствии с международной спецификацией представлены в таблице 3. Хромель-копелевая термопара не относится к числу стандартных согласно международной классификации, однако в России выпускается серийно, несмотря на относительно ограниченный диапазон рабочих температур (от –50 до +600 С).

Различают следующие основные варианты конструктивного исполнения термопар:

• неизолированная тонкопроволочная с открытым контактом;

• изолированная с открытым контактом;

• изолированная на самоклеющейся основе;

• изолированная в керамической оболочке;

• в металлическом корпусе с встроенными клеммами для установки в гильзу.

Таблица 3

Основные типы стандартных термопар в соответствии

с международной спецификацией

Термоэлектрические термометры обладают следующими достоинствами в сравнении с другими средствами измерения температуры:

• высокая точность измерения при широком диапазоне измеряемых температур;

• возможность измерения температуры в труднодоступных местах благодаря малым размерам чувствительного элемента;

• возможность дистанционного измерения температуры и передачи сигнала измерительной информации на большие расстояния, использования его непосредственно без промежуточных преобразований в системах автоматического регулирования и компьютерного управления, т.к. он вырабатывается в форме электрического сигнала;

• возможность измерения температуры в нескольких точках с помощью одного вторичного прибора (многопозиционное измерение);

• отсутствие необходимости включения в измерительную цепь высокостабильного источника питания;

• относительная дешевизна.

Совокупность вышеназванных качеств послужила причиной того, что термоэлектрические термометры нашли самое широкое применение в различных сферах производственной деятельности и относятся к средствам измерения общепромышленного назначения, знание которых включает кругозор технически грамотного специалиста любого профиля.

2. Описание лабораторного стенда и порядок выполнения работы

Схема стенда для выполнения работы представлена на рис. 3.

Лабораторный стенд имеет в своём составе колбу с водой 2, которая помещается на электрическую плитку 3. В колбу для измерения температуры воды помещается термопара 1, рабочий спай которой находится при температуре измеряемой среды. Для измерения ТЭДС, развиваемой термопарой, в цепь включен потенциометр постоянного тока 7. Для подключения термопары к потенциометру служат удлиняющие провода 4, которые припаяны к термоэлектродам термопары, образуя, таким образом, холодный спай термопары, который находится в сосуде Дьюара 6 с тающим льдом при температуре 0 С. Для предотвращения короткого замыкания между термоэлектродами при проведении измерений точки присоединения удлиняющих проводов к термоэлектородам помещаются в пробирку 5 с трансформаторным маслом.

Рис. 3. Схема стенда: 1 – термопара; 2 – колба с кипящей водой;

3 – электроплитка; 4 – удлиняющие провода; 5 – пробирка с маслом;

6 – сосуд Дьюара; 7 – потенциометр

Порядок выполнения работы заключается в следующем:

1. Заполнить колбу дистиллированной водой.

2. Заполнить сосуд Дьюара льдом и добавить небольшое количество воды.

3. Собрать измерительную цепь термоэлектрического термометра.

4. Включить электрическую плитку в сеть и нагреть воду, доведя её до кипения.

5. Выполнить настройку потенциометра постоянного тока.

6. Выполнить измерение ТЭДС, развиваемой термопарой.

7. По градуировочной характеристике термопары определить температуру кипения воды.

8. Представить результат измерения в градусах по шкале Цельсия, Кельвина, Фаренгейта, Реомюра.

9. Занести в протокол данные о типе используемой термопары и характеристиках потенциометра постоянного тока, краткое описание порядка выполнения работы и результаты измерений и расчетов.

3. Контрольные вопросы

1. Что называется температурой и какой смысл имеет выражение о том, что «непосредственно измерить температуру нельзя»?

2. Что называется температурной шкалой?

3. В чем принципиальное отличие шкалы Кельвина от других шкал?

4. Какой признак положен в основу наиболее общей классификации средств измерения температуры?

5. Какие существуют типы термометров, их достоинства и недостатки?

6. Какие методические особенности присущи измерению температуры посредством термоэлектрического термометра?

7. Чем обусловлено широкое применение термоэлектрических термометров в производственной практике?